Przełamać lody – rozwój powłok przeciwoblodzeniowych i części ogonowych samolotów
Gromadzenie się lodu na elementach konstrukcyjnych samolotów jest źródłem poważnego zagrożenia – zwiększa masę i opór powietrza, zmniejszając osiągi. W ten sposób wymiernie przekłada się na zmniejszenie bezpieczeństwa, zwłaszcza podczas lotów w niskich temperaturach. Rozwiązaniem jest opracowanie konstrukcji odpornych na oblodzenie i technologii przeciwoblodzeniowych w celu optymalizacji ogólnej konstrukcji samolotu przy jednoczesnym zapewnieniu bezkompromisowego bezpieczeństwa lotu. To właśnie ten cel przyświecał konsorcjum dziesięciu partnerów, którzy pracowali nad finansowanym ze środków Unii Europejskiej projektem IMPACT(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Cele tych prac obejmowały rozwój najnowocześniejszych możliwości symulacji gromadzenia się warstw lodu, badanie powłok hydrofobowych i optymalizację kształtu tylnej części kadłuba oraz usterzenia, z uwzględnieniem zagadnień aerodynamicznych oraz konstrukcyjnych, aeroelastycznych i oblodzenia. Rezultaty prac przyczyniły się do rozwoju projektu Large Passenger Aircraft – dużego samolotu pasażerskiego opracowywanego w ramach wspólnego przedsięwzięcia Czyste Niebo 2(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Zespołowi projektu IMPACT z powodzeniem udało się zrealizować ambitny zestaw celów naukowych i technicznych istotnych dla projektowania usterzeń samolotów komercyjnych nowej generacji zapewniających doskonałe osiągi”, twierdzi Michele De Gennaro, koordynator projektu IMPACT.
Obliczanie gromadzenia się lodu
Dzięki symulacjom oblodzenia w trzech wymiarach, w ramach projektu powstały przemysłowe metody i narzędzia pozwalające na dokładne obliczanie oblodzenia. Eksperci byli w stanie opracować model, który pozwala na przewidywanie, w jaki sposób krople cieczy uderzają w powierzchnie aerodynamiczne oraz spływają po nich, tworząc strumienie i zamieniając się w lód, uwzględniając złożone oddziaływania wielofizyczne oraz właściwości hydrofobowe powierzchni. W ramach projektu badacze obliczyli wpływ nawarstwiania się lodu na powierzchniach stateczników poziomych dużych samolotów pasażerskich na aerodynamikę, co pozwoliło na uwzględnienie tej kwestii w ogólnym procesie projektowania samolotu. „W ramach prac powstał szereg innowacji w zakresie budowania siatek modeli oraz obliczeniowej dynamiki płynów, które umożliwiają skuteczniejsze radzenie sobie z nawarstwianiem się lodu w ramach kompleksowego procesu optymalizacji konstrukcji samolotu”, wyjaśnia De Gennaro.
Innowacje w zakresie rozwiązań przeciwoblodzeniowych
Zespół projektu IMPACT przeanalizował szeroką gamę powłok przeciwoblodzeniowych dostępnych na rynku, w tym szereg produktów na etapie badań i rozwoju. Celem było poznanie ich osiągów oraz ustalenie trwałości, a także zebranie informacji na temat właściwości przeciwoblodzeniowych i przeciwerozyjnych. Najlepsze zbadane technologie zostały następnie przetestowane w najnowocześniejszym, dużym klimatycznym tunelu aerodynamicznym w Wiedniu, po zastosowaniu na prostych i pofalowanych krawędziach natarcia wzorcowej części płatowca. Przeprowadzone testy przyczyniły się do opracowania najbardziej zaawansowanej i kompletnej bazy danych o powłokach w historii(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Zgromadzone dane zapewniły lepszą wiedzę na temat osiągów różnych technologii powłok zastosowanych na tylnym usterzeniu oraz stały się punktem odniesienia pozwalającym na potwierdzenie prawidłowości trójwymiarowych symulacji nawarstwiania lodu. „Ponadto zespół przeprowadził przełomowe prace nad wdrożeniem niskopoziomowych fizycznych modeli oblodzenia, które uwzględnią rzeczywiste właściwości fizyczne powierzchni w symulacjach nawarstwiania lodu – takie zjawisko jest szczególnie ważne dla przemysłu”, zapewnia De Gennaro. Efekt zmniejszonego gromadzenia lodu dzięki zastosowaniu powłoki hydrofobowej na krawędzi natarcia prostego skrzydła jest widoczny na powyższym zdjęciu.
Optymalizacja aerodynamiki i konstrukcji
W celu ograniczenia wagi tylnej części kadłuba i usterzenia, zespół projektu IMPACT pracował nad innowacyjną koncepcją opartą na pochylonej do przodu poziomej płaszczyźnie stabilizatora poziomego. W wyniku tych prac powstał zoptymalizowany układ tylnej części kadłuba charakteryzujący się osiągami aerodynamicznymi zbliżonymi do podstawowych, pozwalający na zmniejszenie o 5 % powierzchni stabilizatora poziomego i zastosowanie konstrukcji odpornej na oblodzenie. Badaczom udało się osiągnąć ten cel dzięki uwzględnieniu w konstrukcji urządzenia przedłużającego krawędź natarcia, opracowanego z myślą o stabilizatorze pochylonym do przodu. Dzięki zastosowaniu zaawansowanych technik, zespół dokonał dalszej optymalizacji konstrukcji ogona samolotu, co pozwoliło na dalsze ograniczenie wagi stabilizatora poziomego o 6 %, co może przyczynić się do całkowitej redukcji masy o 10 %. „Wszystkie te zmiany przełożą się na zmniejszenie zużycia paliwa o około 1 % względem najnowocześniejszego dużego samolotu pasażerskiego z 2020 roku, takiego jak Airbus A320neo”, dodaje De Gennaro. Prace prowadzone w ramach projektu IMPACT prowadzą do rozwoju metodologii potrzebnych sektorowi lotnictwa. Dalsze działania przyczynią się do konsolidacji osiągniętych rezultatów.
