A321neo DLH Warto śledzić lotnicze nowości. Technologia bowiem wędruje, i np. to co stosuje się w wysoko zaawansowanym technicznie lotnictwie, może z czasem trafić do przedmiotów codziennego użytku, chociażby samochodów. Elementy awioniki lotniczej w tym wyświetlacz przezierny HUD już tam trafiły. Ale czy ktoś nie chciałby mieć samochodu, którego szyby stają na życzenie nieprzezroczyste? Okazuje się, że to wcale nie fantazja…

 

Zmiany we współczesnym lotnictwie następują coraz szybciej. I to zarówno w szeroko pojętym lotnictwie cywilnym, jak i lotnictwie woskowym (bojowym). Bardzo istotnie zmienia się nie tylko sposób konstruowania, ale przede wszystkim stosowane w lotnictwie materiały konstrukcyjne. To z kolei pociąga za sobą daleko idące zmiany technologiczne, zarówno na etapie konstrukcyjnym, jak i w samej technologii produkcji.

Najbardziej zauważalną tendencją jest stosowanie w konstrukcjach płatowców materiałów coraz lżejszych, a zarazem coraz wytrzymalszych, dążąc tym samym do obniżenia masy statków powietrznych, a tym samym zwiększenia masy transportowanego ładunku użytecznego, oraz zwiększenia zasięgu. Obecna technologia materiałowa pozwala już na obecnym etapie budować statki powietrzne i ich napędy o takich właściwościach, o jakich jeszcze dekadę temu trudno było w praktyce myśleć.

 

2013 ASR JP 042

F-16 - fot. Jarosław Paszyn

 

Samoloty dawniej...
Początkowo głównym materiałem konstrukcyjnym płatowców było drewno, stal, a do pokrycia używano płótno a nawet papier. Także konstrukcje bojowych czy transportowych  samoloty pierwszego okresu II Wojny Światowej opierały się głównie na tych materiałach. Jeden z   najpopularniejszych samolotów torpedowo-bombowych, używany zresztą przez Royal Navy aż do końca II WŚ, Fairey Swordfish (Miecznik), był konstrukcją  lat 20. ubiegłego wieku. Już na początku wojny był daleko przestarzały. Co jednak nie ograniczyło jego skuteczności w boju (torpedy Swordfish’ów zatopiły np. pancernik „Bismarc”, chlubę niemieckiej floty). Samolot ten był dwupłatem o konstrukcji kratownicy metalowej, krytej płótnem. Jedynie przednia część kadłuba kryta był blachą.
Podobnie jeden z bardziej znanych myśliwców brytyjskich, Hawker Hurricane, chociaż odegrał w II WŚ ogromną rolę, był już na wejściu do produkcji (druga połowa lat 30. XX w.) technologicznie przestarzały. Kadłub miał również konstrukcję stalowej kratownicy, przód kryty blachą, ale tylna cześć kadłuba i skrzydła nadal kryta płótnem. Dopiero później zaczęto spodnią cześć skrzydeł, a następnie i górną, kryć blachą.
Dopiero samolot myśliwski Supermarine Spitfire był nowoczesny, jak standardy pierwszej połowy lat 40. Miał już płatowiec o konstrukcji skorupowej, całkowicie metalowy, łącznie z pokryciem.
Jednak potem rozwój już zdecydowanie przyśpieszył. Druga połowa lat 40. XX w. to początek stosowania, w konstrukcji płatowców, paneli warstwowych z lekkim rdzeniem w kształcie plastra miodu. Pozwoliło to na zmniejszenie masy samolotu, obniżając zużycie paliwa przy jednoczesnym zwiększeniu jego zasięgu.
Lata 50. i 60. ubiegłego wieku to początek wprowadzania kompozytów oraz tytanu. Wiązało się to ze zwiększeniem prędkości lotu samolotów, głównie jeśli chodzi o lotnictwo wojskowe, ponieważ samoloty bojowe zaczęły osiągać prędkości supersoniczne (naddźwiękowe), a więc znacznie bardziej rozgrzewały się w czasie lotu na skutek tarcia o atmosferę.

 

2013 ASR JP 021

fot. Jaroslaw Paszyn

 

... i zmiany istotne w lotniczej  technologii do dziś...

Natomiast lata 80. to już radykalne zmiany. Zaczęto używać wysoko zaawansowanych technologicznie kompozytów polimerowych, wykonywanych techniką RTM (Resin Transfer Moulding), oraz kompozyty mieszane na bazie stopów aluminium i tytanu (są one wykonywane tzw. metodą AFP-Automated Fiber Placament). Tych kompozytów używa się np. w budowie myśliwców piątej generacji, takich jak F-22 Raptor.
Obecnie jedną z najczęściej stosowanych w lotnictwie odmian kompozytów są kompozyty o osnowie ceramicznej – tzw. CMC (Ceramic Matrix Composites). Obecny stan wiedzy technologicznej już pozwala na budowę samolotów wykonanych prawie wyłącznie z kompozytów, oczywiście chodzi tu o płatowiec, (np. bombowiec Nortrop Grumman B-2 Spirit, czy myśliwski Eurofighter). I należy się spodziewać, że proces ten będzie się pogłębiał, wchodząc w fazę stałej tendencji.

 

A to co je napędza....
Istotne zmiany zachodzą także w technologii materiałowej silników turboodrzutowych. Zaczyna się w nich coraz częściej stosować włókna ceramiczne, a także np. kompozyty typu C-C: węgiel – węgiel lub węglik krzemu-węglik krzemu. Prognozowane są one jako jedne z głównych materiałów do budowy nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych różnych typów silników odrzutowych. Co prawda wadą ich jest kruchość, natomiast ogromną zaletą możliwość pracy w temperaturach rzędu 2500o C.
Z kolei kompozyty ceramiczno-metalowe stosuje się w dyszach silników turboodrzutowych, jak i w samym środku konstrukcji silników. Oparty na nich specjalny system chłodzenia strumienia gazów wylotowych umożliwia obniżenie temperatury z typowej (ok. 800 st, C) do zaledwie 400 st. C, co przedłuża żywość tych elementów, a w przypadku samolotów bojowych wręcz uniemożliwia namierzenie samolotu detektorami podczerwieni.
Innym materiałem konstrukcyjnym, który zaczyna być coraz powszechniej stosowany w silnikach turboodrzutowych, jest kompozyt  tytanowy. W nim z kolei próżniowo na strukturę tytanu nanosi się włókna ciągłe z węglika krzemu. Wytwarza się  z niego łopatki silników nowej generacji  (stosowane już np. w silnikach firmy Pratt&Whitney). Jest to kompozyt bardzo wszechstronny, ponieważ używany jest także w  elementach podwozi samolotów (np. Boeing C- Globmaster III).
Przykładem takiego kompozytu jest np. Kevlar K9 i K149. Często służą one jako dodatkowe pokrycia w samolotach i śmigłowcach bojowych. Ich wytrzymałość pozwala na ochronę załogi wewnątrz  samolotu lub śmigłowca bojowego nawet przed skutkami trafienia przeciwpancernymi i odłamkowo-burzącymi głowicami kalibru 23 mm.
Kevlar, w połączeniu ze stalą stosuje się już w wirnikach śmigłowców. Głowice wirników wykonane są ze stopów aluminium i stali, co zapewne tak szybko się nie zmieni. Natomiast zmiany zachodzą w technologii i konstrukcji łopat wirnika głównego. Często zaczyna się łączyć stalowe dźwigary łopaty wirnika (pięć warstw nierdzewnej stali ) z rurami wykonanymi z włókna szklanego. Elementem nośnym dodatkowo są 22 warstwy  laminatowych płyt, a uszkodzenie nawet 10 z nich nie wpływa na własności łopaty, a więc nie zakłóca pracy całego wirnik, ani siły nośnej. Całość kryta jest kevlarem i blachą stalową, a krawędzie natarcia wykonuje się ze stopu tytanowo-aluminiowego. Otrzymuje się w ten sposób łopaty wirnika o doskonałych własnościach aerodynamicznych, których żywotność przedłużona została do 4500 godzin bezawaryjnej pracy w locie.

 

Ale to nie koniec...
Pewne jest, że w bliższej lub dalszej przyszłości wchodzić będą w lotnictwie nowe kompozyty, a ich udział w budowie będzie nadal rósł, choć obecnie już w niektórych płatowcach sięga on nawet 90%. Do takich, przyszłościowych kompozytów zalicza się np. kompozyty, w których wzmocnieniem strukturalnym są włókna o podwyższonych właściwościach wytrzymałościowych i cieplnych. Są to tzw. kompozyty Advanced plastic Composites (AC), oraz High Performance plastic Composites (HPC). Stosuje  się  w nich włókna tytanowe, borowe, węglowe lub grafitowe, a także z węglika krzemu oraz aramidowe. Wydają się one być przyszłością technologii konstrukcyjnej lotnictwa.

 

2013 ASR JP 065

Ił-76 MD - fot. Jarosław Paszyn

 

Okna w samolotach, nie takie proste w budowie...
Bardzo ciekawe rzeczy dzieją się też na polu przeźroczystych elementów kadłuba statku powietrznego, a więc owiewek kabin, czy okien w kabinach pasażerskich. W tej dziedzinie przodują z kolei Rosjanie. Są oni już teraz właścicielami patentu specjalnych szyb pancernych, w tym do użytku lotniczego. Szyby takie, zbudowane z wysokowytrzymałego bloku szkła i polimerów, są w stanie wytrzymać bezpośrednie, trzykrotne trafienie w to samo miejsce pociskiem pistoletowym lub karabinowym kal. 7,62 mm,  oraz zapewnić skuteczną ochronę załogi lub pasażerów przy kolizji z ptakiem o masie do 1,8 kg przy prędkości zderzenia rzędu 650 – 750 km/h.
Pracuje się także nad szybami, wykorzystującymi zjawisko elektrochromatyzmu. Zjawisko to polega na zmianie przeźroczystości szyby pod wpływem prądu elektrycznego. Pomiędzy dwoma warstwami przeźroczystego szkła i tworzywa sztucznego, wprowadza się warstwę przewodzącą z powłoką ciekłego kryształu. Mechanizm zjawiska polega na tym, że pod wpływem prądu elektrycznego cząsteczki kryształu porządkują swoją strukturę molekularną, układają się w linie i szyba staje się tym samym przeźroczysta. Kiedy przepływ prądu zanika, molekuły kryształu tracą wewnętrzne uporządkowanie liniowe, i szyba traci przeźroczystość. Rosjanie osiągnęli już zmienność stopnia przeźroczystości szkła od 2-5% do 70-80%, a więc od szkła praktycznie matowego, do prawie całkowicie przeźroczystego. Co więcej, w zależności od zastosowanego szkła, tworzywa sztucznego i rodzaju kryształu, szyby mogą zmieniać nie tylko stopień przeźroczystości, ale i barwę.

 

Dawniej „na czuja”, dzisiaj to komputery w pełni kontroluja każdą fazę lotu
Istotne zmiany zachodzą bardzo dynamicznie w elektronice lotniczej, a więc awionice. Już niedługo prawdopodobnie wejdą do użytkowania nowe, dużo szybsze komputery, w czym udział, i to znaczący, mogą mieć także Polacy.  A to za sprawą zespołu profesora Tomasza Storego z Instytutu Fizyki PAN. On i jego zespół opracowali specyficzny materiał, a konkretnie nowy rodzaj procesora, czyli serca każdego komputera. Dzięki procesorowi nowej generacji komputery staną się szybsze, wydajniejsze w obliczeniach i będą mogły ulec kolejnej miniaturyzacji. Zespół profesora Tomasza Storego opracował materiał, za pomocą którego stanie się możliwe  stworzenie w formie użytkowej  nowej generacji procesorów dużo szybszych i wydajniejszych od obecnie funkcjonujących i użytkowanych.  Materiał o nazwie topologiczny izolator krystaliczny to rodzaj kryształu zbudowanego z atomów ołowiu, cyny i selenu. Jako jedyny na świecie łączy ze sobą trzy różne właściwości konieczne do stworzenia tranzystora – podstawowej cegiełki budującej komputery. Kryształ jest jednocześnie izolatorem, przewodnikiem i półprzewodnikiem – tłumaczy profesor Story. Warunki idealnego izolatora nieprzewodzącego elektryczności panują wewnątrz kryształu. Z kolei na powierzchni kryształ zachowuje się jak materiał będący świetnym przewodnikiem prądu oraz półprzewodnik pozwalający na wykonywanie kontrolowanych obliczeń.
Oprócz zwiększenia możliwości obliczeniowych, komputery takie będą zajmowały mniej miejsca, będą lżejsze i nie będą wymagały tak intensywnego chłodzenia. Polepszy się wtedy także bilans energetyczny statku powietrznego, ponieważ wydatek energetyczne na proces (zwłaszcza awioniki)chłodzenia jest zawsze stosunkowo wysoki.


Jak więc widać, w dziedzinie technologii lotniczej, zarówno od strony konstrukcyjnej, poprzez stosowane materiały, aż po technologię produkcji i własności użytkowe, zdarzy jeszcze wiele ciekawych rzeczy...


Maciej Ługowski