Skip to main content

Development of methods for deriving optimized shapes of morphing structures considering both aerodynamic performances and specific mechanical morphing boundary conditions

Article Category

Article available in the folowing languages:

Nowatorski pomysł na optymalizację zmieni oblicze lotnictwa

Dzięki innowacyjnym metodologiom optymalizacji konstrukcji skrzydeł o zmiennym kształcie, samoloty nowej generacji mogą wznosić się i szybować niczym orły, przy zapewnieniu większej sprawności oraz zmniejszeniu emisji.

Technologie przemysłowe

Niektórzy uważają, że Matka Natura jest najlepszym inżynierem zajmującym się optymalizacją, a za przykład ilustrujący ten pogląd mogą posłużyć ptaki w locie. Poczynając od Dedala i Ikara oraz ich pierzastych skrzydeł, aż po skrzydła o zmiennym kształcie opatentowane i wykorzystane przez braci Wright w opracowanym przez nich samolocie Wright Flyer, ludzie od zawsze starali się imitować sposób działania doskonałych ptasich skrzydeł. Bracia Wright mieli dobry pomysł, jednak z czasem wymagania związane z koniecznością zwiększania prędkości, ładowności oraz zasięgu samolotów doprowadziły do opracowania sztywniejszych konstrukcji, które nie są w stanie dostosowywać się do zmiennych warunków aerodynamicznych. Obecnie branża lotnicza wróciła do swoich korzeni i ponownie skupia się na opracowaniu skrzydeł nowej generacji o zmiennym kształcie, które pozwolą na zwiększenie sprawności samolotów, a także zmniejszą ich zapotrzebowania na energię i emisje zanieczyszczeń. W tym celu wymagane są jednak lepsze narzędzia do projektowania. Finansowany przez Unię Europejską projekt OPTIMOrph stanowi odpowiedź na te potrzeby jako część unijnego programu „Czyste niebo”, największego programu w dziedzinie lotnictwa, jaki był kiedykolwiek realizowany w Europie.

Wykorzystywane obecnie metody optymalizacji nie są optymalne

Dominujący sposób projektowania konwencjonalnych skrzydeł samolotów bierze pod uwagę zarówno czynniki aerodynamiczne, jak i strukturalne, jednak zakłada ich rozdział i osobne dostosowywanie parametrów. W wyniku tych iteracyjnych zmian wyłania się projekt konstrukcji, która umożliwia lot w określonych warunkach, a jednocześnie zapewnia akceptowalne osiągi, którym jednak daleko do optimum. Wraz ze wzrostem dokładności algorytmów ze względu na włączenie kolejnych stopni swobody i złożoności, rośnie także „ciężar” oprogramowania, co odbywa się kosztem szybkości jego działania. Jak wyjaśnia koordynatorka projektu Rita Ponza: „W ramach projektu OPTIMOrph opracowaliśmy zintegrowaną metodologię optymalizacji strukturalnej i aerodynamicznej, która od samego początku uwzględnia ograniczenia i możliwości wybranych koncepcji i materiałów związane z optymalizacją aerodynamiczną, dzięki czemu pozwala na uzyskanie zoptymalizowanych kształtów docelowych, możliwych do zrealizowania w praktyce. W rezultacie nasze rozwiązanie przełoży się na znaczącą oszczędność czasu i pieniędzy w ramach procesu projektowania i rozwoju”.

Wydajne algorytmy skutkują sprawniejszymi samolotami

Celem projektu OPTIMOrph była optymalizacja skrzydła w warunkach hipernośnych oraz w czasie przelotu. W pierwszym przypadku uczestnicy projektu skupili się na maksymalizacji współczynnika siły nośnej przy jednoczesnej maksymalizacji sprawności aerodynamicznej (współczynnika siły nośnej do oporu aerodynamicznego) przy 70 % maksymalnego współczynnika siły nośnej. W przypadku przelotu, naukowcy skoncentrowali się na zapewnieniu maksymalnej sprawności aerodynamicznej przy stałym kącie natarcia. Zespół zajął się badaniem dwóch zróżnicowanych strategii zmiany kształtu skrzydeł. W ramach pierwszej z nich region zmiany kształtu został ustalony między 0 % a 15 % cięciwy profilu skrzydła – linii prostej łączącej krawędź natarcia oraz krawędź spływu profilu lotniczego. Drugi wariant umożliwiał dodatkowe możliwości deformacji poszycia. W obu przypadkach skrzydło zmieniające kształt osiągnęło lepsze wyniki niż referencyjny profil lotniczy, z którym było porównywane rozwiązanie. Co więcej, skrzydło o zmiennym kształcie, charakteryzujące się większą złożonością oraz możliwością deformacji pozwoliło na znaczące obniżenie oporu aerodynamicznego przy maksymalnym współczynniku siły nośnej, co pozwoliło na dalsze zwiększanie sprawności aerodynamicznej. Jak podsumowuje Ponza: „Nasz zespół opracował użyteczne narzędzie, które może zostać zastosowane do opracowywania skrzydeł o zmiennym kształcie i udowodniliśmy, że przekłada się w znaczący sposób na efektywność procesu projektowania samolotów. Połączenie skrzydeł inspirowanych przez naturę z narzędziami może stanowić źródło wspaniałych rozwiązań na potrzeby samolotów nowej generacji”. Dostęp do oprogramowania OPTIMOrph otrzymała największa europejska organizacja badawcza ukierunkowana na praktyczne zastosowania – Instytut Fraunhofera. Celem jest dalsza optymalizacja i wykorzystanie w przyszłych projektach, w szczególności realizowanych z partnerem Instytutu – firmą Airbus. Dzięki tej współpracy skrzydła o zmiennym kształcie mogą trafić z laboratoriów na nasze niebo.

Słowa kluczowe

OPTIMOrph, zmienny kształt, skrzydło, optymalizacja, aerodynamiczny, skrzydło o zmiennym kształcie, sprawność, siła nośna, samolot, przelot, algorytm, hipernośność, maksymalny współczynnik siły nośnej

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania