Zaawansowane osłony kadłubów pomogą w popularyzacji samolotów napędzanych silnikami typu propfan Awarie silników statków powietrznych, podczas których może dochodzić do wyrzucania z nich odłamków w dowolnych kierunkach, są gwałtowne, ale na szczęście bardzo rzadkie. W ramach finansowanego ze środków UE projektu opracowano innowacyjne konstrukcje osłon, metody badawcze i symulacje mające na celu ocenę wpływu wysokoenergetycznych odłamków na kadłub statku powietrznego. Transport i mobilność Bezpieczeństwo © Oleksandr Naumenko, Shutterstock Oczekuje się, że w ciągu najbliższych dziesięcioleci statki powietrzne ulegną znacznym zmianom technologicznym. Rygorystyczne normy dotyczące zużycia paliwa i emisji CO2 są siłą napędową przyspieszającą projektowanie zaawansowanych silników i materiałów. Architektury z odkrytym wirnikiem przeciwbieżnym (ang. counter-rotating open rotor, CROR), określane także mianem „propfan”, są obiecującym rozwiązaniem, które bada się pod kątem napędzania komercyjnych odrzutowców następnej generacji, ponieważ mogą one zmniejszyć zużycie paliwa o 20-30 %. Aby móc osiągnąć bezpieczną integrację, konstrukcja statku powietrznego powinna tolerować pewne typy awarii silników z odkrytym wirnikiem. W tym kontekście zespół finansowanego ze środków UE projektu ELEMENT skupił się na praktycznych rozwiązaniach i działaniach w zakresie modelowania mających na celu ograniczenie ryzyka związanego z awariami silników, podczas których wyrzucane są z nich odłamki. „Wysokoenergetyczne odłamki mogłyby uderzyć w kadłub, powodując poważne uszkodzenia konstrukcji, które mogłyby zagrozić bezpieczeństwu statku powietrznego i pasażerów”, zauważa koordynator projektu Jorge López-Puente. Wirtualne modele odwzorowujące rzeczywiste warunki testowe Naukowcy potwierdzili poziom dojrzałości różnych konfiguracji osłon, które pomagają zminimalizować ciężar karny i chronią statek powietrzny przed różnymi awariami silnika. Na prostych panelach i pełnowymiarowych reprezentatywnych konstrukcjach statku powietrznego przeprowadzono zarówno fizyczne, jak i wirtualne próby zderzeniowe odłamków opuszczających obudowę silnika przy dużych prędkościach. „Wirtualne testy mogłyby zmniejszyć liczbę i koszty testów eksperymentalnych, a w idealnym przypadku ograniczyć je do dokładnie takiej liczby, jaka wymagana jest do certyfikacji statku powietrznego. Symulacje komputerowe obecnie szeroko stosuje się w warunkach statycznych, jednak nie w dynamicznych”, wyjaśnia López-Puente. Wirtualne testy są kluczem do bardziej elastycznego projektowania produktów i mogą przyspieszyć proces certyfikacji konstrukcji, przy jednoczesnym spełnieniu norm bezpieczeństwa. Naukowcy włożyli wiele wysiłku w przygotowanie zestawu doświadczalnego do prowadzenia badań na poziomie kuponu. Do produkcji fragmentu w kształcie graniastosłupa, reprezentującego łopatki wirnika, użyto polimeru wzmocnionego włóknem węglowym, natomiast fragmenty metalowe reprezentowała stalowa kula. W celu integracji sztywnych i elastycznych struktur osłonowych opracowano i przetestowano różne konfiguracje urządzeń i materiały. W sumie zespół przeprowadził ponad 300 testów z wykorzystaniem wyrzutni pneumatycznej. Kamery umożliwiające nagrywanie z dużą liczbą klatek na sekundę zarejestrowały pochłonięte energie i prędkości szczątkowe odłamków w konstrukcjach osłonowych. Analiza uderzeń w konstrukcję statku powietrznego w ramach testów fizycznych Najpierw badacze przeprowadzili eksperymentalne testy fizyczne reprezentatywne dla modeli wirtualnych, aby ocenić uderzenia odłamków wydostających się z silnika. Co ważne, testy te nie wymagały zniszczenia silnika. „Duże próbki reprezentatywne dla rzeczywistych konstrukcji statków powietrznych pozwalają na znaczne obniżenie kosztów eksperymentów oraz zwiększają powtarzalność naszych procedur badawczych, co jest niezbędne do walidacji zintegrowanych rozwiązań. W ostatecznym rozrachunku te osiągnięcia mogą pomóc w ustanowieniu standardów na potrzeby przystępniejszych cenowo kampanii testowania certyfikacyjnego”, zauważa. „Testy eksperymentalne przeprowadza się zazwyczaj na kuponach o zmniejszonych wymiarach w celu obniżenia kosztów. Badania, które obejmują naruszone konstrukcje reprezentatywne dla statków powietrznych w rzeczywistej skali, są albo poufne, albo nie istnieją”, dodaje López-Puente. Co więcej, obecne badania zazwyczaj skupiają się na fragmentach metalowych, które nie ulegają znacznemu odkształceniu po uderzeniu w statek powietrzny lub na ciałach miękkich, takich jak ptaki, które całkowicie rozpadają się po zderzeniu z kadłubem. Badania nad fragmentami lub częściami kadłuba wykonanymi z polimerów wzmocnionych włóknem węglowym są nieliczne. Ich zachowanie mechaniczne może odbiegać od podawanego w literaturze dla innych materiałów. Wyniki eksperymentalne i teoretyczne uzyskane w ramach projektu mogą znacznie ułatwić integrację silnika CROR w przyszłych statkach powietrznych. Potencjalne korzyści nie ograniczają się wyłącznie do statków powietrznych, ale mogą również objąć inne dziedziny, takie jak koleje dużych prędkości, skupiając się na tym, jak tłuczeń kolejowy wpływa na konstrukcję pociągu. Słowa kluczowe ELEMENT, odłamki, konstrukcja osłonowa, awaria silnika, odłamki, odkryty wirnik przeciwbieżny, test wirtualny, polimer wzmocniony włóknem węglowym
