Modelowanie stabilności samolotów w ekstremalnych warunkach lotu
Projektowanie lotnicze opiera się w znacznej mierze na modelach matematycznych i symulacjach. Wiarygodność tych narzędzi jest uzależniona od precyzyjnej definicji układu. Obwiednia osiągów to zakres kombinacji parametrów lotu, np. prędkości, wysokości i kąta natarcia, przy których samolot zachowuje stabilność aerodynamiczną. W ramach finansowanego przez UE projektu ALEF ("Aerodynamic loads estimation at extremes of the flight envelope") rozszerzono istniejące modele, aby prawidłowo opisywały one zachowania na granicach obwiedni osiągów. Dużą rolę w modelowaniu przepływu powietrza odgrywają równania Naviera-Stokesa uśrednione metodą Reynolda (RANS). Wykorzystując złożone metody obliczeniowej dynamiki płynów i równania RANS, partnerom projektu ALEF udało się zasymulować warunki stabilne i niestabilne oraz zachowanie samolotu w skrajnych okolicznościach, w tym przy prędkości okołodźwiękowej, w locie nurkowym i przy dużym obciążeniu wymagającym korzystania z ruchomych powierzchni sterowych. Te ostatnie to powierzchnie samolotu, których wychylenie umożliwia sterowanie wysokością, prędkością i kątem natarcia. Połączenie zaawansowanych modeli przepływu płynów z modelami strukturalnymi umożliwiło ponadto uwzględnienie efektów statycznych i aeroelastycznych. Projekt ALEF wykazał, że w przypadku modeli niestabilnych obliczeniowej dynamiki płynów możliwe jest przejście od metod liniowych do metod wysokiej precyzji w celu dokładniejszego przewidywania efektów aeroelastycznych. Dokonano znacznych postępów w dziedzinie modeli zastępczych, zwanych też modelami powierzchni odpowiedzi. Naukowcy rozszerzyli technikę dekompozycji ortogonalnej (POD) w celu uwzględnienia wpływu wychylenia powierzchni sterowych oraz wystąpienia deformacji strukturalnych. Wykazano, że wynikowe modele stanowią szybką alternatywę dla obliczeniowej dynamiki płynów. Badacze wskazali też na możliwość używania innego narzędzia modelowania zastępczego stanów niestabilnych w postaci liniowych solverów w dziedzinie częstotliwości do uchwycenia niebezpiecznego zjawiska flatteru (trzepotania), które niekiedy pojawia się wraz ze wzrostem przepływu powietrza. Zastosowanie do przemysłowych przypadków testowych wykazało wyższość opracowanych przez projekt ALEF metod obliczeniowej dynamiki płynów i modelowania zastępczego nad najlepszymi istniejącymi rozwiązaniami. Tym samym projekt ALEF wniósł istotny wkład w metody modelowania aerodynamicznego dla skrajnych wartości w obwiedni osiągów stosowane podczas projektowania samolotów. Oczekuje się, że pozwoli to skuteczniej oceniać ryzyko i projektować bezpieczniejsze samoloty, jednocześnie zwiększając konkurencyjność europejskiego przemysłu lotniczego.
