Skip to main content

Skin friction and fiber-optics-based surface pressure measurements for aircraft applications

Article Category

Article available in the folowing languages:

Przełomowe czujniki służą poprawie parametrów aerodynamicznych skrzydeł

Finansowani przez UE naukowcy zaprezentowali innowacyjne, aktywne czujniki, które wykrywają separację przepływu na skrzydłach statku powietrznego. Nowe gotowe do lotu systemy pomiarowe pozwolą inżynierom na dalszą optymalizację parametrów aerodynamicznych statków powietrznych nowej generacji.

Transport i mobilność

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

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania