Techniczne nowinki w samolotach i nie tylko

Siedemnaście godzin bez przerwy trwał lot Boeinga 787-9 Dreamlinera australijskich linii lotniczych Qantas, mającego na pokładzie ponad dwustu pasażerów i szesnastu członków załogi, z australijskiego Perth do Heathrow w Londynie. Maszyna przeleciała 14 498 km. Był to drugi pod względem długości lot na świecie, zaraz po połączeniu oferowanym przez katarskie linie Qatar Airways z Ad-Dauhy do Auckland w Nowej Zelandii. Ta ostatnia trasa liczy 14 529 km, czyli jest o 31 km dłuższa.

Tymczasem Singapore Airlines czeka już na dostawę nowego Airbusa A350-900ULR (bardzo dalekiego zasięgu), w celu uruchomienia bezpośredniego połączenia z Nowego Jorku do Singapuru. W sumie długość trasy wynosić będzie ponad 15 tys. km. Wersja A350-900ULR jest dość specyficzna - nie ma w niej klasy ekonomicznej. Samolot skonfigurowano na 67 miejsc w części biznesowej i 94 w ekonomicznej premium. Ma to chyba sens. Kto bowiem wytrzyma prawie cały dzień w ciasnej przestrzeni najtańszego przedziału? Właśnie m.in. z myślą o tak długich bezpośrednich lotach projektuje się coraz to nowe udogodnienia w kabinach pasażerskich.

Pasywne skrzydło

W miarę ewolucji konstrukcji statków powietrznych ich aerodynamika przechodziła proces stałych, choć nie radykalnych, zmian. Szukanie zwiększenia efektywności paliwowej może teraz przyspieszyć przemiany konstrukcyjne, w tym budowę smuklejszych i bardziej elastycznych skrzydeł, pozwalających na naturalny, laminarny przepływ powietrza i aktywną kontrolę tego przepływu.

Należące do NASA Armstrong Flight Research Center w Kalifornii od pewnego czasu pracuje nad projektem tzw. pasywnego skrzydła aeroelastycznego (PAT). Jak informował w mediach Larry Hudson, główny inżynier testowy Laboratorium Obciążeń Lotniczych w Centrum Armstronga, ta kompozytowa konstrukcja jest lżejsza i bardziej elastyczna w porównaniu z tradycyjnymi skrzydłami. Przyszłe samoloty komercyjne będą mogły używać jej do maksymalizacji wydajności konstrukcji, zmniejszenia masy i oszczędności paliwa. Podczas testów specjaliści stosują Fiber Optic Sensing System (FOSS), wykorzystujący włókna światłowodowe zintegrowane z powierzchnią skrzydła, mogące dostarczać dane z tysięcy pomiarów odkształceń i naprężeń podczas obciążeń roboczych.

Kabiny w samolocie - projekt

 

Bardziej smukłe i elastyczne skrzydła zmniejszają opór i masę, ale wymagają nowych rozwiązań konstrukcyjnych i kontrolnych, w celu eliminacji drgań. Opracowywane techniki związane są m.in. z pasywnym, aeroelastycznym dopasowywaniem konstrukcji z wykorzystaniem wyprofilowanych kompozytów lub produkcją dodatków metalicznych, a także z aktywną kontrolą ruchomych powierzchni skrzydeł w celu zmniejszenia obciążeń manewrowych i podmuchowych oraz tłumienia drgań skrzydła. Przykładowo, na brytyjskim Uniwersytecie w Nottingham opracowuje się strategie aktywnej kontroli nad powierzchniami sterowania statkiem powietrznym, mogące poprawić jego aerodynamikę. Daje to szanse na zmniejszenie oporu powietrza nawet o ok. 25%. W rezultacie samolot będzie latał znacznie płynniej, co doprowadzi do zmniejszenia zużycia paliwa i emisji CO₂.

Zmienna geometria

NASA z powodzeniem zastosowała w praktyce nową technologię, która umożliwia samolotom w powietrzu składanie skrzydeł pod różnymi kątami. Ostatnia seria lotów, która odbyła się w Armstrong Flight Research Center, była częścią projektu Spanwise Adaptive Wing - SAW. Ma on na celu uzyskanie szerokiego spektrum korzyści aerodynamicznych dzięki zastosowaniu innowacyjnego, lekkiego materiału będącego stopem z pamięcią kształtu, który umożliwi składanie podczas lotu zewnętrznych części skrzydeł i ich powierzchni sterujących do optymalnych kątów. Systemy wykorzystujące tę nową technologię mogą ważyć nawet o 80% mniej niż systemy tradycyjne. Przedsięwzięcie jest częścią prowadzonego przez NASA projektu konwergentnych rozwiązań aeronautycznych, realizowanego w ramach Dyrekcji Misji Badań Aeronautycznych.

Skrzydła składane w locie to innowacja, do której jednak przymierzano się już w latach 60. ubiegłego wieku, przy użyciu m.in. samolotu XB-70 Valkyrie. Problem polegał na tym, że zawsze wiązało się to z obecnością ciężkich i dużych silników konwencjonalnych oraz układów hydraulicznych, co nie jest obojętne dla stabilności i efektywności działania samolotu.

Wdrożenie tej koncepcji mogłoby jednak doprowadzić do powstania bardziej paliwooszczędnych niż dotąd maszyn, jak również ułatwić przyszłym samolotom długodystansowym kołowanie w portach lotniczych. Dodatkowo, piloci otrzymaliby kolejny instrument reakcji na zmienne warunki lotu, takie jak np. podmuchy wiatru. Jedna z najbardziej znaczących potencjalnych korzyści płynących ze składania skrzydeł łączy się z lotem naddźwiękowym.

NASA, Boeing i Airbus pracują ostatnio także nad tzw. korpusem ze skrzydłem rozmytym - Blended Wing Body. Jest to konstrukcja zintegrowana, bez wyraźnego rozróżnienia pomiędzy skrzydłami i kadłubem statku powietrznego. Integracja ta ma przewagę nad konwencjonalnymi konstrukcjami samolotów, ponieważ kształt kadłuba sam w sobie pomaga w generowaniu siły nośnej. Jednocześnie zmniejsza to opór powietrza i wagę, co oznacza, że nowa konstrukcja zużywa mniej paliwa, a tym samym zmniejsza emisję CO₂.

Wizualizacja konstrukcji X-48B z Blended Wing Body

 

Trawienie warstwy granicznej

Testowane są również alternatywne lokalizacje silników – powyżej skrzydła i na ogonie, tak aby możliwe było stosowanie silników o większych średnicach. Od konwencjonalnych rozwiązań odchodzą konstrukcje z turbowentylatorami lub silnikami zasilanymi elektrycznie, osadzone w ogonie, "połykające" tzw. warstwę graniczną powietrzna, co zmniejsza opory. Naukowcy z NASA skupili się na części dotyczącej oporu aerodynamicznego i pracują nad pomysłem zwanym Boundary Layer Ingestion (BLI). Chcą dzięki niemu zmniejszyć zużycie paliwa, koszty użytkowania samolotu i przy okazji zanieczyszczenie atmosfery.

-Testujemy nowe technologie, które pomogą nam uzyskać korzyści z BLI - relacjonował podczas prezentacji medialnej Jim Heidmann, menedżer w Advanced Air Transport Technology Project w Glenn Research Center.

Gdy samolot leci, wokół kadłuba i skrzydeł tworzy się warstwa graniczna - wolniej poruszającego się powietrza, które stawia dodatkowy opór aerodynamiczny. Przed poruszającym się samolotem nie ma jej w ogóle - tworzy się w miarę przemieszczania się statku przez powietrze, a w tyle maszyny może mieć grubość do kilkudziesięciu centymetrów. W konwencjonalnych rozwiązaniach konstrukcyjnych warstwa graniczna po prostu przesuwa się wzdłuż kadłuba, a następnie miesza z powietrzem za samolotem. Sytuacja ulega jednak zmianie, jeśli na drodze warstwy granicznej ustawimy silniki - np. na końcu samolotu, bezpośrednio nad kadłubem lub za nim. Wolniejsze powietrze warstwy granicznej trafia wówczas do silników, jest w nich przyspieszane i wyrzucane z dużą prędkością. Nie wpływa to na moc silnika. Korzyść polega na tym, że przyspieszając powietrze, zmniejszamy opór wywierany przez warstwę graniczną.

Naukowcy z NASA przygotowali kilkanaście projektów samolotów, które mogłyby wykorzystywać tego rodzaju rozwiązanie. Agencja ma nadzieję, że co najmniej jeden z nich zostanie zastosowany w testowych samolotach X, za pomocą których NASA chce w przyszłej dekadzie w praktyce sprawdzać zaawansowane technologie lotnicze.

Wizja nowych siedzeń w samolocie

Brat bliźniak prawdę powie

Cyfrowe bliźniaki to najnowocześniejsza metoda, która może drastycznie obniżyć koszty konserwacji urządzeń. Jak sama nazwa wskazuje, bliźniaki cyfrowe tworzą wirtualną replikę zasobów fizycznych, wykorzystując dane zebrane w określonych punktach maszyny czy urządzenia - są cyfrową kopią sprzętu już działającego lub projektowanego. Firma GE Aviation pomogła niedawno w opracowaniu pierwszego na świecie cyfrowego bliźniaczego systemu podwozia samolotu. W punktach, w których zazwyczaj dochodzi do awarii, umieściła czujniki dostarczające dane w czasie rzeczywistym, m.in. dotyczące ciśnienia hydraulicznego i temperatury hamulców. Posłużyło to do zdiagnozowania pozostałego cyklu życia podwozia i wczesnej detekcji awarii.

Dzięki monitorowaniu cyfrowego bliźniaczego systemu jesteśmy w stanie na bieżąco kontrolować stan zasobów oraz otrzymywać wczesne ostrzeżenia, prognozy, a nawet plan działania, symulując scenariusze "co będzie, jeśli" - wszystko po to, by wydłużyć w czasie gotowość sprzętu do pracy. Według International Data Corporation, firmy, które zainwestują w cyfrowe bliźniaki, odnotują 30-procentową poprawę w zakresie czasu cyklu kluczowych procesów, w tym konserwacji.  

Rozszerzona rzeczywistość dla pilota

Jedną z ważnych innowacji ostatnich lat było opracowanie wyświetlaczy i czujników montowanych na głowie pilotów. NASA i europejscy naukowcy eksperymentują w ten sposób z rzeczywistością rozszerzoną, próbując ułatwić pilotom wykrywanie problemów i zagrożeń, a także zapobieganie im. Wyświetlacz zainstalowano już w kasku pilota myśliwca F-35 Lockheed Martin, a firmy Thales i Elbit Systems opracowują modele dla pilotów samolotów komercyjnych, szczególnie w mniejszych maszynach. System SkyLens tej ostatniej firmy ma zostać wkrótce zastosowany w samolotach ATR.

SkyLens firmy Elbit Systems

 

W większych odrzutowcach biznesowych powszechnie korzysta się już z syntetycznych i udoskonalanych systemów wizyjnych (SVS/EVS), umożliwiających pilotom lądowanie w warunkach słabej widoczności. Łączą się one coraz częściej w połączone systemy wizyjne (CVS), ukierunkowane na poprawę znajomości sytuacji pilotów i niezawodności rozkładów lotów. System EVS wykorzystuje czujnik podczerwieni (IR), aby zwiększyć widoczność, i jest zwykle dostępny poprzez wyświetlacz HUD (Head-up Display). Z kolei system ClearVision firmy Elbit Systems ma sześć czujników, w tym w zakresie podczerwieni i światła widzialnego. Jest stale rozbudowywany, by mógł wykrywać rozmaite zagrożenia, takie jak np. popiół wulkaniczny w atmosferze.

Ekrany dotykowe, wprowadzone już do kokpitów samolotów biznesowych, przechodzą do samolotów z wyświetlaczami Rockwell Collins dla nowego Boeinga 777-X. Producenci awioniki przyglądają się też technikom rozpoznawania mowy jako kolejnemu krokowi w kierunku zmniejszenia obciążenia kokpitu. Firma Honeywell eksperymentuje z monitorowaniem aktywności mózgu w celu wykrycia, kiedy pilot ma za dużo pracy do wykonania, lub jego uwaga błądzi gdzieś "w chmurach" - potencjalnie chodzi również o możliwość sterowania funkcjami kabiny pilota.

Udoskonalenia techniczne w kokpicie niewiele jednak pomogą, gdy pilotów po prostu zacznie brakować. Mike Sinnett, wiceprezes ds. rozwoju produktów w Boeingu, powiedział niedawno Reutersowi, że przewiduje "w ciągu najbliższych dwudziestu lat zapotrzebowanie na 41 tys. samolotów odrzutowych do zastosowań komercyjnych". A to oznacza, że będzie potrzeba ponad 600 tys. więcej nowych pilotów. Skąd ich wziąć? Plan rozwiązania tego problemu, przynajmniej w Boeingu, polega na zastosowaniu sztucznej inteligencji. Firma ujawniła już plany stworzenia kokpitu bez pilotów. Sinnett uważa jednak, że prawdopodobnie staną się one rzeczywistością dopiero w 2040 r.

Bez okien?

Kabiny pasażerskie to obszar innowacji, w którym sporo się dzieje. Istnieją nawet Oscary przyznawane w tej dziedzinie – Crystal Cabin Awards, czyli nagrody dla wynalazców i projektantów, tworzących systemy mające na celu poprawę standardu samolotowych wnętrz, zarówno dla pasażerów, jak i załogi. Nagradza się tu wszystko, co ułatwia życie, zwiększa komfort i wprowadza oszczędności - od toalety pokładowej po schowki na bagaż podręczny.

Timothy Clark, prezes linii Emirates, zapowiada tymczasem samoloty pozbawione okien, które mogą być nawet o połowę lżejsze od dotychczasowych konstrukcji, a dzięki temu - szybsze, tańsze i bardziej ekologiczne w budowie oraz eksploatacji. W pierwszej klasie nowego Boeinga 777-300ER okna już zostały zastąpione przez ekrany, które dzięki kamerom i połączeniom światłowodowym mogą wyświetlać widok z zewnątrz, bez różnic dostrzegalnych gołym okiem. Wygląda na to, że ekonomia nie pozwoli zbudować "oszklonych" odrzutowców, o których marzy wielu. Zamiast nich będziemy mieć raczej projekcje na ścianach, suficie lub siedzeniach przed nami.

Koncepcja kabiny z dachem wizualizującym niebo

 

W zeszłym roku Boeing rozpoczął testy aplikacji mobilnej vCabin, która umożliwia pasażerom regulację poziomu oświetlenia w ich bezpośrednim sąsiedztwie, wywoływanie obsługi lotu, zamawianie posiłków, a nawet sprawdzanie, czy toaleta jest wolna. W międzyczasie telefony zostały dostosowane do elementów wyposażenia wnętrza, takich jak fotel klasy biznesowej Recaro CL6710, zaprojektowany tak, aby umożliwić aplikacjom mobilnym odchylanie krzesła do tyłu i do przodu.

Od 2013 r. amerykańskie organy regulacyjne starają się znieść zakaz korzystania z telefonów komórkowych w samolotach, wskazując, że ryzyko, iż będą one zakłócać pokładowe system łączności, jest obecnie coraz mniejsze. Przełom w tej dziedzinie pozwoliłby na korzystanie z aplikacji mobilnych podczas lotu.

Jesteśmy też świadkami postępującej automatyzacji w obsłudze naziemnej. Linie lotnicze Delta w Stanach Zjednoczonych eksperymentują z wykorzystaniem biometrii do odprawy pasażerów. Niektóre światowe porty lotnicze testują już lub testowały technologię rozpoznawania twarzy, aby poprzez weryfikację tożsamości dopasować zdjęcia paszportowe do swoich klientów, co ponoć pozwoliłoby sprawdzać nawet dwa razy więcej podróżnych na godzinę. W czerwcu 2017 r. firma JetBlue współpracowała z amerykańską służbą celną i graniczną (CBP) oraz globalną firmą informatyczną SITA, w celu testowania programu wykorzystującego biometrię i technologię rozpoznawania twarzy do weryfikacji klientów przy wejściu na pokład samolotu.

W październiku ubiegłego roku Zrzeszenie Międzynarodowego Transportu Lotniczego przewidywało, że do 2035 r. liczba podróżnych podwoi się do 7,2 mld. Jest więc po co i dla kogo pracować nad innowacjami i udoskonaleniami.

Lotnictwo przyszłości:

Animacja działania systemu BLI: