Czy przyszłość lotnictwa będzie należała do samolotów o niezwykle długich i smukłych skrzydłach? Na to dokładnie pytanie próbują odpowiedzieć wspólnie inżynierowie NASA oraz Boeinga. Ich wspólny projekt koncentruje się na opracowaniu i przetestowaniu konstrukcji o wysokim współczynniku wydłużenia, która obiecuje zupełnie nową jakość w powietrzu. Pomysł, choć fascynujący, nie jest pozbawiony poważnych wyzwań. Przed zespołami badawczymi stoi bowiem trudne zadanie pogodzenia ekstremalnej efektywności aerodynamicznej z absolutnym wymogiem bezpieczeństwa i wytrzymałości konstrukcji, więc ostateczny sukces nie jest wcale przesądzony.
Problem skrzydeł w samolotach, czyli wielkość ma znaczenie
W klasycznych samolotach pasażerskich projektanci od lat lawirują między długością skrzydła a jego masą i wytrzymałością. Skrzydła o większym wydłużeniu znacząco ograniczają tak zwany opór indukowany, czyli ten związany z wytwarzaniem siły nośnej. Dlatego właśnie szybowce mają bardzo długie, cienkie płaty, dzięki którym przy tej samej prędkości mogą utrzymać się w powietrzu przy mniejszym zużyciu energii. W przypadku dużych odrzutowców, które poruszają się z prędkościami transsonicznymi, takimi jak Mach 0,7-0,8, podobne wydłużenie oznacza szansę na kilkunastoprocentowe oszczędności paliwa w skali całego lotu.
Czytaj też: Następca Concorde’a wchodzi do służby. Global 8000 to najszybszy cywilny samolot, jaki możesz dziś kupić
Na papierze wygląda to idealnie, ale rzeczywistość jest bardziej złożona. Im cieńsze i dłuższe jest skrzydło, tym większe staje się jego ugięcia pod wpływem obciążenia aerodynamicznego i masy paliwa w zbiornikach. W ekstremalnych układach, takich jak rozważane przez NASA konfiguracje z wysokim wydłużeniem, końcówka skrzydła może przemieszczać się o metry względem położenia spoczynkowego. W spokojnym locie jest to akceptowalne, lecz podczas silnych podmuchów czy gwałtownych manewrów ten sam efekt może uruchomić spiralę zdarzeń, której inżynierowie chcą za wszelką cenę uniknąć.
Właśnie tutaj wchodzi w grę aeroelastyczność, czyli obszar badań zajmujący się tym, jak konstrukcja samolotu i opływające ją powietrze oddziałują na siebie w czasie. Trzepotanie, którego tak bardzo obawiają się projektanci, to szczególny przypadek tej interakcji. W pewnych warunkach częstotliwość drgań skrzydła zgrywa się z energią niesioną przez przepływ powietrza. Wtedy, zamiast wygaszać ugięcia, każdy kolejny podmuch je wzmacnia, co wygląda trochę tak, jakby ktoś w idealnym rytmie kołysał huśtawką — przy każdym ruchu amplituda rośnie, aż w końcu układ wymyka się spod kontroli.
Co planują zrobić NASA i Boeing w swoim projekcie?
Dlatego obecny projekt NASA i Boeinga nie ogranicza się do biernego “przyglądania się” zachowaniu skrzydła. Model badany w tunelu Transonic Dynamics Tunnel posiada aż dziesięć aktywnych powierzchni sterujących, rozmieszczonych wzdłuż krawędzi spływu. Dzięki temu naukowcy mogą sprawdzać różne strategie sterowania – od klasycznego łagodzenia obciążeń podczas zakrętów, po agresywną aktywną redukcję drgań, w której skrzydło reaguje na impulsy z czujników szybciej, niż byłby w stanie zrobić to pilot.
Czytaj też: Trukwa zamiast zaawansowanych kompozytów w samolotach stealth. Ta roślina pochłania 99,99% fal radarowych
Sam tunel Transonic Dynamics Tunnel jest osobnym bohaterem tej historii. To tam od dziesięcioleci testuje się najbardziej wymagające aeroelastycznie konstrukcje, często w ciężkim gazie, który pozwala symulować warunki zbliżone do rzeczywistego lotu przy ograniczonych rozmiarach modelu. W przypadku obecnego projektu wykorzystano półmodel zamocowany do bocznej ściany komory, bo fragment kadłuba i jedno skrzydło o rozpiętości około czterech metrów. Dzięki temu można bezpiecznie doprowadzić układ do granicy trzepotania, a następnie sprawdzić, czy opracowane algorytmy aktywnej kontroli są w stanie “ściągnąć” konstrukcję z tej granicy z powrotem w bezpieczny obszar.
Równolegle badacze zastanawiają się, jak takie skrzydła zachowałyby się w realnej eksploatacji. Okazalsze wydłużenie skrzydeł to nie tylko problem aeroelastyczności, ale też wyzwanie dla lotnisk: konieczność składania końcówek skrzydeł na płycie postojowej, inny sposób holowania, nowe procedury inspekcji i utrzymania. Nieprzypadkowo wcześniejsze koncepcje, takie jak SUGAR czy późniejszy demonstrator X-66, zakładały stosowanie dodatkowych zastrzałów i rozwiązań hybrydowych, łączących klasyczną strukturę z nowymi proporcjami skrzydeł. Dzisiejsze testy w tunelu są więc kolejnym etapem tego samego procesu dojrzewania idei, a nie jednorazowym skokiem w nieznane.
Czytaj też: Samoloty widmo wracają nad Europę. Niemcy inwestują miliardy w powietrzny system szpiegowski
Pierwsza seria badań w 2024 roku posłużyła do walidacji symulacji komputerowych, a druga, przeprowadzona w 2025 roku, dostarczyła danych o zachowaniu konstrukcji w nowych, eksperymentalnych konfiguracjach sterowania. Prace te są mozolnym, ale niezbędnym krokiem na drodze do bardziej ekologicznego lotnictwa. Jeśli uda się okiełznać elastyczność i wyeliminować ryzyko trzepotania, pasażerowie przyszłości mogą doświadczyć lotów na pokładach maszyn o zupełnie nowych proporcjach.
Czy to czas rewolucji samolotów?
Historia lotnictwa uczy, że najbardziej przełomowe rozwiązania rzadko trafiają do seryjnej produkcji w takiej formie, w jakiej powstawały w laboratorium. Bardziej prawdopodobny scenariusz zakłada, że doświadczenia z programu wysokowydłużonych, elastycznych skrzydeł rozproszą się po wielu przyszłych projektach. Część trafi do nowych wersji klasycznych samolotów, część do demonstratorów technologii, a część być może dopiero za kilkanaście lat ujawni swój potencjał w konstrukcjach, o których dziś jeszcze nie myślimy. Niezależnie jednak od tego, jak potoczy się dalsza droga, obecne testy w Transonic Dynamics Tunnel pokazują, że lotnictwo nie zamierza zadowolić się kosmetycznymi usprawnieniami.