Naturalny przepływ laminarny pozwoli na zwiększenie oszczędności paliwa w samolotach
Wszyscy wiedzą, że za pierwszym razem odczucie turbulencji w samolocie może być stresujące, jednak w większości przypadków nie mają one żadnego znaczenia. Dużo mniej ludzi wie jednak, że lepsza konstrukcja skrzydeł może zmniejszyć liczbę takich przypadków, a w rezultacie zredukować wpływ turbulencji na zużycie paliwa. Aby było to możliwe, konstrukcja profilu lotniczego powinna opierać się na zasadzie laminarnego przepływu powietrza, według której powietrze powinno opływać skrzydło samolotu wzdłuż gładkiej i regularnej linii, co pozwoli na zmniejszenie jego oporów. Jak wyjaśnia dr Peter Kortbeek, kierownik biura technologii w firmie Fokker Technologies: „W przypadku przepływu laminarnego opór jest zbliżony do prędkości samolotu podniesionej do potęgi 1,5, podczas gdy opór przepływu turbulentnego wynosi kwadrat prędkości podniesiony do potęgi 1,8, co stanowi znacznie wyższą wartość”. Osiągnięcie tego celu wiąże się jednak z poważnym problemem – dotychczas żadnemu producentowi samolotów nie udało się uzyskać naturalnego przepływu laminarnego na całym profilu lotniczym. Wymagałoby to opracowania oraz produkcji idealnego kształtu profilu lotniczego o perfekcyjnie gładkiej powierzchni pozbawionej krawędzi, szczelin oraz falistości, niezależnie od warunków lotu – łatwiej powiedzieć, niż zrobić. Jedyną realną alternatywą jest hybrydowy przepływ laminarny, który wymaga jednak opracowania systemów obejmujących wiele drobnych otworów w profilu lotniczym, a także pompy odsysające powietrze z warstwy granicznej, co zapobiega powstawaniu turbulencji. Systemy te są jednak często złożone, drogie i znacząco podnoszą wagę całej konstrukcji. W ramach projektu ALFA dr Kortbeek i zespół z GKN Fokker, współpracujący z Royal Netherlands Aerospace Centre (NLR), podjęli próbę opracowania, zaprojektowania i wyprodukowania pełnowymiarowego prototypu lotnictwo (statecznika poziomego) wykorzystującego naturalny przepływ laminarny, charakteryzującego się niezrównaną jakością wykończenia powierzchni. Poza zaprezentowaniem wykonalności koncepcji naukowcy i badacze chcą, aby ich technologia była konkurencyjna pod względem wagi, kosztów i czasu produkcji, a także możliwości konserwacji i napraw. Osiągnięcie tych celów nie jest łatwym zadaniem. Najtrudniejszym wyzwaniem, któremu musi stawić czoła zespół, jest zaprojektowanie i wdrożenie statecznika poziomego, który będzie spełniał wymagania dotyczące krawędzi i szczelin, a także falistości w warunkach realnych obciążeń. Zespół poszukuje obecnie sposobów na zmniejszenie wielkości krawędzi pomiędzy krawędzią natarcia a częścią ogonową kadłuba samolotu. „Krawędzie zwykle powstają w wyniku mocowania elementów poszycia do części konstrukcyjnych kadłuba przy pomocy elementów łączących. Eliminacja tych elementów dzięki zastosowaniu klejów lub spawania jest jedną z możliwości rozwiązania tego problemu. Kolejne warte uwagi rozwiązanie zakłada ich maskowanie”, wyjaśnia dr Kortbeek. „Falistość wynika z kolei z procesów projektowania i montażu, ale także z obciążeń w warunkach lotu. Spełnienie wymagań stawianych przez naturalny przepływ laminarny wymaga ogromnej wiedzy oraz przeprowadzenia wielu symulacji”. Obecnie, trzy lata po rozpoczęciu projektu i rok przed jego zakończeniem, dr Kortbeek jest już przekonany, że uda się osiągnąć jego założenia. „Najważniejszym rezultatem projektu będzie prototyp w skali 1:1, spełniający wszystkie wymagania naturalnego przepływu laminarnego. Co ważniejsze, opracowana przez nas technologia będzie gotowa do zastosowania w przyszłych platformach lotniczych. Przewidujemy, że technologia naturalnego przepływu laminarnego trafi do użytku w ciągu pięciu lat”, twierdzi dr Kortbeek. Realizacja prototypu jest planowana na koniec 2020 roku, a jego komercjalizacja jest już omawiana z pewnym producentem oryginalnego wyposażenia. Oczekuje się, że stateczniki poziome wykorzystujące naturalny przepływ laminarny pozwolą na zmniejszenie zużycia paliwa przez samoloty o około 1 %, natomiast skrzydła wykorzystujące tę technologię pozwolą na zwiększenie tych oszczędności ponad pięciokrotnie. Pomimo tego, że na pierwszy rzut oka liczby te mogą wydawać się niewielkie, każdy procent ma znaczenie, biorąc pod uwagę całkowite zużycie paliwa przez samolot.
Słowa kluczowe
ALFA, samolot, przepływ turbulentny, przepływ laminarny, turbulencja, opór powietrza
