Στυλιανός Αδαμίδης
Διδακτορικός Ερευνητής, Μηχανικός ΣΜΑ
Σύμφωνα με την IATA (International Air Transportation Association), η εναέρια κυκλοφορία τείνει να διπλασιάζεται ανά 15 χρόνια με ετήσια μέση αύξηση περίπου 4.4% [1, 2]. Σε αυτό το πλαίσιο, διεθνείς οργανισμοί όπως ο ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe) και η NASA (National Aeronautics and Space Administration) θεσπίζουν μακροπρόθεσμους και βραχυπρόθεσμους περιβαλλοντικούς στόχους με σκοπό τη μείωση του αποτυπώματος των σύγχρονων επιβατικών αεροσκαφών στην παγκόσμια κλιματική αλλαγή, οι οποίοι αξιολογούνται και αναθεωρούνται περιοδικά από τον CAEP (Committee on Aviation Environmental Protection) [3]. Οι περισσότερες προσπάθειες επικεντρώνοντας στη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και των οξειδίων του άνθρακα (NOx), την ελαχιστοποίηση του παραγόμενου θορύβου και τη μείωση του DOC (Direct Operating Cost), το οποίο περιλαμβάνει όλα τα λειτουργικά κόστη και τα κόστη συντήρησης στον κύκλο ζωής του αεροσκάφους [4,5].
Η επίτευξη αυτών των στόχων και η διασφάλιση μεγαλύτερου εύρους μελλοντικής βελτίωσης απαιτεί ουσιαστικές προσπάθειες στον τομέα της έρευνας και ανάπτυξης για την είσοδο νέων τεχνολογιών, οι οποίες θα χαρακτηρίζονται από καινοτομία και πιθανόν θα απομακρύνονται από τις παραδοσιακές διατάξεις. Πιο συγκεκριμένα, η διεπιστημονική προσέγγιση σχεδίασης μη-συμβατικών αεροσκαφών, συνδυάζοντας νέες τεχνολογίες και μεθόδους σε επίπεδο αεροδυναμικής, συστημάτων, υλικών, δομής και αεροκινητήρων, μακροπρόθεσμα μπορούν να επιτύχουν βελτιωμένες επιδόσεις αεροσκαφών υπό δυσμενέστερους περιβαλλοντικούς περιορισμούς. Ωστόσο, οι καινοτομίες στη σχεδίαση των αεροσκαφών, παρά τις υποδείξεις τους για βελτιωμένες επιδόσεις, πρέπει να συνοδεύονται από εκτεταμένη έρευνα και να εξετάζονται ως προς κάλυψη των αντιφατικών σχεδιαστικών στόχων που συχνά συναντώνται στη σχεδίαση τους, αλλά πρέπει να λαμβάνουν υπόψιν και οικονομοτεχνικά-επιχειρησιακά κριτήρια και τις εγκαταστάσεις και περιορισμούς των υφιστάμενων αεροδρομίων.
Η εξέλιξη της σχεδίασης επιβατικών αεροσκαφών
Η εξέλιξη της σχεδίασης των αεροσκαφών με τα αντίστοιχα τεχνολογικά ορόσημα παρατίθενται σε χρονολογική σειρά στην εικόνα 1. Ορισμένα από αυτά τα ορόσημα είναι οι jet κινητήρες, οι οπισθοκλινείς πτέρυγες, η συμπίεση της καμπίνας, οι turbofan κινητήρες υψηλής παράκαμψης και το σύστημα ελέγχου πτήσης fly-by-wire.
Η νέα και πιο αποδοτική γενιά αεροσκαφών απαιτεί καινοτομία και νέες τεχνολογίες. Διεθνώς αναγνωρισμένες εταιρείες σχεδίασης αεροσκαφών, όπως η Airbus και η Boeing, αλλά και ερευνητικά κέντρα και οργανισμοί, όπως η NASA, η DLR, η ONERA και η Bauhaus Luftfahrt κ.ά., σχεδιάζουν ποικιλία μη συμβατικών αεροσκαφών με στόχο την αύξηση της δυνατότητας μεταφοράς όσο μεγαλύτερου φορτίου (payload) σε όσο μεγαλύτερη απόσταση με τη μικρότερη δυνατή ποσότητα ενέργειας/καυσίμου, ικανοποιώντας παράλληλα αυστηρούς περιβαλλοντικούς περιορισμούς. Στην εικόνα 2, οπτικοποιείται η σύγκριση ενός συμβατικού αεροσκάφους (κεντρικό αεροσκάφος) με μη-συμβατικές διαμορφώσεις, οι οποίες θεωρούνται κρίσιμες για την επίτευξη βελτιωμένης απόδοσης καυσίμου και μειωμένων εκπομπών ρύπων.
Καινοτόμες διαμορφώσεις – η νέα γενιά αεροσκαφών
BWB (Blended Wing Body) διαμόρφωση
Οι διαμορφώσεις BWB είναι μια από τις πιο υποσχόμενες μη-συμβατικές διαμορφώσεις αεροσκαφών με πολλά πλεονεκτήματα. Το ενιαίο σχήμα του, δίνει τη δυνατότητα παραγωγής άντωσης τόσο από τις πτέρυγες όσο και την άτρακτο του αεροσκάφους και ταυτόχρονα επιτρέπει σημαντική μείωση της οπισθέλκουσας αλληλεπίδρασης και της βρεχόμενης επιφάνειας που συμμετέχει στην παραγωγή των αεροδυνάμεων. Επιπρόσθετα, η διαμόρφωση BWB επιτρέπει την συμπόρευση των κατανομών της άντωσης και των φορτίων, μειώνοντας τις ροπές κάμψης. Αξίζει προς σχολιασμό το γεγονός ότι οι BWB διαμορφώσεις εμφανίζουν αυξημένη χωρητικότητα καμπίνας με τα αντίστοιχα οφέλη στο φερόμενο φορτίο. Πτητικές δοκιμές δοκιμαστικών αεροσκαφών όπως το Χ-48, έδειξαν ότι οι BWB διαμορφώσεις παράγουν μειωμένο θόρυβο και έχουν μεγαλύτερη απόδοση καυσίμου ακόμα και με μεγαλύτερο βάρος φορτίου. Το Airbus Maverick (εικόνα 3) που εκτέλεσε την πρώτη πτήση του το 2019 υπέδειξε την προοπτική μείωσης της κατανάλωσης καυσίμου μέχρι και 20% σε σύγκριση με τα συμβατικά αεροσκάφη.
BW (Box Wing) διαμόρφωση
Η διαμόρφωση BW είναι ένα σύστημα μη-επίπεδων κλειστών πτερύγων (εικόνα 4), η οποία αποτελεί μια υποσχόμενη επιλογή μη-συμβατικού αεροσκάφους, καθώς σχεδιαστικά δεν αποκλίνει κατά πολύ από τα συμβατικά αεροσκάφη και δεν υπερβαίνει τα όρια εκπετάσματος των υφιστάμενων αεροδρομίων. Τα οφέλη αυτής της διαμόρφωσης επικεντρώνονται στη μειωμένη επαγόμενη οπισθέλκουσα, η οποία κυμαίνεται στο 60-70% αυτής των συμβατικών αεροσκαφών ίδιου εκπετάσματος και ίδιας άντωσης, αλλά και τα οφέλη διαμήκους ευστάθειας. Σχολιάζοντας σε αεροδυναμικό επίπεδο τις BW διαμορφώσεις, η μπροστά πτέρυγα του αεροσκάφους φθάνει πρώτη σε απώλεια στήριξης, οδηγώντας την πίσω πτέρυγα να παράγει αρνητική ροπή πρόνευσης, διατηρώντας συνολικά το αεροσκάφος μακριά από το σημείο απώλειας στήριξης. Καθώς οι δυο πτέρυγες είναι τοποθετημένες σε σημαντική απόσταση από το κέντρο βάρους του αεροσκάφους, η αποσβεστική ροπή πρόνευσης είναι μεγαλύτερη από αυτή των συμβατικών αεροσκαφών, προκαλώντας βελτιωμένη διαμήκη ευστάθεια, όπως προαναφέρθηκε.
SBW (Strut-braced wing) and TBW (truss-braced wing) διαμόρφωση
Οι διαμορφώσεις SWB και TBW είναι διαμορφώσεις υψηλού διατάματος και η διαφορά τους έγκειται στα επιπρόσθετα δομικά στοιχεία τύπου juries, τα οποία διαθέτει η διαμόρφωση TBW (εικόνα 5). Και οι δύο διαμορφώσεις έχουν το χαρακτηριστικό του αυξημένου εκπετάσματος, δίνοντας όμως ταυτόχρονα, τη δυνατότητα σημαντικής μείωσης του δομικού βάρους, και ως εκ τούτου καθίσταται δυνατή η μείωση της επαγόμενης οπισθέλκουσας, η οποία οδηγεί σε σημαντική μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Σημειώνεται ότι οι διαμορφώσεις TBW επιτρέπουν την περαιτέρω αύξηση του διατάματος των πτερύγων σε σχέση με τα SWB, εξαιτίας των στοιχείων juries. Ωστόσο, τέτοιες διαμορφώσεις μεγάλου εκπετάσματος συχνά έρχονται αντιμέτωπες με μη-επιθυμητά αεροελαστικά φαινόμενα όπως το flutter, αλλά και τα κύματα κρούσης στις περιοχές σύνδεσης των επιφανειών. Επομένως, οι προκλήσεις στη διαδικασία πιστοποίησης SWB και TBW διαμορφώσεων επικεντρώνονται στην αντιμετώπιση των αεροδυναμικών και δομικών μη-γραμμικοτήτων.
Προχωρημένα concepts προωθητικού συστήματος
Σημαντική συνεισφορά στις καινοτόμες τεχνολογίες των αεροσκαφών νέας γενιάς προέρχεται και από το προωθητικό σύστημα. Καινοτόμες ιδέες που σχετίζονται με την αύξηση του λόγου παράκαμψης, την κατανεμημένη ώση, την εισρόφηση του οριακού στρώματος (BLI), τους ηλεκτρικούς/υβριδικούς κινητήρες και το ταίριασμα του προωθητικού συστήματος με την αεροδυναμική των πτερύγων μπορούν να αποτελέσουν κρίσιμες τεχνολογικές εξελίξεις.
Σύγχρονες τεχνολογίες
Οι αναφερόμενες από την ΙΑΤΑ τεχνολογίες, οι οποίες μπορούν να συνδράμουν σημαντικά στη βελτίωση της απόδοσης καυσίμου, σε συνδυασμό με την ταξινόμηση τους σε επίπεδα τεχνολογικής ετοιμότητας (TRL – Technology Readiness Levels) και τη χρονολογία εισαγωγής τους σε λειτουργία (EIS – Entry Into Service) παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα. Τα προηγμένα προωθητικά συστήματα και οι μη-συμβατικές διαμορφώσεις αεροσκαφών αποτελούν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες βελτίωσης της απόδοσης καυσίμου (πίνακας 1). Ωστόσο, όλοι οι αναφερόμενοι σχεδιαστικοί τομείς θα συνδράμουν συνδυαστικά στην επίτευξη των μελλοντικών σχεδιαστικών στόχων της νέας γενιάς αεροσκαφών, οι οποίοι όπως προαναφέρθηκε επικεντρώνονται στη βελτίωση της απόδοσης καυσίμου, τη μείωση των εκπομπών ρύπων, την μείωση των επιπέδων παραγόμενου θορύβου και τη μείωση του DOC.
Πηγές:
[1] Owen, B., Lee, D. S., & Lim, L. (2010). Flying into the future: aviation emissions scenarios to 2050. Environmental Science & Technology.
[2] Lee, D. S., Fahey, D., Skowron, A., Allen, M., Burkhardt, U., Chen, Q., Doherty, S., Freeman, S., Forster, P., Fuglestvedt, J., et al. (2021). The contribution of global aviation to anthropogenic climate forcing for 2000 to 2018. Atmospheric Environment.
[3] Machintosh, A. & Wallace, L. (2009). International aviation emissions to 2025: Can emissions be stabilised without restricting demand? Energy Policy.[4] Green, J. E. (2016). Civil aviation and the environment – the next frontier for the aerodynamicist. The Aeronautical Journal.
[5] Green, J. E. (2005). Air travel-greener by design. Mitigating the environmental impact of aviation: opportunities and priorities. The Aeronautical Journal.
[6] Bravo-Mosquera, P. D., Catalano, F. M., & Zingg, D. W. (2022). Unconventional aircraft for civil aviation: A review of concepts and design methodologies. Progress in Aerospace Sciences.
