Ogromne możliwości dzięki zastosowaniu siłownika piezoelektrycznego w podwoziu samolotu
Jeśli statki powietrzne byłyby w większym stopniu zasilane energią elektryczną, pozwoliłoby to na zmniejszenie ich masy oraz ograniczenie zużycia paliwa i szkodliwych emisji – z korzyścią nie tylko dla środowiska, ale także dla linii lotniczych i pasażerów. Pierwsze w kolejce do przejścia na zasilanie elektryczne są układy hydrauliczne. „Elektryfikacja tych układów pozwala również na zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska oraz oszczędność czasu i pieniędzy potrzebnych na prace konserwacyjne, konieczne z uwagi na wyciekający olej”, mówi Alexandre Pages, koordynator finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu AUDACITY. W ramach projektu AUDACITY stworzono prototyp kompaktowego siłownika piezoelektrycznego o udźwigu wynoszącym aż 35 kg, przeznaczonego do zastosowania w przyszłych mechanizmach blokujących znajdujących się w układach podwozi samolotów.
Czym są siłowniki?
Siłownik (w uproszczeniu: silnik) stanowi część układu mechanicznego odpowiedzialnego za ruch. Działanie siłownika hydraulicznego polega na przekształcaniu energii cieczy w energię mechaniczną. Zespół projektu AUDACITY był zainteresowany zaprojektowaniem siłownika elektrycznego jako elementu niewielkiego mechanizmu zatrzaskowego w samolotach, który blokuje podwozie, gdy osiągnie ono wymaganą pozycję – wysunie się podczas lądowania lub schowa podczas lotu. Wymogiem technicznym, niezbędnym do uzyskania zamierzonego efektu, jest osiągnięcie wysokiego stosunku mocy do masy własnej, w połączeniu z mechanizmem o długim skoku. „Jak wskazuje akronim projektu – AUDACITY (pol. śmiałość) – naszym wyzwaniem był fakt, że siłowniki hydrauliczne są mocne i wydajne, a więc skazane na sukces”, dodaje Pages. Zespół AUDACITY zaproponował więc rozwiązanie, które opiera się na technologii siłowników piezoelektrycznych. W tym przypadku energia do zasilania elementów mechanicznych pochodzi z ładunku elektrycznego generowanego przez naprężenia mechaniczne. „Chociaż metody piezoelektryczne nie są niczym nowym, do pokonania mieliśmy wiele ograniczeń, związanych między innymi ze stabilnością termiczną, ograniczoną prędkością, zarządzaniem energią i niskim współczynnikiem tarcia na styku elementów”, wyjaśnia Pages. „Opracowaliśmy rozwiązanie dla każdego z tych problemów i połączyliśmy je w celu zbudowania prototypu”.
Nabieranie rozpędu
Zespół pracował wraz z szeregiem specjalistów w dziedzinie tribologii, czyli nauki o tarciu, na Uniwersytecie Rzymskim, pełniącym rolę partnera projektu. Jednym z takich ekspertów jest Francesco Massi, profesor tejże uczelni. Możliwość kontroli nieuniknionego czynnika, jakim jest tarcie powodowane przez siłowniki, stanowi klucz do ich niezawodności – zwłaszcza w samolotach, które podlegają surowym przepisom bezpieczeństwa. Drugim równie istotnym wymogiem technicznym projektu było uwzględnienie mikroruchów (w zakresie od 10 do 100 mikronów), które mogłyby prowadzić do niedopasowania termomechanicznego, zagrażając niezawodności systemu. Aby pokonać te wyzwania, zespół podjął współpracę z innym partnerem – szwajcarską organizacją CSEM. Ostatnim elementem układanki było zapewnienie wymaganej wartości mocy przez układy elektroniczne. W tym celu będące gospodarzem projektu przedsiębiorstwo CEDRAT TECHNOLOGIES opracowało rozwiązanie oparte na wzmacniaczu impulsowym – urządzenie SA75D – które umożliwiło uzyskanie wysokiej sprawności konwersji energii piezoelektrycznej. Urządzenie może ponadto zbierać energię pomiędzy krokami silnika piezoelektrycznego, nie wpływając na kompaktową konstrukcję i oferując niskie zużycie energii. „Siłowniki piezoelektryczne są zazwyczaj mało wydajne w porównaniu z innymi konwencjonalnymi rozwiązaniami. A żeby przenieść duży ładunek, potrzebna jest bardzo wydajna elektronika. Jestem przekonany, że zaprojektowaliśmy najmocniejszy silnik piezoelektryczny na świecie. Wykazaliśmy jego zdolność do podniesienia 35 kilogramów z prędkością 10 milimetrów na sekundę w dużym zakresie temperatur, co jest przełomowym osiągnięciem”, zauważa Pages.
Zwrot ku innym zastosowaniom
Projekt AUDACITY przyczynia się bezpośrednio do realizacji koncepcji „More Electric Aircraft” (MEA), zakładającej szersze wykorzystanie energii elektrycznej w samolotach, a także unijnej inicjatywy „Czyste niebo”, której celem jest zmniejszenie wpływu przemysłu lotniczego na środowisko. Projekt pomaga również zwiększyć konkurencyjność Europy w ramach łańcuchów dostaw rozwijających niezbędne technologie. Opracowany w projekcie AUDACITY siłownik piezoelektryczny znajduje się na razie w fazie wczesnego prototypu, który został pomyślnie przetestowany w laboratorium w celu zatwierdzenia projektu, ale nadal wymaga opracowania procesu produkcji i przeprowadzenia testów w warunkach operacyjnych, zanim będzie mógł być komercyjnie dostępny na rynku lotniczym. Tymczasem firma CEDRAT zajmuje się badaniem innych możliwych zastosowań tej technologii. „Już teraz wykorzystujemy poszczególne technologie w innych obszarach, takich jak program w dziedzinie energii termojądrowej ITER, a także badamy możliwości w zakresie ekstremalnie wielkich teleskopów, w których naprawdę ciężkie elementy optyczne muszą wykonywać precyzyjne, powolne i niezawodne ruchy”, podsumowuje Pages. „A dokładnie taki poziom specyfikacji osiągnęliśmy w projekcie AUDACITY”.
Słowa kluczowe
AUDACITY, siłownik, piezoelektryczny, statek powietrzny, samolot, hydrauliczny, olej, zanieczyszczenie, Czyste niebo
