Zmniejszenie oporu powietrza w samolotach oznacza tańsze i bardziej ekologiczne podróże lotnicze
Im większa powierzchnia lecącego samolotu jest wystawiona na działanie pędzącego powietrza, tym większy opór powietrza. Opływowe kształty i nowe gładkie materiały pomagają samolotowi płynniej poruszać się w przestworzach. Teraz inżynierowie opracowali proces produkcyjny, który pozwala jeszcze bardziej zmniejszyć ten opór. Naukowcy z finansowanego przez UE projektu HyperDrill opracowali maszynę (przedstawioną na zdjęciu powyżej), która wierci maleńkie otwory w dużych tytanowych płytach, z których zbudowany jest kadłub samolotu. Projekt HyperDrill otrzymał wsparcie z projektu Large Passenger Aircraft realizowanego w ramach inicjatywy „Czyste Niebo 2”.
Małe otwory w dużych płytach – wyzwania techniczne i kontrola jakości
„Głównym celem projektu HYPERDRILL było zaprojektowanie, wyprodukowanie, zmontowanie i przetestowanie prototypowej maszyny do nawiercania dużych arkuszy tytanu z prędkością ponad 300 otworów na sekundę”, tłumaczy Carlos Soriano, koordynator projektu i szef technologii laserowej w firmie Tekniker będącej gospodarzem projektu. Opracowanie i udoskonalenie procesu przemysłowego do produkcji blach perforowanych z wymaganą precyzją i jednorodnością oraz w odpowiednim czasie nie było łatwym zadaniem. „Prototypowa maszyna musiała być w stanie wykonać miliony maleńkich otworów (o średnicy około 0,1 mm) w tytanowych płytkach o grubości 1 mm i o powierzchni roboczej do 5 x 2 metry”, wyjaśnia Soriano. Ten proces i technologia musiały zostać zoptymalizowane, aby umożliwić wytwarzanie produktów o stałej pożądanej jakości. „Jednym z największych wyzwań było utrzymanie jednolitej średnicy otworów i ich rozstawu, z minimalnymi odchyleniami, ponieważ panel tytanowy nieznacznie odkształca się w miarę procesu wiercenia, głównie z powodu naprężeń termicznych”, mówi Soriano. Przy pomocy opracowanego przez siebie prototypu zespół zmniejszył odsetek niedrożnych otworów do mniej niż 0,02 %, czyli do 2 na 10 000 sztuk. Dokładność średnicy jest równie imponująca, a jej odchylenie wynosi poniżej 5 µm. Ponadto maszyna umożliwia różne rozmieszczenie otworów, jak np. w kwadraty, a także na regulację odległości między nimi. Maszyna jest wyposażona w różne czujniki i systemy sterowania, które umożliwiają monitorowanie obróbki panelu i zapewniają jednolitość. „Jeśli coś pójdzie nie tak, na przykład średnica otworów zacznie odbiegać od wartości nominalnej, maszyna jest w stanie się zatrzymać, dzięki czemu operator może sprawdzić, gdzie tkwi błąd, w razie potrzeby zmodyfikować parametry i wznowić proces w tym samym miejscu, w którym został przerwany”.
Duże panele podciśnieniowe z hybrydową kontrolą przepływu laminarnego
Mikroperforowane panele tytanowe będą przede wszystkim wykorzystywane w krawędziach natarcia skrzydeł i stabilizatorów przyszłych samolotów pasażerskich, pozwalając na zastosowanie tak zwanej hybrydowej kontroli przepływu laminarnego (HLFC). Dzięki wykorzystaniu komory podciśnieniowej wbudowanej w strukturę skrzydła samolotu technika ta umożliwia zasysanie, przez mikroperforowaną powłokę, warstwy granicznej turbulentnego powietrza powstającego na powierzchni aerodynamicznej podczas lotu. Efektem jest bardziej stabilny przepływ laminarny, co w ostatecznym rozrachunku zmniejsza opór samolotu, a tym samym zużycie paliwa. „Technologia HLFC pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa przez samoloty transportu cywilnego o około 10 %”, podkreśla Soriano, „co z kolei przyczynia się do zredukowania emisji CO2 i zanieczyszczeń”. To dopiero pierwszy prototyp, a badacze już myślą o wprowadzeniu ulepszeń, w tym dotyczących integracji nowych źródeł lasera w celu poprawy wykończenia powierzchni.
Słowa kluczowe
HyperDrill, otwory, samolot, opór powietrza, prototyp, zużycie paliwa, HLFC, panel tytanowy, hybrydowa kontrola przepływu laminarnego, laser
