Spokojne loty w niespokojnym powietrzu
Zmiany klimatyczne na świecie sprawiają, że turbulencje w czasie podróży lotniczych stają się coraz częściej występującym zjawiskiem. Nawet niewielkie turbulencje powodują zarówno dyskomfort, jak i urazy wśród personelu kabinowego, a jednocześnie piloci nie mają do dyspozycji wielu możliwości zapobiegania temu zjawisku – turbulencje w powietrzu są nie tylko niezauważalne gołym okiem, lecz także niewykrywalne przy pomocy radarów. Samoloty o lekkiej konstrukcji będą charakteryzowały się niższym zużyciem paliwa, a dodatkowo będą emitowały dużo mniej szkodliwego dwutlenku węgla. Pozostaje pytanie – czy loty na ich pokładzie będą przyjemniejsze i bezproblemowe? Aby udzielić na nie odpowiedzi, projektanci potrzebują lepszych narzędzi, które pozwolą im prognozować dynamiczne obciążenia i optymalizować projektowane konstrukcje pod tym kątem. W tym celu naukowcy rozpoczęli prace nad finansowanym przez Unię Europejską projektem AEROGUST(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w celu dogłębnego zbadania w jaki sposób podmuchy wiatru wpływają na samoloty. Zwiększenie wiedzy na temat zachowania samolotu w przypadku natrafienia na podmuch wiatru pozwoli na projektowanie lżejszych konstrukcji, a także możliwą redukcję przesadnie zachowawczych marginesów bezpieczeństwa. Obniżone zapotrzebowanie na testy w tunelach aerodynamicznych „Turbulencje atmosferyczne są jednym z kluczowych aspektów, które należy wziąć pod uwagę w procesie projektowania i certyfikacji samolotów oraz turbin wiatrowych”, zauważyła dr Ann Gaitonde, koordynatorka ds. naukowych projektu AEROGUST. W obu przypadkach krótkie podmuchy wiatru mogą spowodować powstanie dużych obciążeń konstrukcji. Zapewnienie ich bezpieczeństwa wymaga świadomości i wiedzy na temat tego, na jakie obciążenia może być narażona konstrukcja w najbardziej wymagających sytuacjach. To właśnie ta wiedza umożliwia producentom samolotów oraz turbin wiatrowych określenie, jak wytrzymałe muszą być kluczowe elementy konstrukcji, aby całość była w stanie sprostać maksymalnym obciążeniom i naprężeniom powstającym w czasie lotu lub pracy. „Obecnie większość danych eksperymentalnych dotyczących podmuchów wiatru jest gromadzona w ramach kosztownych eksperymentów przeprowadzanych w tunelach aerodynamicznych na późnych etapach procesu projektowania, w czasie których liczba dostępnych możliwości jest już mocno zawężona”, dodała dr Gaitonde. Ten fakt sprawia także, że szybka ocena i analiza zmian w konstrukcji powierzchni aerodynamicznych jest znacząco utrudniona. Co więcej, na świecie znajduje się zaledwie kilka tuneli aerodynamicznych, które są w stanie dokładnie odwzorować warunki lotu samolotu w naturalnej skali. Dokładniejsze projekty modeli samolotów przed przeprowadzeniem testów pozwolą na obniżenie zapotrzebowania na projektowanie nowych modeli w rezultacie przeprowadzonych testów w tunelach aerodynamicznych, co z kolei przełoży się zarówno na oszczędności czasu i pieniędzy, jak i pozwoli na sprawdzenie w praktyce nowatorskich konstrukcji i pomysłów, wśród których można wymienić między innymi korzystanie z innych, bardziej elastycznych materiałów. Zmiana obecnych praktyk Obliczeniowa dynamika płynów umożliwia przeprowadzanie wysokosprawnych obliczeń na potrzeby współczesnych konstrukcji dla przemysłu lotniczego i kosmicznego. Wykorzystując analizę numeryczną i struktury danych, technologia ta umożliwia opracowywanie niezwykle dokładnych modeli wirtualnych, które dostarczają wyjątkowych informacji na temat przepływów powietrza wokół kadłuba samolotu. Problem z technologią obliczeniowej dynamiki płynów polega na tym, że jest ona zbyt droga, by wykorzystywać ją do prowadzenia wszystkich symulacji podmuchów. Z tego powodu dotychczas naukowcy polegali w kwestii modelowania podmuchów na metodach liniowego modelowania przepływów nieustalonych oraz ustalonych danych uzyskanych w wyniku eksperymentów. Zespół projektu AEROGUST zdecydował się na wykorzystanie danych uzyskanych na podstawie obliczeniowej dynamiki płynów w celu ulepszenia symulacji podmuchów oraz uproszczonych modeli i zmniejszenia kosztów obliczeniowych symulacji obciążeń w wyniku podmuchów wiatru opartych na technologii obliczeniowej dynamiki płynów. Włączenie nieliniowych efektów konstrukcyjnych i aerodynamicznych w takich modelach umożliwia opracowywanie elastycznych i innowacyjnych konstrukcji. Zaawansowane technologie symulacji opracowane w ramach projektu AEROGUST powinny umożliwić konceptualizację nowatorskich konstrukcji i konfiguracji, a także produkcję samolotów, które będą bardziej przyjazne dla środowiska. Dodatkowo metody te powinny zmniejszyć zapotrzebowanie na kosztowne testy w tunelach aerodynamicznych, zmniejszając tym samym zarówno koszt, jak i czasochłonność procesu projektowania przed zbudowaniem fizycznych prototypów. W rezultacie pozwoli to zagwarantować, że europejski przemysł lotniczy i kosmiczny pozostanie konkurencyjny także w nadchodzących latach. „Jeśli będziemy w stanie przewidywać z dużo większą dokładnością skutki podmuchów w przypadku turbin wiatrowych, otworzy nam to drogę do umieszczania takich urządzeń w bardziej wymagających środowiskach, takich jak koło podbiegunowe oraz obszary zwrotnikowe”, podsumował dr Dorian Jones, koordynator naukowy projektu AEROGUST.
