Tack vare utvecklingen inom nästa generations aerodynamik och teknik är flygindustrin på väg att genomgå en revolutionerande förändring. Framtiden för flygresor är redo att bli mer effektiv, hållbar och tillgänglig än någonsin tidigare när forskare, ingenjörer och flygentusiaster arbetar tillsammans för att ompröva hur vi förstår flygning.
Flygindustrin är en av de största bidragsgivarna till klimatförändringarna, och den är under ökande press att minska sitt koldioxidavtryck. Flygets framtid måste vara effektiv och hållbar för att kunna åstadkomma en grönare planet. Fly Net Zero är ett initiativ från flygbolag för att uppnå nettonollutsläpp till 2050. För att nå dessa höga mål är vi i ett skede där jakten på innovativ teknik och revolutionerande flygplansdesign krävs.
Den här artikeln undersöker hur flygindustrin hanterar dessa problem. Från ny infrastruktur och nästa generations aerodynamik till hållbart flygbränsle (SAF) och elektriska flygplan, försöker industrin forma en effektiv och hållbar framtid för flygresor.
Förvandla vingar och adaptiva strukturer
Ett flygplans vingar kan inte fungera lika effektivt i olika skeden av flygningen på grund av den traditionella styva strukturen hos ett flygplan. Men när ny teknik dyker upp, kan ingenjörer nu producera förvandlande flygplansdesigner som kan ändra form medan de flyger. Förvandlande vingar, som är inspirerade av fåglar, har potentialen att optimera flygprestanda under olika faser av flygningen samtidigt som de tar upp viktiga frågor som bränsleeffektivitet, minskning av utsläpp och manövrerbarhet.
Naturen har länge varit en källa till uppfinningsinspirerande idéer för människor. Forskare har länge varit fascinerade av hur lätt fåglar, insekter och till och med fiskar anpassar sig till sina specifika livsmiljöer. Idén om att förvandla vingar, som imiterar levande djurs förmåga att ändra sin form, inspirerades av dessa naturliga anpassningar. Ingenjörer skapar vingar som kan ändra sin konfiguration i realtid genom att modellera hur fåglar ändrar sina vingformer under olika flygmanövrar.
Hur anpassar sig flygplansstrukturer?
Idén med “morphing wings” hänvisar till ett antal tekniker, var och en avsedd att ge en viss aerodynamisk fördel. Bland dessa mekanismer finns:
- Vridning och böjning – Vingstrukturens flexibilitet möjliggör förändringar i vingkrökningen, vilket påverkar lyft och drag i olika skeden av flygningen. Mjukare starter, effektivare cruising och ökad landningsstabilitet möjliggörs av denna förmåga.
- Formminneslegeringar (SMA:er) – SMA-baserade morphing vingar använder sig av material som anpassar sig till temperaturförändringar genom att ändra form. Ingenjörer kan designa vingar med SMA:er inbäddade i vingstrukturen som automatiskt anpassar sig till förändrade flygförhållanden, vilket maximerar prestanda och bränsleeffektivitet.
- Pneumatiska ställdon – Dessa ställdon ändrar formen på vingen genom att blåsa upp eller tömma vissa delar av den med hjälp av lufttryck. Detta tillvägagångssätt erbjuder exakt geometrisk kontroll över vingen och kan modifieras för att möta olika flygbehov.
- Elektroaktiva polymerer (EAP) – EAP:er anpassar sin form som svar på elektrisk stimulering. EAP:er erbjuder vingmorfologiska modifikationer i realtid när de integreras i vingstrukturer, vilket förbättrar manövrerbarheten och minskar motståndet.
Ett forskningsprojekt om morphing vingar startade 2023 vid Imperial College London för att upptäcka den optimala anpassningen av ett flygplans vinge som svar på flygförhållanden.
Intag av gränslager (BLI)
Flygplanet och framdrivningssystemet har traditionellt sett betraktats som separata enheter när man utformar flygplan som för närvarande är i drift. Som ett resultat närmar sig den framdrivande effektiviteten hos konventionella flygmotorarkitekturer sin gräns, och tekniska genombrott ger minskande avkastning. BLI hänvisar till placeringen av motorer närmare flygplanets flygkropp, vilket gör det möjligt för dem att fånga och inta flygplanets gränsskiktsflöde. Fördelarna med BLI inkluderar förbättrad framdrivningseffektivitet, minskat luftmotstånd och bättre bränsleeffektivitet. Ingenjörer vid NASA:s Glenn Research Center testar denna nya typ av framdrivningssystem i sin höghastighetsvindtunnel. Testning kan ta år att slutföra, men organisationen har sagt att den kommer att fortsätta BLI-teknologisk forskning och utveckling under de kommande åren.
Beräkningsvätskedynamik (CFD)
Med hjälp av den enorma datorkraft som för närvarande finns tillgänglig är CFD en banbrytande teknik som simulerar och skildrar de invecklade interaktionerna mellan vätskor, såsom luft, när de rör sig runt flygplansytor. CFD har förändrat flygplansdesign, prestandaanalys och testmetoder genom att ge ingenjörer djupgående insikter i aerodynamik och luftflödesbeteenden. Det har blivit en hörnsten i nästa generations aerodynamik.
I kärnan handlar CFD om lösningen av utmanande matematiska ekvationer som kännetecknar vätskerörelsens fysik. Dessa ekvationer ger en grundlig beskrivning av hur luft beter sig runt ett flygplans ytor genom att ta hänsyn till variabler inklusive vätskedensitet, hastighet, tryck och viskositet.
Ingenjörer kan visuellt utforska och analysera många scenarier utan behov av utarbetade fysiska prototyper genom att använda CFD-simuleringar, som ger en digital representation av luftflödesinteraktioner genom att diskretisera dessa ekvationer till mindre beräkningsdelar. Ett av de ledande flygplansföretagen, Airbus, använder CFD för att få en bättre förståelse för aerodynamik och maximera flygplanens effektivitet.
Flygtrafik i städer och eVTOL
Urban air mobility (UAM) föreställer sig en framtid där elektriska vertikala start- och landningsflygplan (eVTOL), utrustade med banbrytande aerodynamik, färjepassagerare och gods mellan stadskärnor, förorter och andra urbana destinationer. Genom att utnyttja kraften i nästa generations aerodynamik har UAM potentialen att revolutionera stadstransporter, erbjuda snabbare pendlingar, minskad trafikstockning och ett mer hållbart resesätt. Faktum är att det tyska företaget Volocopter testar användningen av sina Volocity-flygplan vid OS i Paris 2024.
Nyckelfunktioner hos UAM:
- Vertikal start och landning (VTOL) – UAM-flygplan är byggda med specialiserad aerodynamik som gör det möjligt för dem att utföra vertikal start och landning, vilket förnekar kravet på konventionella landningsbanor. De kan använda tak, helikopterplattor och till och med godkända urbana landningszoner för att göra affärer på grund av dessa möjligheter.
- Kortdistansflyg – Kortdistansflyg inom städer och förorter betjänas bäst av UAM-flygplan. I jämförelse med marktransporter kan dessa flygningar erbjuda snabbare punkt-till-punkt-förbindelser, särskilt under perioder med tung trafik.
- Elektrisk framdrivning – UAM-flygplan använder ofta elektriska framdrivningstekniker för att minska utsläppen, minimera bullerföroreningar och främja mer ekologiskt vänliga stadstransporter.
UAM kan minska trängseln i städer genom att erbjuda ett alternativt transportsätt, minska restiderna genom att kringgå marktrafiken och bidra till globala ansträngningar för att minska koldioxidutsläppen, tack vare dess elektriska framdrivning.
Överljudsresor
Genom att avsevärt sänka flygtiderna erbjuder överljuds- och hypersoniska resor ett paradigmskifte inom flyget som har potential att helt förändra långdistansresor och internationella resor. Dessa innovationer förväntas revolutionera flygresor i framtiden och skapa nya möjligheter tack vare nästa generations aerodynamik.
Resa samma dag mellan kontinenter?
Överljudsflygning överstiger ljudets hastighet, som är ungefär 1 235 km/h vid havsnivå och förändras med temperatur och höjd. Den berömda Concorde, ett överljudspassagerarflygplan, erbjöd en glimt av framtiden för överljudsflyg i slutet av 1900-talet. Concorde gick i pension 2003 som ett resultat av många operativa och finansiella frågor. Men överljudsflygplan ser en återuppsving och kan vara tillbaka i trafik 2029.
Det amerikanska flygbolaget Boom Supersonic lade nyligen en order på 20 överljudsflygplan som ska kallas “Overture”. Flygbolaget 201ft använder 100 % hållbart flygbränsle och kan nå hastigheter på upp till Mach 1,7 (2 099 km/h) – det snabbaste kommersiella flygplanet i världen. Med dessa hastigheter skulle ett flyg från New York till London bara ta 3,5 timmar.
Sammanfattning
Nästa generations aerodynamik, i korsvägen mellan innovation och nödvändighet, har potentialen att omdefiniera hur vi uppfattar och upplever flygning. Från det imponerande konceptet med att förändra vingar, till de återuppväckta drömmarna om överljudsresor, driver aerodynamiken oss mot en framtid med snabbare, effektivare och mer sammankopplade himmel. Bland storheten med dessa fantastiska innovationer kvarstår utmaningar. För att utnyttja potentialen i denna nästa generations aerodynamik, kommer det att vara nödvändigt att navigera i krångligheterna med material, lagar och infrastruktur. Detta kommer att garantera att framtidens himmel inte bara är snabbare och effektivare, utan också säkrare och mer hållbar.
