Nowatorski pomysł na optymalizację zmieni oblicze lotnictwa
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
