Badanie reakcji skrzydeł nowoczesnych samolotów na obciążenia dynamiczne przy załadowaniu paliwem
Skrzydła dużych samolotów pasażerskich są bardzo elastycznymi strukturami, które mogą się znacznie odkształcać, gdy na przykład samolot napotka turbulencje atmosferyczne lub podmuchy powietrza. Skrzydła większości samolotów mieszczą również zbiorniki paliwa, którego masa zazwyczaj jest porównywalna z masą ich elementów konstrukcyjnych. Standardowe praktyki inżynieryjne dotyczące projektowania skrzydeł nie uwzględniają wpływu ruchu paliwa na obciążenia konstrukcyjne samolotu – w tym przypadku na maksymalne odkształcenie skrzydła. „W dużej mierze wynika to z niewystarczającego dopracowania zestawów narzędzi dostępnych obecnie w branży”, mówi Francesco Gambioli, ekspert ds. obciążeń i aeroelastyki w koncernie Airbus. Przy wsparciu finansowanego przez UE projektu SLOWD Gambioli koordynuje obejmujące całą branżę prace mające na celu zbadanie wykorzystania nadmiernych ruchów paliwa jako sposobu na zmniejszenie obciążeń projektowych konstrukcji samolotów. Badania koncentrowały się na skrzydłach dużych cywilnych samolotów pasażerskich, które są zaprojektowane tak, aby wytrzymać obciążenia wynikające z podmuchów powietrza i turbulencji, a także uderzeń podczas lądowania.
Konstrukcje eksperymentalne oraz innowacyjne narzędzia numeryczne i analityczne
Głównym celem projektu było ilościowe określenie zakresu, w jakim nadmierny ruch cieczy w zbiornikach samolotu wpływa na dynamiczne zachowanie strukturalne maszyny. Aby tego dokonać, naukowcy opracowali konstrukcje eksperymentalne, których uzupełnieniem były innowacyjne narzędzia numeryczne i analityczne. „Dużym utrudnieniem był fakt, że to zagadnienie badawcze nie było wcześniej poruszane, jednak umiejętności i wiedza członków konsorcjum okazały się niesamowite”, dodaje Gambioli. „Umożliwiło to nowatorskie wykorzystanie znanych metod, a także opracowanie radykalnie nowych technik badania i modelowania złożonego fizycznego zachowania nadmiernych ruchów paliwa w skrzydłach samolotu”.
Lepsze zrozumienie dynamicznego zachowania skrzydeł
Wśród tych zastosowań i metod znalazły się najnowsze techniki numeryczne, które pomogły w opracowaniu kampanii eksperymentalnej. Metody te wykorzystano następnie do skonstruowania zaawansowanego cyfrowego bliźniaka skrzydła. W ramach projektu opracowano również i oceniono różne modele analityczne o zmniejszonym stopniu złożoności w celu uproszczenia skomplikowanych ram numerycznych, z których wiele można płynnie zintegrować z kompleksowymi ramami projektowymi. „Narzędzia te pozwoliły nam zbadać dynamiczne zachowanie skrzydeł i ustalić, w jaki sposób skrzydła nowoczesnych samolotów reagują na obciążenia dynamiczne podczas przewożenia paliwa”, wyjaśnia Gambioli.
Możliwość praktycznego zastosowania przy projektowaniu samolotów
Wyniki tych badań obejmują kompleksową bazę danych pomiarowych, która służy jako punkt odniesienia dla opracowanych w projekcie metod numerycznych i analitycznych. W ramach projektu powstało również ponad 100 artykułów, z których wiele ukazało się w prestiżowych czasopismach recenzowanych. Jak przekonuje Gambioli, ilość i jakość badań mówią same za siebie. „Nasze prace nie mają jedynie wymiaru akademickiego, ale dzięki zaangażowaniu partnerów przemysłowych mogą być stosowane w rzeczywistym projektowaniu samolotów”, dodaje. Zespół przygotowuje się obecnie do rozpoczęcia pełnoskalowych testów opracowanych przez siebie rozwiązań przy użyciu prototypowej konstrukcji skrzydła.
Słowa kluczowe
SLOWD, samolot pasażerski, skrzydła, paliwo, nadmierny ruch paliwa, samolot, skrzydła samolotu, konstrukcja samolotu, obciążenia konstrukcyjne, Airbus, cyfrowy bliźniak
