Aktualnie inżynierowie eksperymentują z ekstremalnie smukłymi skrzydłami, ich aktywnym wyginaniem, nowymi napędami i materiałami, a teraz coraz poważniej podchodzą do pomysłu, który brzmi jak coś wręcz realnego. Zamiast po raz kolejny zmieniać kształt skrzydła, chcą bowiem sprawić, żeby materiał ukryty pod jego powierzchnią zaczął sam oddziaływać z opływającym go powietrzem.
Samolot lecący 1030 km/h toczy ciągłą walkę z powietrzem
Przy prędkości przelotowej rzędu 1030 km/h powietrze przestaje być obojętnym gazem, przez który samolot po prostu się przesuwa. Szczególne znaczenie ma warstwa przyścienna, czyli bardzo cienki obszar powietrza znajdujący się bezpośrednio przy powierzchni skrzydła oraz kadłuba. W idealnym świecie najlepiej byłoby, gdyby przez możliwie dużą część powierzchni przepływ pozostawał uporządkowany.
Czytaj też: To może być koniec samolotów, jakie znamy. Chiny wsadzą pasażerów do skrzydeł
Problem zaczyna się bowiem wtedy, gdy drobne zaburzenia narastają i przechodzą w przepływ turbulentny. Rosną wtedy m.in. straty związane z tarciem powierzchniowym, a tym samym zapotrzebowanie samolotu na paliwo, ale nie mylcie tego z turbulencjami, które rzucają pasażerami podczas lotu. Mówimy o zjawisku zachodzącym tuż przy powierzchni płatowca i właśnie dlatego jest ono tak ważne dla aerodynamiki.
Pamiętajmy, że jeden duży samolot pasażerski podczas dłuższego lotu przez np. Stany Zjednoczone może zużyć ponad 37900 litrów paliwa, więc nawet stosunkowo niewielkie zmniejszenie oporu zaczyna mieć ogromne znaczenie po przemnożeniu przez tysiące lotów. Do tej pory jednym z najważniejszych sposobów walki o tą wydajność było ciągłe ulepszanie geometrii. Pisałem już o tym przy projekcie NASA i Boeinga z ekstremalnie wydłużonymi skrzydłami, gdzie większą sprawność aerodynamiczną okupiono zupełnie nowymi problemami z aeroelastycznością. Tym jednak razem naukowcy z University of Colorado Boulder proponują coś znacznie mniej oczywistego.
Skrzydło pozostanie gładkie. Cała magia ukryje się pod powierzchnią
Mahmoud I. Hussein rozwija ideę tak zwanych phononic subsurfaces (podpowierzchni fononicznych), w skrócie PSubs, od ponad dekady. Najprościej mówiąc, są to specjalnie zaprojektowane struktury ukryte pod powierzchnią, które wykorzystują mikroskopijne drgania materiału do wpływania na zachowanie przepływu powietrza. Podoba mi się w tym przede wszystkim jedna rzecz – z zewnątrz skrzydło nie musi wykonywać spektakularnych ruchów ani pokrywać się ruchomymi elementami. Pozostaje gładkie, a cała ingerencja odbywa się pod jego “metalową skórą”.
Zaburzenia przepływu pobudzają odpowiednio zaprojektowaną strukturę, ta zaczyna drgać, a jej odpowiedź może zostać dobrana tak, żeby przeciwdziałać narastającej niestabilności. Co ważne, mówimy o systemie całkowicie pasywnym. Nie trzeba więc bez przerwy zasilać silniczków ani analizować sytuacji tysiącami czujników i wydawać poleceń aktywatorom. Energia potrzebna do reakcji pochodzi z samego oddziaływania przepływu ze strukturą, bo mechanizm działania sprowadza się do wykorzystania interferencji. Jeśli odpowiednio dostroi się drgania materiału, to z miejsca można sprawić, że będą działały przeciwko drganiom związanym z niestabilnością przepływu i tym samym ograniczać ich narastanie.
Czytaj też: Przez 20 lat była matematyczną niszą. Teraz trafia do robotów i samolotów
Tyle tylko, że dotychczas wspomniane PSubs miały poważne ograniczenie. Dobrze dostrojona struktura mogła działać skutecznie przy konkretnej częstotliwości, podczas gdy prawdziwy przepływ aerodynamiczny nie jest przecież laboratoryjnym sygnałem o jednym idealnym parametrze. Nowe badanie opisuje jednak zjawisko nazwane superrezonansem. Dzięki specjalnie zwiniętej strukturze fononicznej badaczom udało się w symulacjach utrzymać pożądaną odpowiedź w zakresie częstotliwości ponad pięciokrotnie szerszym niż przy klasycznej konstrukcji rezonansowej. Jednocześnie tłumione były cztery różne niestabilności przepływu.
Drugi element układanki został opisany w innym badaniu, kiedy to zamiast pojedynczej struktury naukowcy stworzyli koncepcję całej sieci PSubs rozmieszczonych pod powierzchnią. Takie podejście pozwala w modelach ograniczać narastanie niestabilności również dalej za miejscem pierwszego oddziaływania. Dzięki temu efekt nie musi kończyć się dokładnie tam, gdzie został umieszczony pojedynczy element. Dopiero połączenie obu pomysłów robi się naprawdę interesujące. Jeden poszerza zakres częstotliwości działania, a drugi rozszerza kontrolę przestrzennie.
Przyszłość lotnictwa może być ukryta tam, gdzie jej nie zobaczymy
Najnowsze wyniki badań są przede wszystkim rezultatem zaawansowanych symulacji komputerowych. Fizyczne struktury PSub już powstawały i prowadzone są prace nad testami w tunelach aerodynamicznych, ale droga od eksperymentalnego metamateriału do certyfikowanego skrzydła samolotu pasażerskiego jest ogromna. Mimo wszystko patrzę na te badania jako na część znacznie większej zmiany. Niedawno mieliśmy przecież skrzydła aktywnie zmieniające swój kształt, wcześniej ekstremalnie smukłe konstrukcje NASA, a teraz materiały, których wewnętrzne drgania mogą współpracować z przepływem powietrza.
Czytaj też: Największy elektryczny samolot świata latał 27 minut. Prąd kosztował podobno 19 zł
Jeśli ta technologia rzeczywiście dojrzeje, to jej znaczenie nie skończy się na samolotach pasażerskich. Ten sam problem występuje w pojazdach hipersonicznych, turbinach, rurociągach czy jednostkach pływających. Wszędzie tam kontrolowanie przejścia między uporządkowanym i turbulentnym przepływem może oznaczać niższe straty energii.
Źródła: Tech Xplore, University of Colorado Boulder, Physical Review X, Proceedings of the Royal Society A
