Konstrukcja skrzydła zamkniętego pomaga poprawić osiągi samolotów
W 1924 roku Ludwig Prandtl, niemiecki inżynier uznawany za ojca aerodynamiki, zaprezentował nowy pomysł swojego autorstwa: skrzydło zamknięte. W odróżnieniu od konwencjonalnego samolotu z dwoma oddzielnymi skrzydłami, który wszyscy znamy, skrzydło zamknięte ma za zadanie zmaksymalizować współczynnik sprawności rozpiętości skrzydeł samolotu. Z zasady im większa sprawność rozpiętości skrzydeł, tym mniejszy opór powietrza i mniejsze zużycie paliwa. Prawie 100 lat później, pomimo wielu lat intensywnych prac badawczo-rozwojowych, samoloty ze skrzydłem zamkniętym wciąż nie powstały, pomimo tego, że ich potencjalne zalety są dobrze udokumentowane. Według ostatnich badań przeprowadzonych na Uniwersytecie w Pizie skrzydło zamknięte może zmniejszyć zużycie paliwa w przeliczeniu na pasażera o 22 %. „Skrzydło PrandtlPlane (PrP), nazwane tak przez badaczy z Uniwersytetu w Pizie nazwali na cześć Prandtla, może okazać się niezwykle pomocne przy poszukiwaniu rozwiązań neutralnych dla klimatu. Biorąc pod uwagę fakt, że pozwala ono zmniejszyć zużycie paliwa o prawie jedną czwartą przy dzisiejszych systemach napędowych i paliwach, można sobie tylko wyobrazić korzyści w przypadku hybrydowo-elektrycznych lub wodorowych systemów napędowych”, mówi Vittorio Cipolla, adiunkt na Wydziale Inżynierii Cywilnej i Przemysłowej Uniwersytetu w Pizie i koordynator projektu PARSIFAL (Prandtlplane ARchitecture for the Sustainable Improvement of Future AirpLanes). Inicjatywa PARSIFAL jest owocem wieloletniego dążenia naukowców do urzeczywistnienia marzenia Prandtla. Od maja 2017 roku do lipca 2020 roku zespół projektu oceniał wpływ wprowadzenia PrP do samolotów takich jak Boeing 737 i Airbus A320, które należą do kategorii C wymogów ICAO dotyczących samolotów.
Kompleksowa ocena korzyści
Ocena została przeprowadzona z punktu widzenia wykonalności technicznej i obejmowała prace projektowe i precyzyjne analizy skupiające się na aerodynamice, mechanice lotu, konstrukcjach, systemach napędowych, jak również na badaniach wpływu. Te ostatnie koncentrowały się w szczególności na tym, jak zastąpienie konwencjonalnych skrzydeł przez PrP może wpłynąć na emisję CO2 i innych gazów do atmosfery, na potencjale globalnego ocieplenia, odczuwalnym poziomie hałasu, operacjach naziemne i opłacalności inwestycji dla linii lotniczych. Aby uzyskać dokładne porównanie skrzydła zamkniętego z konstrukcją standardową, zespół zaimplementował wszystkie modele analityczne na podstawie multidyscyplinarnych ram projektowych dotyczących zarówno dla architektury konwencjonalnej, jak i PrP. „Konfiguracja skrzydła zamkniętego umożliwia nam uzyskanie większej siły nośnej w ramach tego samego limitu rozpiętości skrzydeł, co jest warunkiem koniecznym do przewiezienia większej liczby pasażerów podczas jednego lotu bez przekraczania wymogów ICAO dotyczących klasy samolotu. Szacowana redukcja zużycia paliwa na pasażerokilometr, oceniona przy zastosowaniu tych samych metod do architektury konwencjonalnej jak i PrP, waha się od 10 % do 22 % w zależności od wymogów misji. Podobne analizy są prowadzone dla sektora samolotów regionalnych w ramach włoskiego projektu badawczego PROSIB, w którym PrP połączono z napędem hybrydowo-elektrycznym”, wyjaśnia Cipolla. Partnerzy projektu PARSIFAL ustalili, że oprócz zmniejszenia zużycia paliwa skrzydło PrP zmniejszy potencjał globalnego ocieplenia samolotów klasy C o około 17 % w ciągu 20 lat. Ponadto zwiększona liczba miejsc dla pasażerów w samolotach z PrP (o ponad 100 miejsc) oznacza mniejszą liczbę lotów i mniejszy ogólny hałas. Zmniejszą się także wydatki ponoszone przez pasażerów: jak mówi Cipolla, koszt dostępnego miejsca na kilometr zmniejszyłby się nawet o 12 %. Pomimo tego, że projekt oficjalnie dobiegł końca, zespół Cipolli kontynuuje badania nad konkretnymi aspektami konstrukcyjnymi związanymi z PrP. Początkowo liczyli, że pierwszy samolot ze skrzydłem PrP wzbije się w powietrze już w 2035 roku, jednak podobnie jak w przypadku wielu innych projektów pandemia COVID-19 prawdopodobnie opóźni realizację tego celu.
Słowa kluczowe
PARSIFAL, skrzydło zamknięte, Ludwig Prandtl, efektywność paliwowa, samolot, aerodynamika, PrandtlPlane
