Przełomowe czujniki służą poprawie parametrów aerodynamicznych skrzydeł
Dla inżynierów lotniczych kontrola przepływu laminarnego jest najbardziej wciągającym zadaniem, ponieważ pomaga zmniejszyć opór powietrza. Przepływ laminarny to zasadniczo sposób, w jaki strumień powietrza przepływa nad i pod powierzchnią skrzydła, biegnąc płynnymi, równoległymi ścieżkami bez żadnych zakłóceń pomiędzy nimi. Jego przeciwnością jest przepływ turbulentny, który występuje niezależnie od kształtu i wielkości powierzchni skrzydeł. Gdy powietrze przepływa po skrzydle, powierzchnia styku staje się chaotycznym obszarem nieregularnych fluktuacji i wirów, a ciśnienie wzrasta, powodując wzrost oporu aerodynamicznego i zużycia paliwa.
Wykrywanie tarcia powierzchniowego i ciśnienia
„Znana w branży jako tarcie powierzchniowe lub naprężenie ścinające siła ta, wraz z ciśnieniem, są dwoma charakterystycznymi zagadnieniami fizyki przepływu dotyczącymi skrzydła statku powietrznego”, zauważa Julien Weiss, koordynator finansowanego ze środków UE projektu SKOPA. „Zaprojektowaliśmy i wykonaliśmy gotowy do lotu system pomiarowy, oparty na czujnikach termicznych do pomiaru tarcia powierzchniowego i czujnikach światłowodowych do pomiaru ciśnienia. Technologia ta może posłużyć do łagodzenia skutków separacji przepływu, tym samym zwiększając aerodynamikę i bezpieczeństwo lotu”. W przeciwieństwie do konwencjonalnych czujników nowo opracowane czujniki światłowodowe są mniej podatne na zewnętrzne perturbacje i zakłócenia. Ponadto czujniki termiczne zostały zaprojektowane tak, aby wykrywać zarówno amplitudę, jak i kierunek tarcia powierzchniowego na skrzydle, podczas gdy większość czujników umożliwia wykrywanie wyłącznie amplitudy.
Silniki lotnicze nowej generacji
Działania w ramach projektu mają istotny wpływ na rozwój cichszych, bardziej ekologicznych i paliwooszczędnych silników, takich jak silniki o ultrawysokim współczynniku dwuprzepływowości. Silniki takie mają wyższą sprawność napędową, ale wymagają budowy stosunkowo dużych gondoli. Dlatego też, „aby zapewnić wystarczający prześwit pomiędzy gondolą a pasem startowym bez konieczności stosowania dłuższych goleni podwozia, gondole muszą znajdować się bliżej skrzydła. To z kolei zwiększa ryzyko separacji przepływu w rejonie styku skrzydła ze wspornikiem gondoli, zwłaszcza podczas startu i lądowania”, wyjaśnia Weiss. Rzeczywista separacja przepływu byłaby szczególnie niekorzystna, ponieważ ograniczałaby zarówno maksymalny współczynnik siły nośnej, jak i stosunek siły nośnej do oporu samolotu, czyli dwie wielkości aerodynamiczne, które mają kluczowe znaczenie odpowiednio dla lądowania i startu. W ramach programu badawczego Komisji Europejskiej Czyste niebo 2 wprowadzono zintegrowane techniki aktywnej kontroli przepływu na styku skrzydła ze wspornikiem gondoli w celu zmniejszenia lub wyeliminowania ewentualnych stref separacji przepływu. „Dzięki naszej nowej technologii inżynierowie mogą dokonać walidacji skuteczności aktywnych systemów kontroli przepływu i kontynuować optymalizację aerodynamiki nowych samolotów transportowych”, mówi Weiss. Partnerzy projektu wykorzystali przemysłowy model skrzydła zewnętrznego wyposażonego w aktywną kontrolę przepływu, aby przetestować reakcję obu czujników. Wyniki wykazały, że czujniki termiczne dokonują skutecznych pomiarów zwiększonego naprężenia ścinającego generowanego przez aktywne siłowniki kontroli przepływu. Wartości ciśnienia statycznego i wahania ciśnienia zmierzone przez czujnik ciśnienia były zgodne z danymi referencyjnymi. Po przeprowadzeniu testów w tunelu aerodynamicznym partnerzy projektu wykorzystali lekki samolot do nauki, edukacji i badań (ang. Light Aircraft for Science, Education and Research, LASER) należący do Uniwersytetu Technicznego w Berlinie do sprawdzenia gotowości obu czujników do lotu. „Testy w locie ujawniły cenne informacje na temat fizyki lotu, ale wymagają bazowej, solidnej technologii czujnikowej. Nasz miniaturowy czujnik ciśnienia, zapewniający dokładne pomiary w zakresie dużej dynamiki, umożliwia testowanie w trudnych warunkach. Czujniki światłowodowe są również obiecującym rozwiązaniem do zastosowań w trudnych środowiskach ze względu na nieodłączne cechy systemów światłowodowych: brak sprzężenia elektromagnetycznego, brak korozji, pasywna konstrukcja oraz niezrównana ochrona przed przeciążeniami i stabilność”, podsumowuje Weiss.
Słowa kluczowe
SKOPA, tarcie powierzchniowe, separacja przepływu, aktywna kontrola przepływu, czujniki światłowodowe, czujniki ciśnienia, silniki o ultrawysokim współczynniku dwuprzepływowości
