Τεχνολογίες Ηλεκτρικής Πρόωσης Αεροσκαφών
ΕισαγωγήΗ ηλεκτρική πρόωση στον τομέα της αεροπλοΐας, που ηγείται της παγκόσμιας προσπάθειας για περιβαλλοντική βιωσιμότητα, δεν είναι πλέον ένα μακρινό όνειρο. Οι αεροπορικές εταιρείες προσπαθούν να επιτύχουν το σημείο ισορροπίας, σε έναν κλάδο όπου τα περιθώρια κέρδους μπορεί να είναι ελάχιστα και τα καύσιμα αντιπροσωπεύουν σχεδόν το ήμισυ του λειτουργικού κόστους, γεγονός που την καθιστά μία από τις πιο περιζήτητες μεθόδους για τη μείωση των γενικών εξόδων. Ένα πλήρως ηλεκτρικό αεροπλάνο, τροφοδοτείται αποκλειστικά με ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές, αντί για ορυκτά καύσιμα. Τα ηλεκτρικά αεροσκάφη αναμένεται να είναι ιδανικά για σύντομες πτήσεις έως και αρκετές εκατοντάδες μίλια, ενώ ο σχεδιασμός τους εξαλείφει μεγάλο μέρος του βάρους που σχετίζεται με τα καύσιμα. Αν και απέχουμε ακόμη πολύ από την ευρεία υιοθέτηση της τεχνολογίας των πλήρως ηλεκτρικών αεροσκαφών, λόγω των σχετικά χαμηλών επιδόσεων σε σύγκριση με τα παραδοσιακά, ο συνδυασμός τωρινών και μελλοντικών τεχνολογιών, ανάλογα με τις απαιτήσεις χρήσης του αεροσκάφους, μπορεί να προσφέρει σημαντικά αποτελέσματα. Είδη ηλεκτρικής πρόωσης Στροβιλοηλεκτρικά αεροσκάφη: Ένας αεριοστρόβιλος κινεί μια ηλεκτρική γεννήτρια, η οποία παρέχει προωθητική ισχύ χωρίς τη χρήση μπαταριών [1]. Πλήρως ηλεκτρικά αεροσκάφη: Χρησιμοποιούν μπαταρίες [1] ή κυψέλες υδρογόνου [2] για να τροφοδοτήσουν τους ηλεκτροκινητήρες. Υβριδικά αεροσκάφη: Συνδυάζουν θερμικούς κινητήρες και ηλεκτροκινητήρες [1]. Στροβιλοηλεκτρικά αεροσκάφη Στην στροβιλοηλεκτρική διαμόρφωση, ένας αεριοστρόβιλος κινεί μία ηλεκτρική γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται στην συνέχεια προς τους μετατροπείς ισχύος, σε επιμέρους ηλεκτρικούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος, ώστε να παραχθεί η απαραίτητη ισχύς για την έλικα ή τον ανεμιστήρα (fan). Να σημειωθεί πως ο αεριοστρόβιλος συνδέεται απευθείας με την ηλεκτρική γεννήτρια, με συνέπεια να χρησιμοποιείται το σύνολο της ισχύος εξόδου του αεριοστροβίλου για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας και δεν περιλαμβάνονται συσκευές αποθήκευσης ενέργειας (βλ. Εικόνα 1). Πλήρως ηλεκτρικά αεροσκάφη Τα πλήρως ηλεκτρικά αεροσκάφη αποτελούν μία εφικτή λύση για τη μείωση του περιβαλλοντικού κόστους, για πτήσεις μικρών αποστάσεων [4]. Η διαμόρφωση ενός πλήρους ηλεκτρικού αεροσκάφους είναι η απλούστερη όσον αναφορά τη διάταξή της. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες αποτελούν την μοναδική πηγή ενέργειας και συνδέονται απευθείας με έναν ηλεκτρικό κινητήρα, μέσω ενός συστήματος διαχείρισης ισχύος που κινεί την έλικα ή τον ανεμιστήρα (fan) (βλ. Εικόνα 2). Οι μπαταρίες δε μπορούν να φορτίσουν κατά την διάρκεια της πτήσης, όπως στην υβριδική διαμόρφωση που θα αναφερθεί παρακάτω, με συνέπεια να πρέπει να φορτίζονται στο έδαφος πριν από κάθε πτήση. Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου καταναλώνουν υδρογόνο στην άνοδο, το αρνητικό ηλεκτρόδιο, και οξυγόνο (συχνά με τη μορφή ατμοσφαιρικού αέρα) στην κάθοδο, το θετικό ηλεκτρόδιο. Τα ηλεκτρόνια από το υδρογόνο αποσπώνται και ρέουν μέσω του κυκλώματος, τροφοδοτώντας το ηλεκτρικό φορτίο. Σε μια κυψέλη υδρογόνου τύπου PEM (polymer electrolyte membrane), τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου ρέουν μέσω του ηλεκτρολύτη και συναντώνται με το οξυγόνο και τα ηλεκτρόνια στην κάθοδο, σχηματίζοντας νερό. Σε μια κυψέλη τύπου SOFC (solid-oxide fuel cell), τα ηλεκτρόνια συναντούν το οξυγόνο στην κάθοδο, σχηματίζοντας αρνητικά φορτισμένα ιόντα οξυγόνου. Αυτά τα ιόντα οξυγόνου ρέουν μέσω του κεραμικού ηλεκτρολύτη πίσω στην άνοδο, όπου συναντούν τα ιόντα υδρογόνου και παράγουν νερό [2] (βλ. Εικόνα 3). Το ρεύμα είναι άμεσα ανάλογο με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που ρέουν μέσω του κυκλώματος. Όσο πιο γρήγορα συμβαίνει η αντίδραση, τόσο περισσότερο ρεύμα παράγεται. Η αντίδραση συμβαίνει στη διεπαφή του ηλεκτροδίου, του ηλεκτρολύτη και του υδρογόνου ή του οξυγόνου. Ένα μεγαλύτερο στοιχείο έχει περισσότερες θέσεις αντίδρασης και, επομένως, μπορεί να παράγει περισσότερο ρεύμα [2]. Οι κυψέλες υδρογόνου, βέβαια, πρέπει να υπερβούν τις δικές τους τεχνικές προκλήσεις. Η ειδική ενεργειακή πυκνότητα του υγρού υδρογόνου είναι σχετικά χαμηλή και οι σημερινές κυψέλες καυσίμου δεν μετατρέπουν το καύσιμο σε ηλεκτρική ενέργεια με υψηλή απόδοση. Αυτό σημαίνει ότι η ποσότητα υγρού υδρογόνου που απαιτείται για την πρόωση ενός εμπορικού αεροσκάφους θα καταλάμβανε τόσο πολύ όγκο, που ο χώρος για φορτίο ή επιβάτες θα περιοριζόταν σημαντικά [5]. Επιπλέον, η αποθήκευση του υδρογόνου σε υγρή μορφή, απαιτεί θερμοκρασίες της τάξης των -253 °C. Αυτές οι χαμηλές θερμοκρασίες επιβάλουν την αυστηρή και ιδιαίτερα προσεκτική επιλογή υλικών για τις δεξαμενές, τις σωληνώσεις, τις βαλβίδες, τις αντλίες και άλλα εξαρτήματα του συστήματος καυσίμου των αεροσκαφών. Ωστόσο, η θερμοκρασία είναι μόνο ένα μέρος του προβλήματος. Το υδρογόνο, καθώς είναι το μικρότερο στοιχείο που απαντάται στη φύση, μπορεί να διεισδύσει ευκολότερα στα υλικά με την πάροδο του χρόνου και να αυξήσει την ευθραυστότητά τους. Τέλος, πιθανές απότομες πτώσεις πίεσης του συστήματος, μπορούν να προκαλέσουν διαστολή του υδρογόνου και να καταστρέψουν φλάντζες και άλλα υλικά [5]. Υβριδικά αεροσκάφη Στη σειριακή υβριδική διαμόρφωση, ο αεριοστρόβιλος είναι αποσυνδεδεμένος από τον άξονα της έλικας ή του ανεμιστήρα (fan), ο οποίος κινείται μόνο από τον ηλεκτροκινητήρα. Η διαμόρφωση είναι παρόμοια με τη στροβιλοηλεκτρική, με την διαφορά ότι μία μπαταρία αποθηκεύει ενέργεια και συμβάλλει στην πρόωση. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 3, μια γεννήτρια χρησιμοποιείται για να μετατρέψει την μηχανική ενέργεια από τον αεριοστρόβιλο σε ηλεκτρική ενέργεια. Στην συνέχεια, η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για την κίνηση των ηλεκτροκινητήρων ή να αποθηκευτεί στις μπαταρίες [4] (βλ. Εικόνα 4). Δεδομένου ότι δεν υπάρχει άμεση σύνδεση μεταξύ της έλικας και του αεριοστροβίλου, ο αεριοστρόβιλος μπορεί να λειτουργεί με την μέγιστη απόδοση σε όλη την διάρκεια της πτήσης. Στην παράλληλη υβριδική διαμόρφωση, ο ηλεκτροκινητήρας και ο αεριοστρόβιλος είναι τοποθετημένοι σε έναν κοινό άξονα για να κινήσουν την έλικα ή τον ανεμιστήρα (fan) [4] (βλ. Εικόνα 5). Η εν λόγω διαμόρφωση απαιτεί λιγότερα ηλεκτρικά εξαρτήματα σε σχέση με την αντίστοιχη σειριακή, οδηγώντας σε σημαντική εξοικονόμηση βάρους. Ωστόσο, η παράλληλη διαμόρφωση συνεπάγεται μεγαλύτερη μηχανική πολυπλοκότητα, ενώ και οι κινητήρες δε λειτουργούν με σταθερή ταχύτητα μέγιστης απόδοσης, με συνέπεια την αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου [4]. Συμπεράσματα Τα ηλεκτρικά αεροσκάφη, αναμφίβολα, θα αποτελέσουν το μέλλον της αεροπορίας, λόγω της ανάγκης για πράσινη μετάβαση και απανθρακοποίηση του κλάδου. Η ηλεκτρική πρόωση και οι υβριδικές αρχιτεκτονικές, έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενες ιδέες για την επίτευξη των αυστηρών περιβαλλοντικών στόχων που έχουν θέσει οι ρυθμιστικοί φορείς, λόγω της σημαντικής μείωσης εκπομπών ρύπων (ηλεκτρικά αεροσκάφη σχεδόν μηδενικές και υβριδικά μείωση έως 40% σε NOX και 15% σε CO2). Ασφαλώς, υπάρχουν ακόμη αρκετά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν, σε ό,τι αφορά την ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών και του υδρογόνου, τα συστήματα αποθήκευσης και
Η Σχέση της Embraer με τους Μηχανικούς της Βραζιλιάνικης Αεροπορίας: Ο Ρόλος των Αποφοίτων του “Instituto Tecnológico de Aeronáutica” (ITA)
Το Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) που ιδρύθηκε το 1950, είναι συνυφασμένο με την δημιουργία της βραζιλιάνικης αεροδιαστημικής βιομηχανίας. Είναι πανεπιστημιακή σχολή της Βραζιλιάνικης Πολεμικής Αεροπορίας, αντίστοιχη με την Σχολή Μηχανικών Αεροπορίας (ΣΜΑ) της Σχολής Ικάρων και παρέχει υψηλού επιπέδου εκπαίδευση με έμφαση στις αεροδιαστημικές επιστήμες και τεχνολογία.Το ITA κατατάσσεται ως μία από τις κορυφαίες και πιο σημαντικές σχολές μηχανικών στη Βραζιλία. Οι αρχές που υποστηρίζονται στο ITA, βασίζονται στην αναπόσπαστη σχέση μεταξύ εκπαίδευσης, διδασκαλίας, έρευνας και ανάπτυξης. Το ITA αναγνωρίζει ότι η καινοτομία είναι απαραίτητη στη διαχείριση και στη συνεχή βελτίωση, ανάπτυξη και εφαρμογή καινοτόμων τεχνολογιών για την εκπαίδευση και την έρευνα, όχι μόνο στην ακαδημαϊκή κοινότητα, αλλά και σε ολόκληρο το σύμπλεγμα της αεροδιαστημικής και αμυντικής βιομηχανίαςΗ επιτυχία της Embraer, ενός από τους κορυφαίους κατασκευαστές αεροσκαφών στον κόσμο, συνδέεται άμεσα με την υποστήριξη και τις ικανότητες των μηχανικών της Βραζιλιάνικης Αεροπορίας. Ένας σημαντικός αριθμός από αυτούς τους μηχανικούς είναι απόφοιτοι του Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), ενός κορυφαίου εκπαιδευτικού ιδρύματος που έχει διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη της βραζιλιάνικης αεροδιαστημικής βιομηχανίας.Η Ιδρυτική ΣχέσηΤο 1959, ένας ανήσυχος και οραματιστής νέος φοίτησε στο ITA.
Η Αποτυχία της Ρωσικής Αεροπορικής Ισχύος στον Πόλεμο στην Ουκρανία (2022-2023)
Η αεροπορική εκστρατεία των ρωσικών αεροδιαστημικών δυνάμεων [Vozdushno-kosmicheskiye sily (VKS)] εναντίον της Ουκρανίας ξεκίνησε με μαζικές βολές βαλλιστικών πυραύλων και πυραύλων cruise εναντίον θέσεων της ουκρανικής αεράμυνας και αεροπορικών βάσεων. Από την αρχή της εισβολής μέχρι τα τέλη Μαΐου του 2022, πάνω από 2.000 πύραυλοι εκτοξεύτηκαν εναντίον ουκρανικών στόχων[1]. Οι μαζικές βολές πυραύλων, που αποσκοπούσαν στην προετοιμασία του πεδίου της μάχης, στην καταστροφή της εχθρικής αεράμυνας και τελικά στην εξασφάλιση της αεροπορικής υπεροχής, θύμισαν τα μοτίβα των αεροπορικών επιχειρήσεων των ΗΠΑ στο Αφγανιστάν το 2001 και του ΝΑΤΟ στην Λιβύη το 2011. Παρά την υιοθέτηση της θεωρητικά δοκιμασμένης προσέγγισης και τα 300 και πλέον[2] σύγχρονα μαχητικά αεροσκάφη που είχε αναπτύξει στην περιοχή, που εκτελούσαν πάνω από 140 εξόδους ημερησίως, η ρωσική αεροπορία απέτυχε να εξασφαλίσει την αεροπορική υπεροχή και δεν κατάφερε να εξουδετερώσει πλήρως την αεράμυνα της Ουκρανίας και την πολεμική της αεροπορία[3]. Η ανάλυση που ακολουθεί καλύπτει τον πρώτο χρόνο του πολέμου, δηλαδή την περίοδο από την έναρξη της εισβολής το 2022 μέχρι και τις αρχές του 2023. Η VKS ξεκίνησε την εκστρατεία καταστολής και καταστροφής της εχθρικής αεράμυνας [Suppression/Destruction of Enemy Air Defense (SEAD/DEAD)], αξιοποιώντας την τεχνολογική της υπεροχή, την υπεροπλία της, την πληθώρα πληροφοριών που διέθετε-κυρίως τύπου HUMINT (Human Intelligence) και την εξοικείωση των στελεχών της με την δομή της ουκρανικής αεράμυνας[4]. Οι μαζικές εκτοξεύσεις πυραύλων cruise και οι αεροπορικές επιδρομές από βομβαρδιστικά Su-34 οπλισμένα κυρίως με μη κατευθυνόμενες βόμβες και μαχητικά τύπου Su-30SM και Su-35S, που επιχειρούσαν έως και 300 km εντός της ουκρανικής επικρατείας, συνοδεύτηκαν από εκτεταμένο ηλεκτρονικό πόλεμο (ΗΠ). Ο ΗΠ είχε σκοπό να υποβαθμίσει την δυνατότητα εγκαίρου προειδοποίησης, στοχοποίησης και ελέγχου πυρός των ουκρανικών συστημάτων. Οι Ρώσοι αξιοποίησαν τις γνώσεις τους από την κατασκευή των αντιαεροπορικών συστημάτων τύπου 9M38M1, S-300PS/PT, S-300V1 και 9K33 Osa των Ουκρανών, καθώς πρόκειται για συστήματα που είχαν αναπτυχθεί και σχεδιαστεί στην Ρωσία κατά την σοβιετική εποχή. Κατά συνέπεια η διεξαγωγή ΗΠ όχι μόνο κατάφερε να «τυφλώσει» πολλά ραντάρ και συστήματα αεράμυνας, αλλά και να καταστρέψει ευαίσθητα ηλεκτρονικά απάρτια τους[5]. Σχεδόν μετά από ένα χρόνο επιχειρήσεων οι Ουκρανοί εξακολουθούσαν να διαθέτουν σημαντικό αριθμό λειτουργικών αντιαεροπορικών συστημάτων μικρού, μεσαίου και μεγάλου βεληνεκούς, που απειλούσαν τα ρωσικά αεροσκάφη και τα ανάγκαζαν να πετούν σε χαμηλά ύψη, όπου εκεί βρίσκονταν εντός της εμβέλειας των συστημάτων MANPADS (Man-Portable Air-Defense Systems). Η εκστρατεία DEAD της VKS απέτυχε για τρείς λόγους. Πρώτον, οι Ρώσοι χρησιμοποίησαν σε περιορισμένο βαθμό όπλα ακριβείας PGM (Precision Guided Munitions), με αποτέλεσμα τα πλήγματα τους να μην είναι πάντα εύστοχα και αποτελεσματικά. Παράλληλα, λόγω της τάσης να επιχειρούν με μεμονωμένα αεροσκάφη και όχι με μεγάλους σχηματισμούς δεν είχαν επαρκή εκτίμηση των ζημιών μετά τους βομβαρδισμούς και δεν εκτελούσαν “follow-up” strikes. Υπολογίζεται ότι λιγότερο από το 25% των αποστολών εκτελέστηκαν από ζεύγη αεροσκαφών ή μεγαλύτερους σχηματισμούς[6]. Δεύτερον, οι Ουκρανοί λάμβαναν συνεχή ροή πληροφοριών από την Δύση σχετικά με επικείμενες ρωσικές επιθέσεις και φρόντιζαν να μετακινούν και να αποκρύπτουν συνεχώς τα αντιαεροπορικά τους συστήματα. Τρίτον, οι ζημιές που προκλήθηκαν στα ουκρανικά συστήματα από τα ρωσικά πλήγματα και τον ΗΠ αποδείχθηκαν πρόσκαιρες, καθώς οι Ουκρανοί είχαν αναπτύξει με τον καιρό δυνατότητες αυτόνομης υποστήριξης και συντήρησης των βασικών υποσυστημάτων των αντιαεροπορικών τους μέσων[7]. Πέραν από τους επιχειρησιακούς παράγοντες που προαναφέρθηκαν και που εμπόδισαν την καταστροφή της ουκρανικής αεράμυνας, η αποτυχία της εκστρατείας SEAD/DEAD της VKS αναδεικνύει και δύο βαθύτερες ελλείψεις της ρωσικής αεροπορικής ισχύος. Η πρώτη έχει να κάνει με την εκπαίδευση των πληρωμάτων. Παρά το ότι η ρωσική αεροπορία διαθέτει έναν σύγχρονο στόλο αεροσκαφών, τα πληρώματα της στερούνται ρεαλιστικής και εποικοδομητικής εκπαίδευσης. Η πτητική διαθεσιμότητα των πληρωμάτων εξασφαλίζεται με 100 έως 120 ώρες πτήσης τον χρόνο κατά μέσο όρο, αν και πολλοί αναλυτές εκτιμούν ότι για τους χειριστές των μαχητικών αεροσκαφών οι ετήσιες ώρες πτήσης φτάνουν οριακά στις 100. Την ίδια στιγμή τα αντίστοιχα επίπεδα για τα νατοϊκά πληρώματα κυμαίνονται κατ’ ελάχιστο στις 180 έως 240 ώρες πτήσης ετησίως, ενώ η εκπαίδευση τους πλαισιώνεται από σύγχρονους και ρεαλιστικούς εξομοιωτές πτήσεων. Επομένως, παρά το μακρόπνοο πρόγραμμα εκσυγχρονισμού της VKS και τον εξοπλισμό της με 350 σύγχρονα μαχητικά αεροσκάφη, η ανεπαρκής εκπαίδευση των πληρωμάτων της καθιστά αμφίβολη την πλήρη αξιοποίηση των νέων αεροπορικών τεχνολογιών[8]. Η δεύτερη έλλειψη έχει να κάνει με την ρωσική στρατηγική αντίληψη, η οποία ταυτίζει την αεροπορική ισχύ με την προστασία της λεγόμενης “Mother Russia” από μια καταιγιστική και ταχέως εξελισσόμενη νατοϊκή αεροπορική επιδρομή. Η ρωσική στρατηγική σκέψη δεν έχει καλλιεργήσει επαρκώς σε στρατηγικό επίπεδο και σε επίπεδο δογμάτων, τις επιθετικές αεροπορικές επιχειρήσεις. Παρά την αύξηση αυτού του είδους των επιχειρήσεων στις εμπλοκές της VKS στην Γεωργία το 2008, στην Συρία το 2014 και στην Κριμαία το 2014, ο κύριος προσανατολισμός της ρωσικής αεροπορίας παραμένει η υπεράσπιση της ενδοχώρας, της βιομηχανικής υποδομής και των πόλεων με την χρήση πρωτίστως ενός ολοκληρωμένου δικτύου αεράμυνας και αντιαεροπορικών πυραυλικών συστημάτων[9]. Όπως εύστοχα επισημαίνει και ο γνωστός αναλυτής και απόστρατος Lt General της US Air Force, David Deptula: “Russia has never fully appreciated the use of airpower beyond support to ground forces…..in all its wars [Russia] has never conceived of or run a strategic air campaign”[10]. Το συγκεκριμένο μοτίβο επιβεβαιώθηκε και στην πιο πρόσφατη μεγάλη ρωσική στρατιωτική άσκηση “Zapad 2021”, όπου η VKS διέθεσε σχεδόν αποκλειστικά τα μέσα της στην υποστήριξη της αντεπίθεσης των χερσαίων δυνάμεων, λειτουργώντας σαν ένα είδος «ιπτάμενου πυροβολικού»[11]. Η αδυναμία της καλλιέργειας επιθετικής διάστασης περιορίζει τις δυνατότητες της ρωσικής αεροπορικής ισχύος και δεν δίνει προτεραιότητα στην εξασφάλιση της αεροπορικής κυριαρχίας και σε συναφείς αποστολές, όπως είναι η καταστροφή της εχθρικής αεράμυνας. Πλέον, η έντονη αεροπορική δραστηριότητα των πρώτων μηνών του πολέμου έχει δώσει την θέση της σε μια στατική κατάσταση όπου κάθε πλευρά κινείται πολύ συντηρητικά για να αποφύγει απώλειες από εχθρικές CAP (Combat Air Patrol), από πυραύλους εδάφους-αέρος και από άλλα αντιαεροπορικά συστήματα. Ο εναέριος χώρος της Ουκρανίας θυμίζει μια σύγχρονη εκδοχή της μάχης του Σομ του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου. Αμφότεροι οι αντιμαχόμενοι έχουν πετύχει να απαγορέψουν την χρήση του εναέριου χώρου για τον αντίπαλο, χωρίς ωστόσο κανείς να έχει καταφέρει να εξασφαλίσει τον πλήρη έλεγχο του[12]. Αναμφισβήτητα είναι νωρίς ακόμα για συμπεράσματα και για κρίσεις αναφορικά με το πώς ο
Οι Αεροναυπηγοί Μηχανικοί και η Συνδρομή τους στην Kοινωνία & τις Ένοπλες Δυνάμεις
Η αεροδιαστημική είναι ο τομέας της μηχανικής που ασχολείται με το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την παραγωγή αεροσκαφών και διαστημικών σκαφών. Η αεροδιαστημική τεχνολογία είναι ζωτικής σημασίας γιατί μας επιτρέπει να ταξιδεύουμε και να εξερευνούμε πέρα από τον πλανήτη μας, να βελτιώνουμε τη συνδεσιμότητα και την επικοινωνία και να διατηρούμε την εθνική ασφάλεια. Έχει επίσης οδηγήσει σε διάφορες τεχνολογικές εξελίξεις που έχουν βελτιώσει τη ζωή μας και κατέστησαν δυνατή την αντιμετώπιση των πιο απαιτητικών προβλημάτων που αντιμετωπίζουμε. Τι κάνουν οι Αεροναυπηγοί μηχανικοί Οι μηχανικοί αεροδιαστημικής σχεδιάζουν, αναπτύσσουν και δοκιμάζουν, ολοκληρωμένα συστήματα ή υποσυστήματα και υλικά για: αεροσκάφη, διαστημόπλοια, δορυφόρους και πυραύλους. Επιπλέον, δημιουργούν και δοκιμάζουν πρωτότυπα για να βεβαιωθούν ότι λειτουργούν σύμφωνα με το σχεδιασμό. Επικεντρώνονται κυρίως σε τομείς όπως, η αεροδυναμική, μηχανική των ρευστών, δομικός σχεδιασμός, καθοδήγηση, πλοήγηση και έλεγχος, ηλεκτρονικά συστήματα και επικοινωνία, πρόωση και καύση Καθήκοντα Οι μηχανικός αεροδιαστημικής συνήθως εργάζεται στους εξής τομείς: Η αεροδιαστημική μηχανική είναι ένας τεράστιος τομέας που μπορεί να χωριστεί σε διαφορετικούς υποτομείς, ο καθένας με τη μοναδική του εστίαση και τη συμβολή του στην κοινωνία. Ακολουθούν μερικοί από τους τομείς της αεροδιαστημικής μηχανικής και η σημασία τους: 1. Aeronautics: Ο μηχανικός στον τομέα Aeronautics σχεδιάζει, αναπτύσσει και παράγει αεροσκάφη που πετούν μέσα στην ατμόσφαιρα της Γης. Η αεροναυπηγική μηχανική έχει διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη εμπορικών και στρατιωτικών αεροσκαφών, καθιστώντας τα αεροπορικά ταξίδια ταχύτερα, ασφαλέστερα και αποτελεσματικότερα. Αυτός ο τομέας οδήγησε επίσης σε προόδους στην αεροδυναμική, την επιστήμη των υλικών και τα συστήματα πρόωσης, τα οποία έχουν εφαρμογές πέρα από την αεροπορία. 2. Astronautics: Η Αστροναυτική είναι ο τομέας που ο μηχανικός σχεδιάζει, αναπτύσσει και παράγει διαστημόπλοια έξω από την ατμόσφαιρα της Γης. Αυτός ο τομέας της αεροδιαστημικής επέτρεψε την εξερεύνηση του διαστήματος, η οποία οδήγησε σε πολλές επιστημονικές ανακαλύψεις, όπως η πρώτη προσγείωση στο φεγγάρι, και συνέβαλε στην κατανόηση του σύμπαντος. 3. Avionics: Ασχολείται με τα ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμοποιούνται στα αεροσκάφη, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων επικοινωνίας, πλοήγησης και ελέγχου πτήσης. Αυτά τα συστήματα διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη διασφάλιση της ασφάλειας, της αποτελεσματικότητας των αεροσκαφών και έχουν επίσης οδηγήσει σε προόδους στην τεχνολογία πλοήγησης, όπως το GPS. 4. Πρόωση: Η πρόωση περιλαμβάνει την ανάπτυξη κινητήρων και συστημάτων πρόωσης που χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη και διαστημόπλοια. Αυτός ο τομέας οδήγησε σε προόδους στην απόδοση καυσίμου, επιτρέποντας μεγαλύτερες πτήσεις και διαστημικές αποστολές. Έχει επίσης οδηγήσει στην ανάπτυξη καθαρότερων και πιο βιώσιμων τεχνολογιών πρόωσης, όπως η ηλεκτρική πρόωση και τα ηλιακά “πανιά” 5. Επιστήμη των Υλικών: Η επιστήμη των υλικών ασχολείται με την ανάπτυξη νέων υλικών που μπορούν να αντέξουν τα απαιτητικά περιβάλλοντα των αεροδιαστημικών εφαρμογών. Αυτό το πεδίο οδήγησε στην ανάπτυξη ελαφρότερων και υψηλής αντοχής υλικών, όπως τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, τα οποία έφεραν επανάσταση στο σχεδιασμό αεροσκαφών και διαστημικών σκαφών. Η αεροδιαστημική μηχανική έχει επηρεάσει βαθιά τη ζωή μας, συμβάλλοντας σε πολλές τεχνολογικές εξελίξεις και βελτιώνοντας διάφορες πτυχές της καθημερινής μας ζωής. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα για το πώς η αεροδιαστημική μηχανική έχει βελτιώσει τη ζωή μας: Συνδρομή Μηχανικών Αεροδιαστημικής στην κοινωνία 1. Αεροπορικά ταξίδια: Η αεροδιαστημική μηχανική επέτρεψε την ανάπτυξη εμπορικών αεροπορικών ταξιδιών, καθιστώντας τα ταχύτερα και ασφαλέστερα. Η πρόοδος στην αεροδυναμική, την επιστήμη των υλικών και στα συστήματα πρόωσης επέτρεψαν την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών σχεδίασης αεροσκαφών, που μπορούν να πετούν για μεγαλύτερο χρόνο και να καταναλώνουν λιγότερα καύσιμα. Αυτές οι βελτιώσεις έχουν κάνει τα αεροπορικά ταξίδια προσβάσιμα σε περισσότερους ανθρώπους, συνδέοντας πόλεις και χώρες σε όλο τον κόσμο και συμβάλλοντας στην οικονομική ανάπτυξη και τις πολιτιστικές ανταλλαγές. 2. Εξερεύνηση του διαστήματος: Η αεροδιαστημική μηχανική επέτρεψε την εξερεύνηση του διαστήματος, η οποία οδήγησε σε πολλές επιστημονικές ανακαλύψεις και προόδους. Η ανάπτυξη διαστημικών σκαφών, δορυφόρων και τηλεσκοπίων μας επέτρεψε να μελετήσουμε το σύμπαν και να μάθουμε περισσότερα για τη θέση μας σε αυτό. Η εξερεύνηση του διαστήματος έχει επίσης οδηγήσει σε τεχνολογικές προόδους, όπως η τεχνολογία GPS, που έφερε επανάσταση στην πλοήγηση. 3. Πρόβλεψη καιρού: Η αεροδιαστημική μηχανική έχει συμβάλει στην ανάπτυξη τεχνολογίας πρόγνωσης καιρού. Οι δορυφόροι με προηγμένους αισθητήρες μπορούν να παρακολουθούν τα καιρικά φαινόμενα από το διάστημα, επιτρέποντας πιο ακριβείς προβλέψεις και συστήματα έγκαιρης προειδοποίησης για σοβαρά καιρικά φαινόμενα όπως τυφώνες και ανεμοστρόβιλοι . Αυτή η τεχνολογία έχει βοηθήσει να σωθούν ζωές και να ελαχιστοποιηθούν οι ζημιές που προκαλούνται από φυσικές καταστροφές. 4. Εθνική άμυνα: Η αεροδιαστημική μηχανική έχει διαδραματίσει ζωτικό ρόλο στην εθνική άμυνα, επιτρέποντας την ανάπτυξη στρατιωτικών αεροσκαφών, drones και πυραύλων. Αυτές οι τεχνολογίες έχουν συμβάλει στη διατήρηση της εθνικής ασφάλειας και στην προστασία της χώρας από απειλές. 5. Ιατρική τεχνολογία: Η αεροδιαστημική μηχανική συνέβαλε επίσης στην ανάπτυξη της ιατρικής τεχνολογίας. Τεχνολογίες όπως η μαγνητική τομογραφία, οι αξονικές τομογραφίες και η προσθετική χρησιμοποιούν αρχές αεροδιαστημικής μηχανικής και τεχνολογίες με αισθητήρες, συστήματα απεικόνισης και εφαρμογές της επιστήμης υλικών. Ο Ρόλος της Αεροδιαστημικής Μηχανικής στην Εθνική Άμυνα Η αεροδιαστημική μηχανική διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην εθνική άμυνα και ασφάλεια συνδράμοντας στους κάτωθι τομείς : 1. Ανάπτυξη στρατιωτικών αεροσκαφών: Η αεροδιαστημική μηχανική συνέβαλε στην σχεδίαση και ανάπτυξη στρατιωτικών αεροσκαφών, όπως μαχητικά αεροσκάφη που είναι ζωτικής σημασίας για την εθνική άμυνα. Αυτά τα αεροσκάφη έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε εχθρικά περιβάλλοντα και να εκτελούν διάφορες αποστολές. Η αεροδιαστημική μηχανική επέτρεψε επίσης την ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών ηλεκτρονικών και stealth που ενισχύουν τις δυνατότητες των στρατιωτικών αεροσκαφών και τα προστατεύουν από τον εντοπισμό. 2. Ανάπτυξη drones: Η αεροδιαστημική μηχανική επέτρεψε την ανάπτυξη μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) ή drones, τα οποία γίνονται ολοένα και πιο σημαντικά για την εθνική άμυνα και ασφάλεια. Τα drones μπορούν να εκτελέσουν διάφορες αποστολές, όπως επιτήρηση, αναγνώριση και προσβολή στόχων, χωρίς να θέτουν σε κίνδυνο τους πιλότους. Μπορούν επίσης να εξοπλιστούν με όπλα, όπως βλήματα και βόμβες, για επιθετικές επιχειρήσεις. 3. Ανάπτυξη της τεχνολογίας πυραύλων: Η αεροδιαστημική μηχανική είχε κυρίαρχο ρόλο στην ανάπτυξη τεχνολογίας πυραύλων, η οποία είναι κρίσιμη για την εθνική άμυνα και την αποτροπή. Οι βαλλιστικοί πύραυλοι μπορούν να μεταφέρουν πυρηνικές, βιολογικές ή συμβατικές κεφαλές σε μεγάλες αποστάσεις, παρέχοντας ένα αξιόπιστο αποτρεπτικό μέσο έναντι πιθανών αντιπάλων. Τα συστήματα πυραυλικής άμυνας, τα οποία χρησιμοποιούν προηγμένους αισθητήρες και βλήματα, μπορούν επίσης να προστατεύσουν από απειλές πυραύλων. 4. Διαστημικά συστήματα: Η αεροδιαστημική μηχανική μελέτησε και ανέπτυξε διαστημικά συστήματα και πλατφόρμες,
Αντιμετώπιση του Πτερυγισμού (Wing Flutter): Ανάλυση και Δοκιμές
Ο πτερυγισμός πτέρυγας (wing flutter), όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενο άρθρο (Το Πρόβλημα του Πτερυγισμού (Wing Flutter): Πως, Γιατί και Πότε Εμφανίζεται;), είναι ένα αεροελαστικό πρόβλημα στο οποίο η πτέρυγα εξάγει ενέργεια από την ροή και προκαλεί ασταθή αυτοδιέγερση που οδηγεί μέχρι και σε καταστροφική δομική αστοχία. Για αυτό τον λόγο ο πτερυγισμός είναι ένα κρίσιμο σχεδιαστικό σημείο εστίασης και για λόγους ασφαλείας, για την πιστοποίηση ενός αεροσκάφους, απαιτείται η ταχύτητα πτερυγισμού να είναι τουλάχιστον 15% μεγαλύτερη από τη μέγιστη ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους. Ο πτερυγισμός έχει κατά το παρελθόν μελετηθεί με στόχο την κατανόηση των χαρακτηριστικών του για πτέρυγες σε υποηχητικές και υπερηχητικές ροές. Τα χαρακτηριστικά του πτερυγισμού επηρεάζονται σημαντικά από την φυσική συχνότητα του υπό εξέταση συστήματος και από τα αεροδυναμικά του χαρακτηριστικά. Πτερυγισμός και Εξωτερικά Φορτία Στο παρελθόν, κατά την μελέτη του πτερυγισμού, δεν λαμβλανόταν υπόψη η επίδραση των εξωτερικών φορτίων. Αυτό γινόταν καθώς οι τότε μελετητές θεωρούσαν είτε ότι δεν επηρέαζαν σημαντικά είτε αγνοείτο καθώς ήταν εξαιρετικά δύσκολο, με τα τότε εργαλεία να μελετηθεί. Τα τελευταία χρόνια όμως η έρευνα έχει στοχεύσει στην εξέταση του φαινομένου για ρεαλιστικά σενάρια πτήσης. Έχουν γίνει διάφορες μελέτες με στόχο τον προσδιορισμό του πτερυγισμού για τις περιπτώσεις πτέρυγας-εξωτερικού φορτίου. Τα αποτελέσματα ποικίλουν και έχουν εξαιρετικό ενδιαφέρον. Μελετήθηκαν κατά καιρούς περιπτώσεις υποηχητικής και υπερηχητικής ταχύτητας πτήσης καθώς και διατάξεις με διαφορετικές διατομές και μήκη εξωτερικών φορτίων τύπου δεξαμενών, πυραύλων και τα λοιπά (Εικόνα 1 και 2). Έχει παρατηρηθεί στη γενική περίπτωση ότι τα χαρακτηριστικά του πτερυγισμού (συχνότητα, ταχύτητα εμφάνισης, μετατοπίσεις) μεταβάλλονται έντονα με την ύπαρξη εξωτερικών φορτίων. Παρόλο που η παρατήρηση αυτή μοιάζει λογική, δεν ισχύει πάντοτε, όπως στην περίπτωση που το εξωτερικό φορτίο είναι μακρύ αρκετά. Σε αυτή την περίπτωση, παρόλο που επηρεάζεται σημαντικά η κατανομή πίεσης στο κάτω άκρο του φτερού, ειδικά στην περίπτωση υπερηχητικής ροής (παράδειγμα στην Εικόνα 3), ορισμένα από τα χαρακτηριστικά του πτερυγισμού, σε πολλές περιπτώσεις είναι τα ίδια με την περίπτωση της μη ύπαρξης εξωτερικού φορτίου. Άλλος παράγοντας που αποτελεί αντικέιμενο μελέτης τα τελευταία χρόνια είναι η συσχέτιση του ορίου ταχύτητας πτερυγισμού με το ύψος πτήσης. Οι περισσότερες πλεόν μελέτες δείχνουν ότι το όριο είναι εξαιρετικά ευαίσθητο στο ύψος πτήσης. Όμως ο πιο σημαντικός και πολλά υποσχόμενος τομέας μελέτης του πτερυγισμού αφορά την ποικιλομορφία των χαρακτηριστικών του ανάλογα με το καθεστώς πτήσης του αεροσκάφους, όσον αφορά την ταχύτητα πτήσης. Τα αποτελέσματα των τελευταίων μελετών υποδεικνύουν ότι στην γενική περίπτωση η αεροδυναμική των εξ. φορτίων έχει αποσταθεροποιητικό ρόλο στην υπερηχητική ροή και σταθεροποθητικό στη διηχητική. Αυτή η διατύπωση απαιτεί περεταίρω διερεύνηση καθώς βασίζεται σε μεμονωμένες μελέτες συγκεκριμένων διαμορφώσεων πτέρυγας – εξ. φορτίου. Φαίνεται σε αυτό το σημείο ότι η διηχητική περιοχή δέχεται περιθώρια μελέτης και αξιοποίησης αυτής, παρά το γεγονός ότι παραδοσιακά είναι μία περιοχή ταχυτήτων που αποφεύγεται στην αεροναυπηγική επιστήμη. Μέθοδοι Ελέγχου του Πτερυγισμού – Μελλοντική Έρευνα Τα αεροσκάφη σήμερα, για να ελέγξουν το φαινόμενο του πτερυγισμού, κάνουν χρήση του λεγόμενου παθητικού ελέγχου. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στον περιορισμό του φακέλου πτήσης των αεροσκαφών και στην αύξηση της δομικής αντοχής των πτερύγων αυτών. Μείζων στόχος στην σχεδίαση αεροσκαφών αποτελεί η επίτευξη ελαφρύτερων κατασκευών, γεγονός που έρχεται σε αντίθεση με τις υπάρχουσες μεθόδους ελέγχου του πτερυγισμού. Για αυτό τον σκοπό έχουν αναπτυχθεί διάφορες νέες μέθοδοι ενεργού ελέγχου αυτού. Ο ενεργός έλεγχος αφορά τον περιορισμό της δομικής ταλάντωσης της πτέρυγας με τη χρήση επιφανειών ελέγχου πτήσης οι οποίες σε πραγματικό χρόνο εντοπίζουν την εκκίνηση των ταλαντώσεων πτερυγισμού και λειτουργούν με αποσβεστικό ρόλο, πριν αυτές αρχίσουν να ενισχύονται επικίνδυνα. (παράδειγμα στην Εικόνα 4). Άλλος τρόπος χρησιμοποίησης των μέθοδων ενεργού ελέγχου είναι μετατροπή των ταλαντώσεων από καταστροφικές σε σταθερές ταλαντώσεις οριακού κύκλου μικρόυ πλάτους, ώστε να αποφεύγεται η στιγμιαία δομική αστοχία και να υπάρχει δυνατότητα προειδοποίησης και αποφυγής. Αυτές οι νέες μέθοδοι βρίσκονται σε συνεχή εξέλιξη και βελτίωση και θα επιτρέψουν την επέκταση των επιχειρησιακών ορίων των αεροπορικών κατασκευών. Βιβλιογραφικές Αναφορές D. Ketseas, Δυναμική συμπεριφορά αεροτομής σε εξαναγκασμένη και ελεύθερη ταλάντωση. Επίλυση του αεροελαστικού προβλήματος σε περιβάλλον ANSYS FLUENT, 2022 N. A. Abdullah, E. Sulaeman, (2013), Flutter Analysis of Supersonic Wing with External Stores, International Conference on Mechanical, Automotive and Aerospace Engineering M. J. Opgenoord, M. Drela, (2019), Influence of Transonic Flutter on the Conceptual Design of Next-Generation Transport Aircraft, Massachusetts Institute of Technology P. Marzocca, L. Librescu, SUPERSONIC FLUTTER AND POST-FLUTTER CONTROL OF AN AIRCRAFT WING SECTION, Virginia Polytechnic Institute and State University, NASA Langley Research Center N. Azam, E. Sulaeman, (2014), AEROELASTIC FLUTTER ANALYSIS OF SUPERSONIC WING WITH MULTIPLE EXTERNAL STORES, IIUM Engineering Journal, Vol. 15, No. 2 H. Terashima, K. Fujii, (2012), INLUENCE OF THE STORE ON THE TRNASONIC AND SUPERSONIC FLUTTER CHARACTERISTICS OF A DELTA WING CONFIGURATION, AIAA Journal, Vol. 45, No. 1 D. H. Kim, I. Lee, (2001), TRANSONIC AND SUPERSONIC FLUTTER CHARACTERISTICS OF A WING-BOX MODEL WITH TIP STORES, 19th Applied Aerodynamics Conference D. H. Kim, I. Lee, (2000), TRANSONIC AND LOW-SUPERSONIC AEROELASTIC ANALYSIS OF A TWO-DEGREE-OF FREEDOM AIRFOIL WITH A FREEPLAY NON-LINEARITY, Journal of Sound and Vibration, Vol.234, Iss.5, p.859-880
Υπερηχητικά Επιβατικά Αεροσκάφη (Supersonic Transport Aircraft): Τα Κατάλληλα Υλικά για Υψηλές Θερμοκρασίες
Το χαμηλό περιθώριο κέρδους (profit margin) που διαθέτει η πολιτική αεροπορία (civil aviation) και το μικρό μέγεθος της αγοράς (market share) που αναμένεται να έχει η νέα γενιά υπερηχητικών επιβατικών αεροσκαφών (supersonic transport aircraft) επιβάλλουν έξυπνες και οικονομικές λύσεις. Η επιλογή των κατάλληλων υλικών (materials selection) είναι ένα από τα κύρια ζητήματα που απασχολεί τους μηχανικούς οι οποίοι εργάζονται στην ανάπτυξη υπερηχητικών επιβατικών αεροσκαφών. Αυτό απαιτείται για δύο λόγους. Τα αεροσκάφη αυτά θα πρέπει να είναι: Το φαινόμενο αεροδυναμικής θέρμανσης της επικάλυψης (skin) ενός υπερηχητικού αεροσκάφους ήταν γνωστό πολύ πριν ξεκινήσει η ανάπτυξη του Concorde. Πολύτιμη εμπειρία για την επίδραση του θερμικών φορτίων (thermal loads) είχε ήδη αποκτηθεί από τα μαχητικά αεροσκάφη επιδόσεων 2+ Mach. Ωστόσο, τεχνικές και οικονομικά συμφέρουσες λύσεις που θα μπορούσαν να εφαρμοσθούν σε ένα επιβατικό αεροσκάφος δεν υπήρχαν. Πως ένα αεροσκάφος θα μπορούσε να πετάει στα 2 Mach για πάνω από 2 ώρες χωρίς να επηρεάζεται αρνητικά η δομική του ακεραιότητα (structural integrity); Το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας ενός συνηθισμένου επιβατικού αεροσκάφους είναι μεταξύ περίπου -54°C και +70°C, για το Concorde αυτό θα έπρεπε να επεκταθεί έως τους 130°C. Συγκεκριμένα, κατά την πτήση με 2 Mach το αεροσκάφος ανέπτυσσε στην επιφάνειά του θερμοκρασίες μεταξύ 90°C (άτρακτος) και 130°C (ρύγχος) (Εικόνα 1). Η λύση που δόθηκε ήταν η ανάπτυξη ενός νέου κράματος αλουμινίου (hiduminium-RR58/ AU2GN), το οποίο ήταν οικονομικό να παραχθεί με την τότε διαθέσιμη τεχνολογία όπως επίσης και εφικτό να πιστοποιηθεί εύκολα για ασφαλή χρήση (certified) σε επιβατικά αεροσκάφη. Η λύση αυτή θεωρήθηκε τότε ‘συμβιβαστική’, αφού το αλουμίνιο ήταν οικονομικά συμφέρον να χρησιμοποιηθεί, ωστόσο είχε το μειονέκτημα τόσο του χαμηλού λόγου αντοχής προς βάρους (strength to weight ratio) σε σχέση με άλλα κράματα μετάλλων, όπως το τιτάνιο, όσο και του υψηλού συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας (thermal conductivity). Στην πράξη, το υλικό αυτό σε θερμοκρασίες (λόγω της υψηλής ταχύτητας του αεροσκάφους) προκαλούσε σημαντικού βαθμού διαστολή (και κατά συνέπεια συστολή) στα επηρεαζόμενα τμήματα του αεροσκάφους. Θα μπορούσε κανείς να ακολουθήσει την ίδια πρακτική και σήμερα; Όχι, επειδή διαθέτουμε ένα καλύτερο τύπο υλικού σε σχέση με τα κράματα αλουμινίου. Η χρήση των συνθέτων υλικών (composites) σε κύρια και δευτερεύοντα δομικά τμήματα αεροσκαφών έχει επεκταθεί σημαντικά κατά τα τελευταία 20 έτη. Τα νεότερης τεχνολογίας σύνθετα υλικά προσφέρουν υψηλότερο λόγο αντοχής προς βάρους έναντι των μετάλλων, υψηλή δυσκαμψία (stiffness) και επαρκή αντοχή απέναντι σε θερμικά φορτία. Για παράδειγμα, ένα από τα κύρια υλικά κατασκευής του υπερηχητικού επιβατικού αεροσκάφους που αναπτύσσει η Boom Supersonic είναι το σύνθετο υλικό Toray TC350-1 (toughened epoxy prepreg with fibre reinforcement), το οποίο έχει επαρκή αντοχή σε κόπωση/στατικά φορτία σε θερμοκρασίες άνω των 130°C. Επίσης, το υλικό αυτό διαθέτει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, με τον κατασκευαστή να επιλύει έτσι το πρόβλημα της διαστολής-συστολής των τμημάτων του αεροσκάφους που υπόκεινται στα υψηλά θερμικά φορτία κατά τις πολύωρες υπερηχητικές πτήσεις. Το υλικό αυτό μάλιστα έχει θερμικό συντελεστή αγωγιμότητας πλησίον αυτού του κράματος τιτανίου. Η συνάφεια αυτή είναι επωφελής για την ομαλή συναρμογή και ‘συνεργασία’ τμημάτων από σύνθετα υλικά και τιτάνιο στο αεροσκάφος της Boom Supersonic (Εικόνα 2). Η τεχνογνωσία που έχει αναπτυχθεί στον τομέα των αεροναυπηγικών υλικών και η εμπειρία από την πιστοποίησή τους είναι λοιπόν μεταξύ των ‘συμμάχων’ που διαθέτουν οι μηχανικοί για την επίλυση παλαιών προβλημάτων.
Το Πρόβλημα του Πτερυγισμού (Wing Flutter): Πως, Γιατί και Πότε Εμφανίζεται;
Το φαινόμενο του πτερυγισμού (wing flutter) είναι ένα κρίσιμο θέμα συζήτησης στον τομέα της αεροδιαστημικής μηχανικής καθώς μπορεί να έχει σοβαρές επιπτώσεις στην ασφάλεια και στην απόδοση των αεροσκαφών. Η κατανόηση των αιτιών εμφάνισης του των wing flutter είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη αποτελεσματικών στρατηγικών σχεδιασμού που μπορούν να αποτρέψουν ή να μετριάσουν τις επιπτώσεις του. Ο σχεδιασμός αυτός μπορεί να αφορά ολόκληρα αεροσκάφη, μικρά και μεγάλα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα, είτε μεμονωμένα μικρότερα εξαρτήματα όπως πτερύγια. Όπως έχει αναφερθεί και στο πρόσφατο άρθρο, Η Επάνοδος των Υπερηχητικών Επιβατικών Αεροσκαφών (Supersonic Transport): Η Νέα Γενιά, καθώς τα αεροσκάφη συνεχίζουν να ξεπερνούν τα όρια της ταχύτητας και της ικανότητας ελιγμών, ο κίνδυνος πτερυγισμού των φτερών γίνεται ακόμη πιο σημαντικός. Για αυτό το λόγο προκύπτει ακόμα περισσότερο η ανάγκη της προσπάθειας κατανόησης και πρόβλεψης του φαινομένου στις νέες περιοχές του φακέλου πτήσης των νεότερων αεροσκαφών. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει κατά την διάρκεια πιστοποίησης της σχεδίασης κάθε αεροσκάφους και για αυτό γίνεται αναφορά στο συγκεκριμένο πρόβλημα. Στο πνεύμα της συνεχούς ενημέρωσης και συμμετοχής στις τεχνολογικές εξελίξεις του αεροπορικού κλάδου, τίθεται η ανάγκη κατανόησης των τεχνολογιών αιχμής που χρησιμοποιούνται σήμερα για την αντιμετώπιση αυτού του σημαντικού ζητήματος καθώς και της πρόβλεψης των προβλημάτων που θα προκύψουν με την εξέλιξη των νεότερων αεροσκαφών. Η επίτευξη όμως του συγκεκριμένου στόχου χωρίς πρότερη γνώση για το wing flutter είναι πολύ δύσκολο να συμβεί. Για αυτό τον λόγο στο παρόν άρθρο θα επεξηγηθούν οι αιτίες, οι τρόποι εμφάνισης και οι συνέπειες του πτερυγισμού και σε μελλοντικό άρθρο θα γίνει η ανάλυση του φαινομένου για τους νέους προβληματισμούς επί του wing flutter που θα προκύψουν. Εμφάνιση του Φαινομένου Ο πτερυγισμός (Flutter) εμφανίζεται σε ελαστικές κατασκευές όπως η πτέρυγα ενός αεροσκάφους, μία γέφυρα ή ένα κτίριο. Στην περίπτωση που αναφερόμαστε σε αεροσκάφος τότε κάνουμε λόγο για πτερυγισμό της πτέρυγας δηλαδή για το γνωστό wing flutter. Αυτό το φαινόμενο είναι ένα από τα πιο τυπικά αεροελαστικά φαινόμενα και συμβαίνει όταν η πτέρυγα του αεροσκάφους υφίσταται αυτοδιεργούμενες ταλαντώσεις. Η αιτία αυτών των ταλαντώσεων σχετίζεται με την αλληλεπίδραση αεροδυναμικών, ελαστικών και αδρανειακών δυνάμεων. Ουσιαστικά ο πτερυγισμός προκαλείται από αεροδυναμικά φορτία που αλληλοεπιδρούν με την δομική δυναμική μίας πτέρυγας αεροσκάφους. Όταν η ελαστικότητα της δομής της πτέρυγας παίζει ουσιαστικό ρόλο στην αστάθεια τότε εμφανίζεται το φαινόμενο. Η δυναμική αυτή αστάθεια εμφανίζεται κατά την πτήση, σε μια ταχύτητα που ονομάζεται ταχύτητα πτερυγισμού. Ωστόσο το πρόβλημα αυτό δεν είναι κάτι που συμβαίνει απλά σε μία συγκεκριμένη ταχύτητα. Η έναρξη και η ενίσχυση του πτερυγισμού εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της φόρτισης του αεροπλάνου (καύσιμο στις πτέρυγες, εξωτερικά φορτία, κλπ) και των τυχαίων αναταράξεων της ατμόσφαιρας που λειτουργούν σαν διεγέρσεις για την παραγωγή ταλαντώσεων. Δυναμική Φύση του Προβλήματος και Επιπτώσεις Όπως αναφέρθηκε, η εφαρμογή μίας τυχαίας διαταραχής στην πτέρυγα επιφέρει την ταλάντωση αυτής λόγω της δυναμικής αλληλεπίδρασης των φορτίων σε αυτή. Οι διαφορετικές αποκρίσεις της πτέρυγας καθορίζουν και την δριμύτητα του φαινομένου και αποτελούν την ουσία της μελέτης του προβλήματος του wing flutter. Όταν η ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους είναι χαμηλή, το πλάτος δόνησης της παραγόμενης ταλάντωσης ξεκινά από μία μέγιστη τιμή και μειώνεται σταδιακά. Αυτή η μείωση μπορεί να καταλήξει σε πλήρη απόσβεση της ταλάντωσης (βλ. Εικόνα 3b). Ανάλογα με την φύση του προβλήματος, δηλαδή τις διάφορες παραμέτρους αυτού, υπάρχει η περίπτωση το πλάτος να μην αποσβεσθεί πλήρως αλλά να καταλήξει σε μία σταθερή τιμή. Τότε η πτέρυγα εκτελεί ταλάντωση οριακού κύκλου (Limit Circle Oscillation) (βλ. Εικόνα 3c). Η πιο δυσμενής περίπτωση είναι η ταλάντωση της πτέρυγας να είναι ενισχυόμενη με διαρκώς αυξανόμενο πλάτος ταλάντωσης (βλ. Εικόνα 3a). Οι αρνητικές επιπτώσεις του Flutter συνίστανται στις δύο τελευταίες περιπτώσεις. Τα αποτελέσματα ποικίλουν ανάμεσα σε έντονες αναταράξεις, δομική υποβάθμιση της πτέρυγας στο σημείο στήριξής της ή πλήρη απώλεια και καταστροφή αυτής. Συνεπώς η αστάθεια του πτερυγισμού μπορεί να θέσει σε κίνδυνο τις δομές των αεροσκαφών, την απόδοση πτήσης τους ή την ασφάλεια του ίδιου του αεροσκάφους και των επιβατών. Πρόβλεψη του Wing Flutter Για τους λόγους που αναφέρθηκαν, φαίνεται η ανάγκη πρόβλεψης των συνθηκών εμφάνισης του wing flutter και εξασφάλισης της αποφυγής επισφαλών καταστάσεων που προκύπτουν από τις παραγόμενες ταλαντώσεις. Για αυτό τον λόγο, για την πιστοποίηση ενός αεροσκάφους απαιτείται η δοκιμή πτερυγισμού κατά την πτήση. Η μελέτη του φαινομένου όπως και ο τελικός έλεγχος εκτελούνται αρχικά με χρήση υπολογιστικών εργαλείων (Computational Fluid Mechanics – Computational Structural Mechanics) (βλ. Εικόνα 4b). και τελικά με τη διεξαγωγή τρισδιάστατων πειραμάτων σε αεροσήραγγα (βλ. Εικόνα 4a). Στην τελευταία περίπτωση, μια εξωτερική δύναμη προσομοιώνει μια ριπή ανέμου για να παρέχει επαρκή διέγερση στο αεροσκάφος και στην συνέχεια μελετάται η απόκρισή του για τυχόν ενδείξεις επισφαλούς κίνησης με χρήση επιταχυνσιόμετρων και μετρητών καταπόνησης στην πτέργυγα, το ουραίο τμήμα, την άτρακτο και τις επιφάνειες ελέγχου πτήσης. Βιβλιογραφικές Αναφορές D. Ketseas, Δυναμική συμπεριφορά αεροτομής σε εξαναγκασμένη και ελεύθερη ταλάντωση. Επίλυση του αεροελαστικού προβλήματος σε περιβάλλον ANSYS FLUENT, 2022 Y. Chai & B. Ankay & F. Li, Aeroelastic analysis and flutter control of wings and panels: A review, International Journal of Mechanical System Dynamics, Volume 1, Issue 1, p. 5-34 M. S. Hussin & A. Ghorab & M. A. El Samanoudy, Computational analysis of two-dimensional wing aeroelastic flutter using Navier-Stokes model, Ain Shams Engineering Journal, Volume 9, Issue 4, December 2018, Pages 3459-3472 V. Roxov & A. Volmering & A. Hermanutz & M. Hornung & C. Breitsamter, CFD-Based Aeroelastic Sensitivity Study of a Low-Speed Flutter Demonstrator, Journals Aerospace, Volume 6, Issue 3, 2019 B. N. Goud & G. Sathyanarayana & S. S. Babu, Dynamic Aero elastic ( Flutter ) Instability Characteristics of an Aircraft Wing, 2105 I. E.E Garrick & H. Wilmer & Reed III, Historical Development of Aircraft Flutter, History of Key Technologies, Volume 18, Issue 11, November 1981 https://www.dlr.de/ae/en/desktopdefault.aspx/tabid-18367/29234_read-76837/ https://aviation.stackexchange.com/questions/45137/how-are-aircraft-wings-protected-against-flutter-aerodynamic-oscillations-that http://aviation.cours-de-math.eu/ATPL-081-POF/flutter.php https://theconversation.com/the-invisible-power-of-flutter-from-plane-crashes-to-snoring-to-free-energy-91796 https://www.aviationsafetymagazine.com/features/fighting-flutter
Η Συστημική Ανάλυση ως Μέθοδος Βελτιστοποίησης της Διαθεσιμότητας του Αεροπορικού Στόλου
Η Συστημική Ανάλυση είναι η εφαρμογή της Συστημικής Σκέψης με μορφή μεθοδολογιών, συμπερασμάτων και εργαλείων για την επίλυση προβλημάτων οργάνωσης και διοίκησης τα οποία χαρακτηρίζονται από ασαφή διατύπωση (wicked problems) και υψηλό βαθμό πολυπλοκότητας (complexity) (Παπαϊωάννου, 2021). Η σκοπιμότητα της Συστημικής Ανάλυσης συνοψίζεται από τον Ackoff (1979) ως εξής: Οι “managers” δεν αντιμετωπίζουν προβλήματα τα οποία είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους αλλά δυναμικές καταστάσεις οι οποίες αποτελούνται από σύνθετα συστήματα μεταβαλλόμενων προβλημάτων τα οποία είναι σε εξάρτηση μεταξύ τους. Αυτό ο Ackoff to χαρακτηρίζει “mess” (αταξία/χάος). Επειδή η αταξία αυτή είναι ένα σύστημα προβλημάτων, η συνάθροιση των βέλτιστων λύσεων για καθένα από αυτά ξεχωριστά, δεν είναι μια βέλτιστη λύση για την όλη κατάσταση. Συμπερασματικά, οι “managers” δεν λύνουν προβλήματα αλλά διαχειρίζονται “mess”. Συστήματα και Πολυπλοκότητα Ως Σύστημα εννοείται ένα σύνολο αλληλεξαρτώμενων στοιχείων τα οποία αλληλεπιδρώντας διαμορφώνουν μία ενιαία οντότητα η οποία εξυπηρετεί έναν συγκεκριμένο σκοπό (Kim, 1999). Ο Ackoff (1994) ορίζει το Σύστημα ως μία ολότητα (whole) η οποία αποτελείται από δύο ή περισσότερα μέρη (στοιχεία) όπου: (α) καθένα από αυτά επηρεάζει τα χαρακτηριστικά ή την απόδοση της ολότητας, (β) κανένα δεν μπορεί να έχει ανεξάρτητη επίδραση στην ολότητα (γ) κανένα υποσύνολο αυτών δεν μπορεί να έχει ανεξάρτητη επίδραση στην ολότητα. Συνοπτικά, ένα σύστημα είναι μια ολότητα η οποία δεν μπορεί να διαχωριστεί σε ανεξάρτητα στοιχεία ή ομάδες στοιχείων (Παπαϊωάννου, 2021). Τις τελευταίες δεκαετίες, η ανάλυση πολύπλοκων δυναμικών συστημάτων από το σύνολο των επιστημών παρουσιάζει ραγδαία εξέλιξη (Ford 1999). Συγκεκριμένα, λόγω της αυξανόμενης πολυπλοκότητας των συστημάτων που μας περιβάλλουν καθημερινά, η ανάλυση των τελευταίων βασίζεται στη χρήση μαθηματικών μοντέλων. Η μελέτη συστημάτων με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων προϋποθέτει αφενός μεν την κατανόηση των βασικών λειτουργιών του υπό μελέτη συστήματος, αφετέρου δε τη δυνατότητα αναπαράστασής του με μαθηματικές εκφράσεις και σχέσεις (Ρουμελιώτης, 2001). Απαραίτητη προϋπόθεση για τη μοντελοποίηση ενός δυναμικού συστήματος, είναι η ύπαρξη ενός συστήματος. Σύστημα ονομάζεται μια συλλογή οντοτήτων/αντικειμένων τα οποία αποτελούν ένα σύνολο στο οποίο κάθε στοιχείο αλληλοεπιδρά ή συσχετίζεται με ένα τουλάχιστον στοιχείο του συνόλου με στόχο την επίτευξη ενός καθορισμένου σκοπού (task) (Dimitriou, etal., 2013) (βλ. Εικόνα 1). Εκτός από το σύνολο των οντοτήτων του, κάθε σύστημα χαρακτηρίζεται και από μια συλλογή από παραμέτρους (parameters) και μεταβλητές (variables) (Παπαλεξίου, 2020). Οι παράμετροι και οι μεταβλητές αποτελούν μεγέθη μέτρησης και χαρακτηρισμού των συστημάτων. Οι παράμετροι είναι ανεξάρτητα μέτρα που διαμορφώνουν τις συνθήκες των εισόδων (inputs). Οι μεταβλητές είναι μέτρα που εξαρτώνται από τις παραμέτρους, αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους και μέσω της μεταβολής των τιμών τους, αλλάζει η κατάσταση στην οποία βρίσκεται το σύστημα. Η αξιοπιστία της ανάλυση των πολύπλοκων συστημάτων εξαρτάται από τη διαδικασία προσομοίωσης. Προσομοίωση είναι η μελέτη ενός συστήματος και η εξοικείωση με τα χαρακτηριστικά του με τη βοήθεια ενός άλλου συστήματος το οποίο στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής (Ρουμελιώτης, 2001). Επιπρόσθετα, η διαδικασία μοντελοποίησης συστημάτων δύναται να διαχωριστεί σε τρεις βασικές φάσεις (Kirkwood, 1998): Συνεπώς η μοντελοποίηση συστημάτων στηρίζεται στην δημιουργία μαθηματικών μοντέλων. Μοντέλο είναι η αναπαράσταση ενός συστήματος με σκοπό τη διερεύνηση και την κατανόηση της λειτουργίας και της τρέχουσας συμπεριφοράς του (investigate and comprehend), τη σύγκριση εναλλακτικών σχημάτων λειτουργίας (compare configurations) και την εκτίμηση και την πρόβλεψη της μελλοντικής συμπεριφοράς του κάτω από διαφορετικές συνθήκες (prediction and forecast) (Γεωργίου et al, 2015). Όπως αναφέρθηκε, ένα μοντέλο κατασκευάζεται για να βοηθήσει στον εντοπισμό των βέλτιστων λύσεων μέσω μιας διαδικασίας διερεύνησης, σύγκρισης και πρόβλεψης της μελλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος (Sterman, 2001). Όσες περισσότερες λεπτομέρειες και στοιχεία εισέλθουν στο μοντέλο τόσο αυτό θα προσεγγίζει την πραγματική συμπεριφορά του συστήματος και τόσο μεγαλύτερη ίσως είναι η δυνατότητα που παρέχεται στον ερευνητή στην προσπάθειά του να αναλύσει πιθανές αλλαγές και στρατηγικές που αφορούν το σύστημα. Συστημική Δυναμική Η Συστημική Δυναμική είναι η μεθοδολογία μελέτης και διαχείρισης πολύπλοκων συστημάτων. Η Συστημική Δυναμική είναι ένας τρόπος κατανόησης μιας κατάστασης ή ενός προβλήματος με σκοπό τη λήψη μιας απόφασης (Αναστασόπουλος, 2013). Αποτελεί μέρος της συστημικής θεωρίας ως μέθοδος κατανόησης της δυναμικής συμπεριφοράς πολύπλοκων συστημάτων. Η βάση αυτής της μεθόδου είναι η αναγνώριση ότι η δομή οποιουδήποτέ συστήματος, είναι συχνά το ίδιο σημαντική στον καθορισμό της συμπεριφοράς του όσο τα ίδια τα επιμέρους στοιχεία του(Αναστασόπουλος, 2013). Με τη χρήση των λογισμικών: Η Συστημική Δυναμική συνδυάζει τη θεωρία, τη μεθοδολογία και φιλοσοφία που είναι αναγκαία τόσο για την ανάλυση και κατανόηση της συμπεριφοράς των συστημάτων αυτών, όσο και για την επίδραση στην εξέλιξη της συμπεριφοράς αυτής(Αναστασόπουλος, 2013). Τα στοιχεία στα διαγράμματα της Συστημικής Δυναμικής είναι η ανάδραση, συσσώρευση των ροών σε στοίβες και χρονοκαθυστερήσεις. Τα σημεία συσσώρευσης αναπαριστούν μεγέθη τα οποία μεταβάλλονται κατά το «τρέξιμο» του μοντέλου (Εικόνα 2). Οι ροές αναπαριστούν τη διαδικασία μετατροπής των ανθρώπων από μία κατάσταση σε άλλη (Εικόνα 2). Οι εξαρτήσεις έχουν τη μορφή βέλους (arrow) που αρχίζει από το στοιχείο που επηρεάζει και καταλήγει στο στοιχείο που επηρεάζεται. Συνεχίζουμε τη δόμηση του μοντέλου εισάγοντας αριθμητικά δεδομένα και ποσοτικές σχέσεις μεταξύ των μεγεθών. Συνεπώς, η συστημική δυναμική αποτελεί μεθοδολογία μοντελοποίησης που αντιμετωπίζει κάθε περιβαλλοντικό πρόβλημα ως σύστημα για το οποίο προσδιορίζονται: 1) τα μέρη που το συνθέτουν, δηλαδή οι αλληλεξαρτώμενες παράμετροι ή μεταβλητές που το απαρτίζουν και καθορίζουν τη συμπεριφορά του (Arnold & Wade, 2015) και 2) ο τρόπος που οι μεταβλητές αυτές αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ή επηρεάζουν η μία την άλλη. Η θεωρία της συστημικής δυναμικής εφαρμόζεται τα τελευταία χρόνια με τη χρήση κατάλληλων λογισμικών. Ένα από τα διαθέσιμα λογισμικά για μοντελοποίηση και προσομοίωση με System Dynamics είναι το Vensim της Ventana. Το Vensim PLE παρέχει το κατάλληλο περιβάλλον για την ανάπτυξη μοντέλων και προσομοιώσεων συστημικής δυναμικής (Εικόνα 3). Case Study Η εφαρμογή της Συστημικής Ανάλυσης για την βελτίωση του αεροπορικού στόλου δύναται να δομηθεί ως εξής: η βασική λειτουργία του συστήματος μέσα στο οποίο επιχειρεί ο αεροπορικός στόλος διακρίνεται στα επιμέρους υποσυστήματα (Εικόνα 4): Ο αριθμός των τεχνικών που στελεχώνουν τις ανωτέρω επιστασίες είναι μεταβαλλόμενος στο χρόνο καθώς οι τεχνικοί δύναται να μετατεθούν σε έτερη επιστασία. Επιπρόσθετα, για κάθε νεοπροσλαμβανόμενο τεχνικό υπάρχει μια χρονική περίοδος εκπαίδευσης (θεωρητική και πρακτική) επί του συγκεκριμένου τύπου αεροσκάφους η οποία είναι μεταβαλλόμενη και εξαρτάται από την εξειδίκευση του τεχνικού. Επίλογος Η μοντελοποίηση των ανωτέρω υποσυστημάτων με τη χρήση
H Πρακτική Αξία της Ανάλυσης Αξιοπιστίας στην Αεροπορική Βιομηχανία
Εισαγωγή Ως αξιοπιστία ορίζουμε την πιθανότητα ενός εξαρτήματος, μιας συσκευής ή ενός συστήματος να πραγματοποιήσει την προκαθορισμένη αποστολή του, χωρίς αποτυχίες, για ένα συγκεκριμένο διάστημα [1,2]. Είναι προφανές ότι η ενδελεχής μελέτη των πιθανών τρόπων αστοχίας, αλλά και της συμπεριφοράς του ρυθμού αποτυχίας και η, εν συνεχεία, εφαρμογή αυτής της γνώσης για τη λήψη αποφάσεων, αποτελεί μια ανάλυση με πολλαπλά πρακτικά οφέλη. Χαρακτηριστική είναι η φράση του James Schlesinger, πρώην Υπουργού Άμυνας των Η.Π.Α.: “Reliability is, after all, engineering in its more practical form” (μτφ. «Η αξιοπιστία αποτελεί την πιο πρακτική μορφή της μηχανικής»). Η αξιοπιστία συνδέεται -εξ ορισμού- με την ασφάλεια και τη διαθεσιμότητα. Ως εκ τούτου, έχει αποτελέσει και συνεχίζει να αποτελεί μια έννοια άρρηκτα συνδεδεμένη με την πολιτική και στρατιωτική αεροπορική βιομηχανία, αφενός λόγω των κρίσιμων συνεπειών μιας αστοχίας, αφετέρου λόγω των υψηλών επιχειρησιακών απαιτήσεων που απαντώνται σε αυτή. Απαραίτητη προϋπόθεση για την ανάλυση αξιοπιστίας αποτελεί η επεξεργασία δεδομένων σχετικών με τις παρατηρηθείσες βλάβες και η συνεχής ανατροφοδότηση του μοντέλου με νέα δεδομένα, για τη λήψη, κατά το δυνατό, πιο αξιόπιστων αποτελεσμάτων. Η αεροπορική βιομηχανία, από το πρώτο κιόλας αεροσκάφος των αδερφών Wright, έχει συνδέσει την πορεία και την εξέλιξη της με τη συνεχή, αναλυτική καταγραφή της κατάστασης του πτητικού μέσου σε ημερολόγιο (logbook) [3]. Οι εν λόγω καταγραφές αποτελούν απαραίτητες εισαγωγές (inputs) για την ανάλυση αξιοπιστίας ενός εναέριου μέσου και των επιμέρους εξαρτημάτων αυτού. Μάλιστα, στη σημερινή εποχή, η ανάπτυξη της τεχνολογίας επιτρέπει όχι μόνο τη συνεχή ηλεκτρονική καταγραφή της κατάστασης του μέσου, αλλά και την ακριβή αποτύπωση του χρόνου αστοχίας και της διάρκειας επισκευής κάθε βλάβης. Ωστόσο, με ποιον τρόπο αξιοποιούνται ή θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν αποτελεσματικά όλα αυτά τα δεδομένα που σχεδόν καθολικά λαμβάνονται στην πολιτική και στρατιωτική αεροπορία; Παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένες ενδεικτικές χρήσεις και τα αντίστοιχα πρακτικά οφέλη που πηγάζουν από την εφαρμογή της ανάλυσης αξιοπιστίας στην πολιτική και στρατιωτική αεροπορία. Αξιοπιστία και Συντήρηση Η συντήρηση στην αεροπορική βιομηχανία συνίσταται, κατά κύριο λόγο, σε απρογραμμάτιστη, η οποία πραγματοποιείται όποτε συμβαίνει μια βλάβη, και σε προληπτική συντήρηση ανά συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα ή διαστήματα χρήσης, όπως ώρες πτήσεις, αριθμός προσγειώσεων κλπ. Tα εν λόγω διαστήματα καθορίζονται, συνήθως, από τον κατασκευαστή του συγκεκριμένου μέσου ή πηγάζουν από κάποιο σχετικό κανονισμό των υπηρεσιών αεροπορίας (FAA, EASA κλπ). Υπάρχουν όμως περιπτώσεις όπου ο φορέας χρήσης του μέσου για διάφορους λόγους, δύναται και επιθυμεί είτε να αυστηροποιήσει το διάστημα της προληπτικής συντήρησης, είτε να το παρατείνει. Η ανάλυση αξιοπιστίας του εξαρτήματος, συσκευής ή συστήματος μπορεί να τεκμηριώσει ποσοτικά μια τέτοια απόφαση διαφοροποίησης του διαστήματος συντήρησης, η οποία, προφανώς, δε θα πρέπει να βασίζεται σε εμπειρικές εκτιμήσεις του εκάστοτε χρήστη. Επιπρόσθετα, τίθεται το ερώτημα αν το καθορισμένο διάστημα προληπτικής συντήρησης θα πρέπει να είναι το ίδιο για όλους τους χρήστες ενός μέσου. Την απάντηση στο ερώτημα αυτό δίνει ένα βασικό στοιχείο του επίσημου ορισμού της αξιοπιστίας, το οποίο σκοπίμως παραλήφθηκε από τον ορισμό αυτής στην αρχή του άρθρου: οι συνθήκες χρήσης του εξαρτήματος, της συσκευής, ή του συστήματος, για παράδειγμα οι περιβαλλοντικές, επιχειρησιακές κλπ. συνθήκες, θα πρέπει να είναι όμοιες. Αυτό συμβαίνει γιατί η χρήση ενός εναέριου μέσου σε διαφορετικές συνθήκες από αυτές για τις οποίες σχεδιάστηκε, συνεπάγεται αυξημένο ρυθμό βλαβών, συνεπώς επηρεάζει την αξιοπιστία του και, άρα, απαιτεί διαφορετική πολιτική συντήρησης. Κατά συνέπεια, εύλογα εξάγεται το συμπέρασμα ότι η εφαρμογή της ανάλυσης αξιοπιστίας στον καθορισμό της πολιτικής συντήρησης αποτελεί μια αποτελεσματικότερη και οικονομικά πιο συμφέρουσα προσέγγιση έναντι της πολιτικής προληπτικής συντήρησης ανά συγκεκριμένα διαστήματα. Αυτή η φιλοσοφία συντήρησης ονομάζεται Reliability-centered maintenance (RCM) και αξίζει να επισημανθεί ότι εφαρμόστηκε επιτυχώς για πρώτη φορά στην αεροπορική βιομηχανία και, συγκεκριμένα, σtη διαμόρφωση της πολιτικής συντήρησης του αεροσκάφους Boeing 747 [4]. Αξιοπιστία και Προμήθειες Η μελέτη και ανάλυση αξιοπιστίας δύναται να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για τη λήψη αποφάσεων αναφορικά με τον προγραμματισμό προμηθειών/παραγγελιών και τη διαχείριση αποθεμάτων των εξαρτημάτων ή/και συσκευών ενός στόλου εναέριων μέσων. Πιο συγκεκριμένα, εκτιμώντας ο χρήστης ενός πτητικού μέσου, βάσει ιστορικών δεδομένων, τη συνάρτηση της αξιοπιστίας ή ισοδύναμα την πιθανότητα αστοχίας ενός εξαρτήματος σε ένα προκαθορισμένο διάστημα, π.χ. ημερολογιακό έτος, πυροσβεστική περίοδο, συγκεκριμένο αριθμό ωρών πτήσης κλπ., δύναται να προβλέψει με μεγαλύτερη ακρίβεια τον αριθμό εξαρτημάτων που αναμένεται να χρειαστεί σε αυτό. Τα πρακτικά οφέλη μιας τέτοιας πρόβλεψης είναι σημαντικά και αφορούν, ενδεικτικά και όχι περιοριστικά, στον καλύτερο προγραμματισμό των παραγγελιών, την ελαχιστοποίηση των ελλείψεων, αλλά και τη μείωση του συνολικού κόστους αποθεμάτων, η οποία επιτυγχάνεται τόσο μέσα από την αποφυγή ενός υψηλού κόστους παραγγελίας/μεταφορικού κόστους σε περιπτώσεις απαίτησης άμεσης παραλαβής του εκάστοτε ανταλλακτικού, όσο και από την αποφυγή διατήρησης πλεονάζοντος αποθέματος ασφαλείας. Αξιοπιστία και Μετασταθμεύσεις Δεν είναι λίγες οι φορές, κυρίως στην στρατιωτική αεροπορία, που υπάρχει απαίτηση μεταστάθμευσης ενός αριθμού αεροσκαφών/ελικοπτέρων εκτός της μητρικής τους μονάδας, είτε προς εκπλήρωση μιας συγκεκριμένης αποστολής, είτε για συμμετοχή σε κάποια άσκηση. Στην προκειμένη περίπτωση, ένα βασικό ερώτημα το οποίο καλούνται να απαντήσουν τα στελέχη της τεχνικής υποστήριξης είναι ποια εξαρτήματα/συσκευές και σε ποια ποσότητα θα πρέπει να μεταφερθούν ώστε, αφενός να ελαχιστοποιηθεί το σενάριο καθήλωσης ενός/περισσότερων πτητικών μέσων και το συνεπαγόμενο υψηλό κόστος αυτού, αφετέρου να μην ξεπεραστεί ο περιορισμός του συνολικού διαθέσιμου βάρους/όγκου για τη συγκεκριμένη μεταφορά. Το συγκεκριμένο πρόβλημα αποτελεί μια ειδική εφαρμογή του γνωστού, από την επιχειρησιακή έρευνα, προβλήματος του σάκου (knapsack problem) [5]. Στο κλασσικό πρόβλημα του σάκου αναζητείται η βέλτιστη επιλογή μεταξύ ενός πλήθους αντικειμένων, όπου το καθένα χαρακτηρίζεται από έναν ορισμένο όγκο αλλά και μια χρησιμότητα, σε ένα σάκο συγκεκριμένης χωρητικότητας, με σκοπό να μεγιστοποιηθεί η συνολική αξία για τον ταξιδιώτη. Κατά αναλογία, στο προαναφερθέν πρόβλημα επιλογής εξαρτημάτων/συσκευών για μια μεταστάθμευση, η πιθανότητα αστοχίας κάθε εξαρτήματος κατά τη διάρκεια αυτής μπορεί να διαδραματίσει το ρόλο της αξίας κάθε πρόσθετου/εφεδρικού ανταλλακτικού, ενώ, ο διαθέσιμος χώρος του μεταγωγικού αεροσκάφους ή όποιου άλλου μέσου μεταφοράς εξοπλισμού επιλεγεί, θέτει τον περιορισμό της συνολικής διαθέσιμης χωρητικότητας. Κατά συνέπεια, η ανάλυση αξιοπιστίας αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για την επίλυση του συγκεκριμένου προβλήματος και τη λήψη μιας βέλτιστης, αλλά και τεκμηριωμένης απόφασης. Πηγές [1] Ebeling, C.E. (2009). An introduction to reliability and maintainability engineering (2nd ed.). McGraw-Hill, Boston, USA. [2] https://extapps.ksc.nasa.gov/Reliability/ [3] History of the Pilot Logbook – Aileron (ailerongroup.co.uk)
Η Επάνοδος των Υπερηχητικών Επιβατικών Αεροσκαφών (Supersonic Transport): Η Νέα Γενιά
Οι πολιτικές αερομεταφορές εισέρχονται σε μια νέα συναρπαστική εποχή, αυτή των υπερηχητικών πτήσεων. Η κατάλληλη αξιοποίηση αυτής της προοπτικής μπορεί να βελτιώσει τις υπηρεσίες που λαμβάνουν οι επιβάτες, μειώνοντας δραματικά το χρόνο ολοκλήρωσης των ταξιδιών τους (βλ. Πίνακα 1), ιδιαίτερα όταν αυτά είναι υπερατλαντικά/μεγάλων αποστάσεων, αλλά και να επιφέρει μεγαλύτερα κέρδη στις αεροπορικές εταιρείες δίνοντας τους τη λειτουργική ευελιξία να πραγματοποιούν περισσότερες πτήσεις ανά ημέρα. Στον παρακάτω πίνακα παρατηρείται η εξοικονόμηση χρόνου αποπεράτωσης πτήσεων με την είσοδο στην εποχή των υπερηχητικών πολιτικών αεροσκαφών (supersonic transport, SST) [1]. Παρά την αυξανόμενη τεχνολογική ανάπτυξη και εμπειρία στο χώρο της αεροναυπηγικής, η σχεδίαση ενός υπερηχητικού αεροσκάφους για πολιτική χρήση (SST) κάτω από τεχνοοικονομικούς και περιβαλλοντολογικούς περιορισμούς, είναι μια σύνθετη διαδικασία με αρκετές προκλήσεις και περιορισμούς. Το φράγμα του ήχου Στις αρχές της δεκαετίας του 1940, υπήρξε ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη μελέτη της περιοχής υψηλών ταχυτήτων, η οποία κυριαρχείται από φαινόμενα συμπιεστότητας. Το Bell X-1, με πιλότο τον σμηναγό Chuck Yeager, ήταν το πρώτο πειραματικό αεροσκάφος που ολοκλήρωσε επιτυχημένη υπερηχητική πτήση στις 14 Οκτωβρίου 1947 σηματοδοτώντας την αρχή της εποχής της υπερηχητικής πτήσης [2]. Τα πρώτα υπερηχητικά πολιτικά αεροσκάφη (SSTs) Το Tupolev Tu-144 και το Concorde αποτελούν τα δύο υπερηχητικά πολιτικά αεροσκάφη αερογραμμών που έχουν επιτυχώς εκτελέσει πτήση μέχρι σήμερα. Το Tupolev Tu-144 αναπτύχθηκε από τη Σοβιετική Ένωση και ήταν το πρώτο πολιτικό αεροσκάφος που εκτέλεσε υπερηχητική πτήση, το 1968, ωστόσο είχε μια σειρά από τεχνικά προβλήματα που το οδήγησαν σε σχετικά άμεση απόσυρση του πριν στο στάδιο παραγωγής του, συμπεριλαμβανομένων των επιπέδων θορύβου στην καμπίνα και των τεχνικών προκλήσεων με τους κινητήρες του. Το Concorde αναπτύχθηκε με τη συνεργασία της Γαλλίας και του Ηνωμένου Βασιλείου και πέταξε για πρώτη φορά το 1969. Θεωρείται η πιο επιτυχημένη ανάπτυξη υπερηχητικού πολιτικού αεροσκάφους αερογραμμών (SST), με την λειτουργία του να σημειώνει περισσότερα από 27 χρόνια. Η απόσυρση του το 2003 οφείλεται σε ποικιλία παραγόντων, όπως τα υψηλά λειτουργικά κόστη και κόστη συντήρησης, τη μείωση της ζήτησης καθώς και το περιβαλλοντικό του αποτύπωμα, σε επίπεδα θορύβου και εκπομπής ρύπων. Παρά την σηματοδότηση του πέρατος των υπερηχητικών πτήσεων, επίσημα το 2003 με την απόσυρση του Concorde, τα δυο αυτά αεροσκάφη αποτελούν υψηλά τεχνολογικά επιτεύγματα της εποχής τους και θεωρούνται ορόσημα της αεροναυπηγικής επιστήμης. Αξιολόγηση της αγοράς των SSTs νέας γενιάς Τα SSTs αναμένονται να εισέλθουν στην παγκόσμια αγορά πολιτικών αεροσκαφών συνυπάρχοντας με τα υποηχητικά, χωρίς όμως να τα αντικαταστήσουν. Υποστηρίζεται ότι τα SSTs χαμηλότερης χωρητικότητας επιβατών έχουν καλύτερες προοπτικές αμεσότερης εισαγωγής στην αγορά εξαιτίας της περιορισμένης ζήτησης και της αναγκαιότητας εκτέλεσης πτήσεων με υψηλή πληρότητα θέσεων. Συγκεκριμένα, τα μικρά υπερηχητικά business jets (SSBJ – Supersonic Business Jet) φαίνονται να είναι η καταλληλότερη αρχική επιλογή για την αγορά, αποτελώντας ταυτόχρονα ένα μέσο ανάπτυξης και ωρίμανσης τεχνολογιών για την επίτευξη μελλοντικών SSTs αερογραμμών (Airliners), διευρύνοντας την αγορά σε μεγαλύτερο πλήθος επιβατών, καλύπτοντας την ανάγκη τους για όλο και ταχύτερη μεταφορά [3]. Επίσης, η εισαγωγή των SSTs είναι πιθανότερο να περιοριστεί αρχικά σε δυνατότητες υπερηχητικής πτήσης αποκλειστικά μόνο πάνω από θάλασσα και υστερόχρονα να διευρυνθεί και πάνω από το έδαφος, εξαιτίας της ανάγκης ανάπτυξης τεχνολογιών περιορισμού των sonic booms [4]. Σε εισαγωγικό επίπεδο, η αγορά των SSTs απευθύνεται στο ίδιο κοινό με αυτή των σημερινών business / 1st class θέσεων, καθώς οι τιμές των εισιτηρίων εκτιμούνται ότι θα είναι παρόμοιες [5], και στους ιδιοκτήτες ιδιωτικών αεροσκαφών. Κανονισμοί και πρότυπα Ανάπτυξη περιβαλλοντικών προτύπων υπερηχητικών αεροσκαφών Στο πλαίσιο της αξιολόγησης και ελέγχου του περιβαλλοντικού αποτυπώματος της πολιτικής αεροπορίας, ο Διεθνής Οργανισμός Πολιτικής Αεροπορίας (International Civil Aviation Organization – ICAO) έχει καθιερώσει διεθνή πρότυπα και συνιστώμενες πρακτικές (Standards and Recommended Practices – SARPs) για την πιστοποίηση αεροσκαφών και αεροκινητήρων. Συγκεκριμένα, ο ICAO μέσω της Annex 16 δραστηριοποιείται σε τέσσερα (4) επίπεδα, αυτά του παραγόμενου θορύβου από τα αεροσκάφη, τις εκπομπές ρύπων των αεροκινητήρων, τα επίπεδα εκπομπών CO2 και τη μείωση εκπομπών άνθρακα (Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation – CORSIA). Αξίζει να σημειωθεί ότι οι κανονισμοί του ICAO ανανεώνονται και συχνά θέτουν πιο αυστηρούς περιβαλλοντικούς κανόνες. Ο ICAO εργάζεται και στην ανάπτυξη προτύπων για τα SSTs, συμπεριλαμβανομένης της θέσπισης διαδικασιών τεχνικών δοκιμών πτήσης για πιστοποίηση θορύβου. Κατά τη διάρκεια του κύκλου CAEP/11 (2016-2019) σημειώθηκε πρόοδος στον εντοπισμό τοποθεσιών μέτρησης θορύβου, στην επιλογή κατάλληλων τρόπων μέτρησης θορύβου και στην αξιολόγηση των επιπρόσθετων δυνατοτήτων που δίδονται από την πρόβλεψη των sonic booms κατά τη φάση πιστοποίησης υπερηχητικής πτήσης. Μια διερευνητική μελέτη σχετικά με τις επιπτώσεις του θορύβου στην φάση της απογείωσης και της προσγείωσης LTO (Landing and Take-Off) θα πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια του κύκλου CAEP/12 (2019-2022), συνεισφέροντας στην καλύτερη κατανόησης του LTO θορύβου και την ανάδειξη των διαδικασιών και των προτύπων περιορισμού του. Αναμένεται ότι η καθιέρωση και υλοποίηση πιστοποιήσεων SSTs αναμένεται να μπορεί να πραγματοποιηθεί μεταξύ των 2020-2025. Καθώς η τεχνολογία μείωσης θορύβου ωριμάζει, η Ομοσπονδιακή Υπηρεσία Αεροπορίας (Federal Aviation Administration – FAA) συνεργάζεται με τη διεθνή κοινότητα για να καθορίσει εάν χρειάζονται αυστηρότερα πρότυπα περιορισμού του παραγόμενου θορύβου. Όταν αυτό συμβαίνει, η διεθνής κοινότητα, μέσω του Διεθνούς Οργανισμού Πολιτικής Αεροπορίας (ICAO), διεξάγει μια ολοκληρωμένη ανάλυση για να καθορίσει τα νέα πρότυπα. Η FAA έχει θεσπίσει όρια στα επιτρεπόμενα επίπεδα εκπομπών θορύβου αεροσκαφών, με τον 14 CFR Part 36 κανονισμό. Τα αεροσκάφη οφείλουν να πληρούν τα θεσπισμένα πρότυπα για τη λήψη νέων ή αναθεωρημένων πιστοποιητικών “τύπου” ή αξιοπλοϊμότητας για λειτουργία τους εντός των Η.Π.Α. Σημειώνεται ότι αυτή τη στιγμή η υπερηχητική πτήση πολιτικών αεροσκαφών απαγορεύεται πάνω από τα εδάφη των ΗΠΑ και σε απόσταση τέτοια που οποιοδήποτε sonic boom φτάσει στις ακτές των ΗΠΑ, χωρίς την έγκριση της FAA, συμφώνως του 14 CFR Part 91.817. Ωστόσο, η FAA έχει ηγετική θέση στη δημιουργία ομοσπονδιακών και διεθνών πολιτικών, κανονισμών και προτύπων για την πιστοποίηση, την ασφαλή και αποτελεσματική λειτουργία των SSTs. SSTs νέα γενιάς Η νέα γενιά SSTs θα είναι περιβαλλοντικά φιλική, οικονομικά βιώσιμη και τεχνολογικά υλοποιήσιμη. Οι τάσεις σχεδιασμού υποδεικνύουν την ανάπτυξη αεροσκαφών με χαμηλά επίπεδα παραγόμενου θορύβου και καυσαερίων και ταυτόχρονα ελαχιστοποιημένη κατανάλωση καυσίμου ανά επιβάτη ανά nmi. Σε επίπεδο βιομηχανίας, οι προσπάθειες ανάπτυξης υπερηχητικών πολιτικών αεροσκαφών επικεντρώνονται κυρίως στις εταιρείες Boom Supersonic [13], Spike Aerospace [14] και την Aerion