Morphing-vinger og adaptive strukturer

Et flys vinger kan ikke fungere effektivt i de forskellige faser af flyvningen på grund af flyets traditionelle stive struktur. Men i takt med at nye teknologier dukker op, kan ingeniører nu producere morphing-flydesigns, der kan ændre form, mens de flyver. Morphing-vinger, som er inspireret af fugle, har potentiale til at optimere flyveevnen i forskellige faser af flyvningen og samtidig løse vigtige problemer som brændstofeffektivitet, emissionsreduktion og manøvredygtighed.

Naturen har længe været en kilde til opfindelsesinspirerende ideer for mennesker. Forskere har længe været fascineret af, hvor let fugle, insekter og endda fisk tilpasser sig deres specifikke levesteder. Ideen om morphing-vinger, som efterligner levende dyrs evne til at ændre deres form, er inspireret af disse naturlige tilpasninger. Ingeniører skaber vinger, der kan ændre deres konfiguration i realtid ved at modellere, hvordan fugle ændrer deres vingeform under forskellige flyvemanøvrer.

Hvordan tilpasser flykonstruktioner sig?

Ideen om "morphing-vinger" refererer til en række teknikker, som hver især har til formål at give en bestemt aerodynamisk fordel. Blandt disse mekanismer er:

• Vridning og bøjning – Vingestrukturens fleksibilitet gør det muligt at ændre vingens krumning, hvilket påvirker opdrift og modstand i forskellige faser af flyvningen. Jævnere starter, mere effektiv flyning med konstant fart og øget landingsstabilitet er alle muliggjort af denne evne.
• Shape Memory Alloys (SMA'er) – SMA-baserede morphing-vinger gør brug af materialer, der tilpasser sig temperaturændringer ved at ændre form. Ingeniører kan designe vinger med SMA'er indlejret i vingestrukturen, som automatisk tilpasser sig skiftende flyveforhold, hvilket maksimerer ydeevnen og brændstofeffektiviteten.
• Pneumatiske aktuatorer – Disse aktuatorer ændrer vingens form ved at pumpe bestemte områder af den op eller tømme dem for luft ved hjælp af lufttryk. Denne tilgang giver præcis geometrisk kontrol over vingen og kan ændres for at opfylde forskellige flyvebehov.
• Elektroaktive polymerer (EAP'er) – EAP'er tilpasser deres form som reaktion på elektrisk stimulering. EAP'er tilbyder morfologiske ændringer af vingen i realtid, når de er integreret i vingestrukturer, hvilket forbedrer manøvreevnen og sænker luftmodstanden.

Et forskningsprojekt om morphing-vinger startede i 2023 på Imperial College London for at finde frem til den optimale tilpasning af et flys vinge som reaktion på flyveforholdene.

Boundary Layer Ingestion (BLI)

Flyvestellet og fremdriftssystemet er traditionelt blevet betragtet som separate enheder, når man designede de fly, der er i drift i dag. Som følge heraf nærmer fremdriften af konventionelle flymotorarkitekturer sig sin grænse, og teknologiske gennembrud giver faldende resultater. BLI henviser til placeringen af motorer tættere på flyets skrog, så de kan fange og indtage flyvestellets grænselagsflow. Fordelene ved BLI omfatter forbedret fremdriftseffektivitet, reduceret luftmodstand og bedre brændstofeffektivitet. Ingeniører på NASA's Glenn Research Centre er i gang med at teste denne nye type fremdriftssystem i deres højhastighedsvindtunnel. Det kan tage flere år at gennemføre testene, men organisationen har sagt, at den vil fortsætte forskningen og udviklingen af BLI-teknologien i de kommende år.

Computational Fluid Dynamics (CFD)

Ved hjælp af den enorme computerkraft, der er til rådighed i øjeblikket, er CFD en banebrydende teknologi, der simulerer og afbilder de komplicerede interaktioner mellem væsker, som f.eks. luft, når de bevæger sig rundt på flyets overflader. CFD har transformeret flydesign, præstationsanalyse og testmetoder ved at give ingeniører dybtgående indsigt i aerodynamik og luftstrømsadfærd. Det er blevet en hjørnesten i næste generations aerodynamik.

Kernen i CFD er løsningen på udfordrende matematiske ligninger, der karakteriserer fysikken i væskebevægelser. Disse ligninger giver en grundig beskrivelse af, hvordan luft opfører sig omkring et flys overflader ved at tage højde for variabler som væsketæthed, hastighed, tryk og viskositet.

Ingeniører kan visuelt udforske og analysere mange scenarier uden behov for omfattende fysiske prototyper ved hjælp af CFD-simuleringer, som giver en digital repræsentation af luftstrømsinteraktioner ved at diskretisere disse ligninger i mindre beregningsstykker. Et af de førende flyselskaber, Airbus, bruger CFD til at få en bedre forståelse af aerodynamik og maksimere flyenes effektivitet.

Urban air mobility og eVTOL'er

Urban air mobility (UAM) forestiller sig en fremtid, hvor elektriske fly med vertikal start og landing (electric Vertical Takeoff and Landing. eVTOL), udstyret med banebrydende aerodynamik, fragter passagerer og varer mellem bycentre, forstæder og andre byer. Ved at udnytte kraften i næste generations aerodynamik har UAM potentialet til at revolutionere bytransporten og tilbyde hurtigere pendling, mindre trængsel og en mere bæredygtig rejseform. Faktisk tester det tyske firma Volocopter brugen af sit Volocity-fly ved OL i Paris i 2024.

Nøglefunktioner i UAM:

• Lodret start og landing (VTOL) – UAM-fly er bygget med specialiseret aerodynamik, der gør det muligt for dem at foretage lodret start og landing, hvilket overflødiggør kravet om konventionelle landingsbaner. De kan bruge tage, helikopterlandingspladser og endda godkendte landingszoner i byerne til at drive forretning på grund af disse evner.
• Kortdistanceflyvninger – Kortdistanceflyvninger i byer og forstæder udføres bedst af UAM-fly. Sammenlignet med transport på jorden kan disse flyvninger tilbyde hurtigere punkt-til-punkt-forbindelser, især i perioder med meget trafik.
• Elektrisk fremdrift – UAM-fly bruger ofte elektriske fremdriftsteknologier til at reducere emissioner, minimere støjforurening og fremme mere miljøvenlig bytransport.

UAM kan reducere trængslen i byerne ved at tilbyde en alternativ transportform, reducere rejsetiden ved at omgå trafikken på jorden og bidrage til den globale indsats for at reducere CO₂ -udledningen takket være dens elektriske fremdrift.

Supersonisk rejse

Ved at reducere flyvetiderne væsentligt tilbyder supersoniske og hypersoniske rejser et paradigmeskift inden for luftfarten, som har potentiale til helt at ændre langdistancerejser og internationale rejser. Disse innovationer forventes at revolutionere flytrafikken i fremtiden og skabe nye muligheder takket være næste generations aerodynamik.

Rejser mellem kontinenter på samme dag?

Supersonisk flyvning overskrider lydens hastighed, som er ca. 1.235 km/t ved havets overflade og ændrer sig med temperatur og højde. Den berømte Concorde, et supersonisk passagerfly, gav et glimt af fremtiden for supersonisk flyvning i slutningen af det 20. århundrede. Concorden blev taget ud af drift i 2003 som følge af mange operationelle og økonomiske problemer. Men supersoniske passagerfly er ved at få en renæssance og kan være tilbage i drift i 2029.

Det amerikanske flyselskab Boom Supersonic har for nylig afgivet en ordre på 20 supersoniske fly, som skal hedde 'Overture'. Flyet på 61 meter bruger 100 % bæredygtigt flybrændstof og kan nå hastigheder på op til Mach 1,7 (2.099 km/t) – det hurtigste kommercielle fly i verden. Ved disse hastigheder vil en flyvning fra New York til London kun tage 3,5 timer.

Konklusion

Næste generations aerodynamik, der befinder sig i krydsfeltet mellem innovation og nødvendighed, har potentiale til at omdefinere den måde, vi opfatter og oplever flyvning på. Fra det ærefrygtindgydende koncept med morphing-vinger til de genopståede drømme om supersoniske rejser driver aerodynamikken os mod en fremtid med hurtigere, mere effektive og mere sammenkoblede luftrum. Blandt disse fantastiske innovationers storslåethed er der stadig udfordringer. For at udnytte potentialet i den næste generation af aerodynamik er det nødvendigt at navigere i kompleksiteten af materialer, love og infrastruktur. Det vil garantere, at fremtidens luftrum ikke kun er hurtigere og mere effektivt, men også sikrere og mere bæredygtige.