Nowatorskie osłony dla samolotów wykorzystujących innowacyjne konstrukcje silników i nowe konfiguracje
Wiele obiecujących koncepcji, wśród których można wymienić między innymi silnik oparty na przeciwbieżnym otwartym wirniku (CROR), nie może po prostu zastąpić obecnie stosowanych silników, ponieważ ich zastosowanie będzie wymagało znaczących zmian w konstrukcji samolotów, takich jak przesunięcie silników do tylnej części kadłuba i umieszczenie ich z dala od skrzydeł. Takie rozwiązanie umożliwi zastosowanie wirników i wentylatorów o dużych średnicach, a także wielu wentylatorów, co pozwoli na niespotykaną dotychczas oszczędność paliwa i redukcję emisji, a jednocześnie zmniejszy hałas w kabinie i zwiększy wygodę podróżowania. Głównym problemem związanym z bezpieczeństwem silników typu CROR jest wysoka energia odłamków w przypadku eksplozji silnika lub utraty łopatek wirnika. Opracowanie osłon chroniących przed uderzeniami wysokoenergetycznych odłamków i elementów jest niezbędne, aby silniki typu CROR montowane w tylnej części kadłuba mogły zostać zastosowane w nowych konstrukcjach samolotów. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu REDISH pokonano to wyzwanie dzięki badaniu innowacyjnych rozwiązań w zakresie osłon. „Kluczowym założeniem była zgodność z wymaganiami dotyczącymi elementów konstrukcyjnych samolotów oraz stosownymi normami, przede wszystkim dotyczącymi wagi, która przekłada się bezpośrednio na zużycie paliwa oraz zmniejszenie emisji”, twierdzi koordynator projektu Cláudio Lopes.
Analiza na poziomie laminatu i kompozytu
Naukowcy skupieni wokół projektu zdecydowali się na zastosowanie połączonej metody doświadczalno-numerycznej w celu zbadania szeregu możliwych konfiguracji i opracowali wysokiej jakości narzędzia symulacyjne do przeprowadzania wirtualnych testów. Takie rozwiązanie znacząco zmniejszyło potrzeby związane z kosztownymi testami fizycznymi i przyspieszyło prace nad opracowaniem osłon. Partnerzy biorący udział w projekcie przeprowadzili analizy na poziomie laminatu w celu oceny możliwości materiałów wykorzystywanych do budowy osłon w zakresie odporności na uderzenia fragmentów metalu i kruchych kompozytów z włókna węglowego przy użyciu płaskich próbek laminatu. Uzyskane wyniki zostały wykorzystane jako wskaźnik osiągów. W kolejnym etapie testów, na poziomie elementów, naukowcy skupili się na badaniu konfiguracji osłon oraz odporności konstrukcji na przebicie. Zespół zajął się także badaniem innych wskaźników jakościowych na poziomie laminatu i poszczególnych elementów, wychodzących poza zakres zachowywania się konstrukcji. „Wskaźniki te obejmowały między innymi «łatwość oceny», czyli wskaźnik odzwierciedlający dostępność, prostotę stosowania oraz dokładność metod przewidywania zachowania się konstrukcji w przypadku różnych rozwiązań, a także «łatwość wdrożenia» – wskaźnik odzwierciedlający aspekty związane z wdrażaniem, konserwacją oraz kosztem zastosowanych materiałów”, wyjaśnia Lopes.
Dodatkowe korzyści
W procesie selekcji wytypowano przeszło 30 rozwiązań, które przeszły do kolejnego etapu oceny obejmującego szczegółowe analizy metodą elementów skończonych. Przeprowadzenie tych analiz poskutkowało opracowaniem zawężonego rankingu obejmującego ponad 20 spośród ocenianych rozwiązań. Jak twierdzi Lopes: „Ostateczna lista została skrócona do 14 rozwiązań, które zostały wyprodukowane i ocenione w ramach kolejnego projektu realizowanego w ramach Wspólnego Przedsięwzięcia »Czyste Niebo 2«”. Rezultatem projektu REDISH jest skuteczne opisanie zachowań materiałów przy różnych skalach długości – od warstwy do laminatu i poziomu poszczególnych elementów. Dodatkową korzyścią płynącą z zastosowanego oddolnego podejścia jest fakt, że zmiany właściwości poszczególnych elementów składowych (włókien lub ich ułożenia), struktury włókien czy ułożenia laminatu mogą zostać bez trudu uwzględnione w celu uzyskania nowych prognoz dotyczących makroskopowego zachowania kompozytu pod wpływem uderzeń. Jak dodaje Lopes: „Osłony zabezpieczające przed wysokoenergetycznymi uderzeniami możliwe do zastosowania w aeronautyce pozwolą nam także na zapewnienie ochrony przed innymi zagrożeniami, takimi jak ataki terrorystyczne”.
Słowa kluczowe
REDISH, osłony, laminat, samolot, emisje, przeciwbieżny otwarty wirnik (CROR), oszczędność paliwa, kompozyt
