W kierunku bardziej energooszczędnych statków powietrznych
Redukcja emisji dwutlenku węgla i tlenku azotu pochodzących ze statków powietrznych wiąże się bezpośrednio ze spalaniem paliwa, oporem powietrza i ciężarem samolotów. Zmniejszenie oporu powierzchniowego – który hamuje ruch maszyny do przodu podczas lotu – pomoże zmniejszyć wpływ szkodliwych emisji na środowisko naturalne. „Na opór wpływa nie tylko kształt płatowca, ale także niektóre urządzenia działające w polu przepływu”, mówi koordynator projektu DRAGY Gabriel Bugeda, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej w Międzynarodowym Centrum Inżynieryjnych Metod Numerycznych (CIMNE) na Politechnice Katalońskiej (UPC) w Barcelonie (Hiszpania). Na początku projektu zidentyfikowano szereg obiecujących urządzeń, by następnie przeanalizować część z nich w eksperymentach laboratoryjnych z wykorzystaniem analizy numerycznej opartej na nowych technologiach symulacji obliczeniowej. Badania te miały na celu dokonanie analizy struktur przepływu. „Przeanalizowaliśmy alternatywne rozwiązania w zakresie redukcji oporu przy użyciu urządzeń aktywnych, których działanie wymaga pewnej energii, takich jak wirujące dyski, urządzenia generujące strumienie pulsacyjne, czy nawet riblety”, mówi Bugeda. Riblety to mikroskopijne rowki na powierzchni statku powietrznego, biegnące zgodnie z kierunkiem przepływu powietrza i zmniejszające opór aerodynamiczny w porównaniu z powierzchniami gładkimi.
Urządzenia, które mogą zmniejszyć opór
Opór aerodynamiczny mogą zmniejszać riblety oraz inne urządzenia, takie jak siłowniki plazmowe, w których niewielka ilość powietrza jest wtłaczana do pola przepływu za pomocą urządzeń plazmowych. „Są to dwa najbardziej obiecujące urządzenia”, mówi Bugeda, wskazując ponadto na potencjał urządzeń generujących strumienie pulsacyjne, które wtryskują określoną ilość płynu w sposób pulsacyjny a nie ciągły, oraz wirujących dysków, wtryskujących płyn wytwarzający dodatkowy pęd. „Ustaliliśmy, że niektóre z tych urządzeń pozwalają na zmniejszenie oporu powierzchniowego nawet o 40 % – co jest nowatorskim osiągnięciem – ale nadal znajdują się one na bardzo niskim poziomie rozwoju technologicznego”, mówi Bugeda. Niemniej jednak, przy kosztach paliwa wynoszących co najmniej 30 % kosztów eksploatacyjnych samolotów komercyjnych, może to oznaczać znaczne oszczędności. „Samolot mógłby zostać wyposażony w wiele takich urządzeń rozmieszczonych na kadłubie lub skrzydle”, wyjaśnia Bugeda, zastrzegając jednocześnie: „Te urządzenia mają pewien ciężar i potrzebują energii do działania, a my nie oceniliśmy jeszcze związanych z tym kosztów, choć mimo wszystko jest to ważne odkrycie”. Oprócz silników i innych części samolotu, konwencjonalne konfiguracje są obecnie niemal w pełni zoptymalizowane. „Nasze badania laboratoryjne pokazują jednak, że urządzenia te można jeszcze udoskonalić”, zauważa Bugeda.
Zwiększenie skali
Zwiększanie skali tych rozwiązań jest nadal poważnym wyzwaniem. „Urządzenia te działają na pole przepływu na bardzo małym obszarze”, mówi Bugeda. „Nie jest łatwo wyekstrapolować wyniki tych eksperymentów [prowadzonych w skali laboratoryjnej] na samolot o rzeczywistym rozmiarze, dlatego musimy przeprowadzić eksperymenty w skali jak najbardziej zbliżonej do rzeczywistych rozmiarów, co nie zawsze jest możliwe w warunkach laboratoryjnych”. Dzięki temu, że projekt realizowany jest w ramach współpracy między instytucjami europejskimi i chińskimi, a koszty prac prowadzonych w Chinach pokrywa Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informatycznych w Pekinie, możliwe było wykorzystanie dużych obiektów eksperymentalnych na Uniwersytecie Zhejiang, Politechnice Północno-Zachodniej, Uniwersytecie Pekińskim oraz Uniwersytecie Beihang. Jak wyjaśnia Bugeda, w przypadku analizy numerycznej główna trudność dotyczy wymaganych mocy obliczeniowych. „Technologie te nie są jeszcze gotowe do wprowadzenia na rynek”, mówi Bugeda, dodając, że przyszłe wspólne projekty pozwolą je rozwinąć i wykorzystać w prawdziwych statkach powietrznych.
Słowa kluczowe
DRAGY, statek powietrzny, Chiny, opór aerodynamiczny, energooszczędność, emisje, riblety, aerodynamika, przepływ powietrza, urządzenia generujące strumienie pulsacyjne, dwutlenek węgla, tlenek azotu
