22 września 2019


Wraz z rozwojem metod analiz komputerowych i inżynierii materiałowej, przed konstruktorami branży lotniczej otwarły się możliwości, o których dawniej można było jedynie pomarzyć. Najbardziej udane z nowatorskich projektów, które są obecnie realizowane, dysponują potencjałem, który może mieć wpływ na to, jak lotnictwo będzie wyglądać w przyszłości.

Jacek Zbierski

Ambitni konstruktorzy lotniczy od dawna eksperymentowali z nietypowymi konfiguracjami skrzydeł samolotu. Jednak ze względu na ograniczone możliwości badania przepływów (konieczność wykonania modelu i/lub ograniczenia pierwszych analiz komputerowych) oraz trudności w połączeniu innowacyjnych konfiguracji płata z dostępnymi rozwiązaniami w zakresie napędów lotniczych, wiele takich koncepcji zostało zarzuconych, a często także i zapomnianych.

Lilium skrzydlo
źródło: lilium.com

Jedną z nich była koncepcja samolotu ze skrzydłami w konfiguracji zamkniętej, która narodziła się z rozważań Ludwiga Prandtl’a nad indukowanym oporem aerodynamicznym. Inne zaś znalazły jedynie limitowane zastosowanie, czego przykładem może być koncepcja samolotu VTOL (Vertical Take-off and Landing) typu tiltwing (w konfiguracji zmiennopłatu), która nigdy nie wyszła z fazy eksperymentalnej, czy też typu tiltrotor (w konfiguracji stałopłatu z ruchomymi gondolami silnikowymi), reprezentowanego przez unikalne konstrukcje Bell-Boeing V-22 Osprey i AgustaWestland AW609.

CONVERTICOPTER
Tymczasem w XXI wieku zaczęto na nowo odwoływać się do niegdyś zarzuconych koncepcji, szukając rozwiązań umożliwiających redukcję zużycia paliwa, emisji hałasu, czy też służących opracowaniu statków powietrznych zupełnie nowego typu, np. taksówek powietrznych. Tą drogą poszedł m.in. Oliver Garrow, założyciel VTOL Aerospace (wcześniej Elytron Aerospace), który jest autorem projektu samolotu, łączącego zarówno konfigurację skrzydła Prandtl’a, jak i koncepcję zmiennopłatu.

converticopter1

converticopter2
Converticopter – wizualizacja

Converticopter, bo tak nazywa się konstrukcja opatentowana przez VTOL Aerospace, dysponuje trzema płatami skrzydeł: zmiennopłatem ze śmigłami napędowymi, umieszczonym w centralnej części kadłuba, w bliskości środka ciężkości, oraz stałopłatami w układzie skrzydła zamkniętego – z dolnopłatem w przedniej części kadłuba i tylnym płatem połączonym z usterzeniem pionowym. Firma zbudowała już w pełni funkcjonalne, latające, bezzałogowe demonstratory technologii.

converticopter4
Converticopter – model przygotowywany do testów w tunelu aerodynamicznym

Założenia konstrukcyjne zostały zweryfikowane podczas prób w tunelu aerodynamicznym w NASA Ames Research Center. Jednoosobowy prototyp odbył także testowe przejazdy po pasie startowym. Dalsze losy konstrukcji nie są znane, zapewne dalszy jej rozwój uzależniony jest od uzyskania odpowiedniego finansowania.

LILIUM JET
4 maja bieżącego roku po raz pierwszy wzbił się w powietrze inny samolot pionowego startu i lądowania – taksówka powietrzna Lilium Jet. Ten płatowiec, ze skrzydłami w układzie kaczki, wyróżnia się zastosowaniem koncepcji napędu rozproszonego. W jego skrzydłach umieszczono trzydzieści sześć silników elektrycznych w dwunastu segmentach, z czego osiem segmentów znalazło się w głównym płacie skrzydeł, o rozpiętości 11 metrów, a pozostałe cztery w skrzydełku przednim (canard).

Lilium R001 jet beautiful top view screen
Lilium Jet ze skrzydłami w układzie kaczki, z widocznymi segmentami napędu rozproszonego

Silniki skonstruowane dla Lilium określane są jako elektryczne silniki odrzutowe, ich działanie opiera się bowiem na tym samym mechanizmie, z tą tylko różnicą, że do napędu wirnika zamiast turbiny gazowej wykorzystują motor elektryczny. Ich prosta konstrukcja zawiera tylko jeden element ruchomy. Łączna moc maksymalna wszystkich silników sięga 2000 KM, przy czym podczas lotu wymagane jest zaledwie 10% ich mocy, dzięki wykorzystaniu siły nośnej skrzydeł.

Lilium Blog Engines
Elektryczne silniki Lilium określane są jako odrzutowe

Lilium Jet może pomieścić czterech pasażerów i pilota w komfortowej kabinie o drzwiach w kształcie mewiego skrzydła i panoramicznych oknach. Samolot ma dysponować prędkością maksymalną 300 km/h i zasięgiem 300 km na jednym ładowaniu. Rozproszony układ napędowy nie tylko generuje mniej hałasu i wibracji, ale także zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa lotu. Dzięki rozmieszczeniu silników w konfiguracji po trzy na segment, z segmentami na skrzydłach z przodu i z tyłu kadłuba, awaria pojedynczych silników nie ogranicza manewrowości samolotu. Charakterystykę VTOL osiągnięto dzięki możliwości niezależnego wychylania wszystkich segmentów silnikowych w dół.

Lilium Blog Jet Rear 2400x1360
Skrzydła Lilium nie tylko mieszczą silniki, ale także zapewniają siłę nośną

Konstrukcja stałego płata z ruchomymi segmentami napędowymi pozwoliła uprościć budowę całego samolotu, który w konsekwencji pozbawiony jest ogona, powierzchni sterujących, skomplikowanych przekładni mechanicznych i układu paliwowego. Jego twórcom przyświecała myśl, że im mniej komponentów, tym bardziej niezawodny i bezpieczniejszy produkt, a jego produkcja i utrzymanie bardziej ekonomiczne.

Lilium Jet Flap move
Lilium Jet podczas demonstracji wychylania segmentów silnikowych

Przedsiębiorstwo Lilium, stojące za konstrukcją samolotu, nie zamierza się ograniczyć tylko do jego produkcji, lecz planuje wykorzystać go do budowy sieci taksówek powietrznych. Prędkość i zasięg samolotu Lilium Jet czyni go bowiem bardzo konkurencyjnym rozwiązaniem, w porównaniu do innych konstrukcji. Jeśli chodzi o awionikę, jest on opcjonalnie pilotowany, przy czym aby możliwie przyspieszyć uzyskanie niezbędnych certyfikatów i licencji, kierownictwo firmy na razie nie przewiduje autonomicznego wykonywania operacji.

Lilium FO006 air taxi flying over ocean coastline screen
Lilium planuje rozpocząć świadczenie usług taksówek powietrznych od 2025 roku

Według zapewnień właścicieli, taksówki Lilium mają rozpocząć regularne usługi w 2025 roku, ale na niebie będzie można zobaczyć je jeszcze wcześniej, podczas programów testowych. Mówi się także, że lot Lilium będzie tańszy od pokonania tej samej trasy taksówką samochodową.

MAGMA
Z kolei BAE Systems, w kooperacji z Uniwersytetem Manchester, pracuje nad bezzałogowym samolotem, o konstrukcji z tzw. skrzydłem rozmytym (blended wing body), bez wyraźnego rozdzielenia skrzydeł od kadłuba. Projekt nosi nazwę MAGMA i jest napędzany pojedynczą turbiną gazową.

magma
Bezzałogowy samolot MAGMA to platforma doświadczalna nowych rozwiązań w zakresie sterowania samolotem

Docelowo samolot MAGMA ma być pozbawiony klasycznych powierzchni sterujących i zmechanizowanych elementów ruchomych. Za sterowanie parametrami lotu mają być odpowiedzialne unikatowe systemy kontroli lotu z wykorzystaniem naddźwiękowego przepływu gorącego powietrza z turbiny:

  • Wing Circulation Control, wydmuchujący gorące powietrze przez szczeliny w krawędzi spływu skrzydła,
  • Fluidic Thrust Vectoring, umożliwiający zmianę kierunku lotu (w pionie) za pomocą wychyleń specjalnej dyszy, wytworzonej techniką przyrostową z tytanu.

Rezygnacja z ruchomych powierzchni aerodynamicznych i mechanizmów ich poruszania na rzecz rozwiązań w zakresie wektorowania ciągu i sterowania powietrzem uwalnianym na krawędzi spływu, ma pozwolić na redukcję masy i oporu aerodynamicznego, a także na większą swobodę w projektowaniu bryły płatowca, również pod kątem zwiększonej charakterystyki Stealth (utrudniającej wykrycie).

magma2
MAGMA przygotowana do prób w locie

Eksperymentalny samolot ma już za sobą próby w locie (odbyły się na przełomie kwietnia i maja tego roku), podczas których przetestowano funkcjonowanie systemów sterujących. Zdaniem twórców MAGMA demonstruje to, jak będzie mógł wyglądać samolot przyszłości, który będzie lżejszy, tańszy i szybszy od dzisiejszych konstrukcji.

ELASTYCZNE SKRZYDŁO
Inny pomysł na eliminację ruchomych powierzchni aerodynamicznych i skomplikowanych mechanizmów nimi sterujących mieli konstruktorzy z MIT i NASA. Ich koncepcja zakłada budowę modułowego, elastycznego skrzydła, które będzie dopasowywać kształt do fazy lotu i warunków aerodynamicznych. W ramach zespołu MADCAT (Mission Adaptive Digital Composite Aerostructure Techno­logies) opracowana została konstrukcja segmentów, z których powstało eksperymentalne skrzydło elastyczne.

MIT Morphing Wing 03
Z setek takich segmentów zbudowano elastyczne skrzydło

Segmenty powstały metodą formowania wtryskowego z użyciem polietylenowej żywicy. Z takich segmentów można zbudować skrzydło o dowolnym kształcie i wymiarach. Model testowy odpowiada wielkością skrzydłom awionetki.
Sieciowa struktura wykonana z takich segmentów ma gęstość zaledwie 5,56 kg/m3 i sztywność porównywalną z gumą o gęstości 1500 kg/m3. Dzięki odpowiedniej kompozycji elementów sztywnych i giętkich, uzyskano lekką konstrukcję skrzydła o zmiennym kształcie.

MIT Morphing Wing 02 0
Badanie elastycznego skrzydła w tunelu aerodynamicznym

Odpowiedni algorytm automatycznie dostosowuje kształt płata do wartości oporu aerodynamicznego przy danym kącie natarcia. Kombinacja algorytmów adaptacji kształtu, lekkich materiałów i modularnej konstrukcji stanowi potencjał, który być może zostanie wykorzystany do budowy nowego typu statków latających.

SAMOLOT PRZYSZŁOŚCI
Coraz to nowe koncepcje konstruktorów sprzed lat i największe wyzwania konstrukcyjne branży lotniczej, dzięki osiągnięciom współczesnej inżynierii materiałowej i stale rosnącym możliwościom oprogramowania, dziś stają się na nowo przedmiotem rozważań konstrukcyjnych. W parze z najnowszymi wizjami mają wpływ na to, w jakim kierunku rozwijać się będzie awiacja. Obok zagadnienia napędu to właśnie konstrukcja skrzydeł jest istotnym obszarem innowacji. Przy czym często wysuwany jest postulat pogłębienia integracji napędu z konstrukcją skrzydła. Rozwiązania idące w tę stronę otwierają drogę m.in. do upowszechnienia samolotów elektrycznych oraz pionowego startu i lądowania, dla których otworem stoi nowy sektor na rynku lotniczym – sektor taksówek powietrznych. Jest więc prawdopodobne, że właśnie dzięki nowym potrzebom rynku, samoloty przyszłości zagoszczą na niebie nad miastami całego świata.

Jacek Zbierski

baesystems.com
converticopter.com
lilium.com
nasa.gov

 

artykuł pochodzi z wydania 6 (141) czerwiec 2019