Morphing-vingar och anpassningsbar struktur 

Ett flygplans vingar kan inte fungera lika effektivt i olika skeden av flygningen på grund av flygplanets traditionella styva struktur. Men när ny teknik dyker upp, kan ingenjörer nu tillverka morphing-flygplan som kan ändra form under flygningen. Morphing-vingarna, som har inspirerats av fåglar, har potentialen att optimera flygprestandan under flygningens olika faser samtidigt som man tar upp viktiga frågor som bränsleeffektivitet, minskning av utsläpp och manövrerbarhet. 

Naturen har länge varit en källa för uppfinningsinspirerande idéer för människan. Forskare har länge varit fascinerade av hur lätt fåglar, insekter och även fiskar kan anpassa sig till deras specifika livsmiljöer. Idéen för morphing-vingar, som imiterar levande djurs förmåga att ändra sin form, inspirerades av dessa naturliga anpassningar. Ingenjörer håller på att skapa vingar som kan ändra deras konfiguration i realtid genom att modellera hur fåglar kan ändra deras vingform under olika flygmanövrer. 

 Hur anpassar sig flygplansstrukturer? 

 Idéen för morphing-vingar refererar till ett antal tekniker som var och en är avsedd att ge en särskild aerodynamisk fördel. Bland dessa mekanismer finns: 

• Vridning och böjning – Vingstrukturens flexibilitet medger förändringar i vingens krökning vilket påverkar lyft och luftmotstånd i olika skeden av flygningen. Mjukare starter, effektivare marschfart och ökad landningsstabilitet möjliggörs av denna förmåga.
• Formminneslegeringar (SMA) – SMA-baserad morphing-vingar använder sig av material som anpassar sig till temperaturförändringar genom att ändra form. Ingenjörer kan utforma vingar med SMA som är inbäddade i vingstrukturen som automatiskt anpassar sig till ändrade flygförhållanden vilket maximerar prestandan och bränsleeffektiviteten.
• Pneumatiska** ställdon** – Dessa ställdon ändrar vingens form genom att blåsa upp eller tömma vissa delar av den med användning av lufttryck. Detta tillvägagångssätt erbjuder en exakt geometrisk kontroll över vingen och kan ändras för att uppfylla olika flygbehov.
• Elektroaktiva polymerer (EAP) – EAP anpassar deras form som svar på elektrisk stimulering. EAP erbjuder morfologiska ändringar av vingarna i realtid när EAP integreras i vingstrukturen vilket förbättrar manövrerbarheten och minskar luftmotståndet.

Ett forskningsprojekt angående morphing-vingar startade 2023 vid Imperial College London för att upptäcka den optimala anpassning av ett flygplans vinge som svar på flygförhållandena. 

Upptag av gränsskiktsflöde (BLI)

Flygplanskroppen och framdrivningssystemet har traditionellt sett betraktats som separata enheter vid utformningen av flygplan som för närvarande är i drift. Som ett resultat av detta närmar sig framdrivningseffektiviteten hos konventionella flygmotorarkitekturer sin gräns, och tekniska genombrott ger minskande avkastning. BLI refererar till placeringen av motorerna närmare flygkroppen vilket gör det möjligt för dem att fånga och ta upp flygplanets gränsskiktsflöde. Fördelarna med BLI inkluderar förbättrad framdrivningseffektivitet, minskat luftmotstånd och bättre bränsleeffektivitet. Ingenjörer vid NASA:s Glenn Research Centre testar denna nya typ av framdrivningssystem i sin höghastighetsvindtunnel Testning kan ta år att slutföra, men organisationen har sagt att den kommer att fortsätta BLI-teknisk forskning och utveckling under de kommande åren.  

Numerisk strömningssimulering (CFD)

Med hjälp av den enorma datorkraft som för närvarande finns tillgänglig är CFD en banbrytande teknik som simulerar och skildrar de invecklade interaktionerna mellan fluider, såsom luft, när de rör sig runt flygplanets ytor. CFD har förändrat flygplanens utformning, prestandaanalyser och testmetoder genom att ge ingenjörer djupgående insikter i aerodynamik och luftflödets beteenden. Den har blivit en hörnsten i nästa generations aerodynamik. 

 I kärnan innebär CFD lösningen på utmanande matematiska ekvationer som kännetecknar fysiken för fluiders rörelse. Dessa ekvationer ger en grundlig beskrivning av hur luft beter sig runt ett flygplans ytor genom att ta hänsyn till variabler inklusive fluidens densitet, hastighet, tryck och viskositet. 

Ingenjörer kan visuellt utforska och analysera många scenarier utan att behöva komplicerade fysiska prototyper med hjälp av CFD-simuleringar, som ger en digital representation av luftflödesinteraktioner genom att diskretisera dessa ekvationer i mindre beräkningsdelar. Ett av de ledande flygbolagen, Airbus, använder CFD för att få en bättre förståelse för aerodynamik och maximera flygplanens effektivitet.  

Urban luftmobilitet och eVTOL

Urban luftmobilitet (UAM) föreställer sig en framtid där elektriska luftfartyg kan lyfta och landa vertikalt (eVTOL) som är utrustade med banbrytande aerodynamik för att transportera passagerare och gods mellan stadskärnor, förorter och andra urbana destinationer. Genom att utnyttja kraften i nästa generations aerodynamik har UAM potentialen att revolutionera stadstransporterna genom att erbjuda snabbare pendling, minskad trafikstockning och ett mer hållbart resesätt. Faktum är att det tyska företaget Volocopter testar användningen av sina Volocity-flygplan vid OS i Paris 2024.  

Nyckelfunktioner hos UAM:

• Vertikal start och landning (VTOL) – UAM-flygplan är byggda med specialiserad aerodynamik som gör det möjligt för dem att utföra vertikal start och landning, vilket förnekar kravet på traditionella landningsbanor. De kan använda tak, helikopterplattor och till och med godkända landningszoner i städer för att bedriva verksamhet tack vare dessa möjligheter.
• Kortdistansflyg – Kortdistansflyg inom städer och förorter betjänas bäst av UAM-flygplan. Jämfört med marktransporter kan dessa flygningar erbjuda snabbare punkt-till-punkt-förbindelser, särskilt under perioder med tung trafik.
• Elektrisk framdrivning – UAM-flygplan använder ofta elektriska framdrivningstekniker för att minska utsläppen, minimera bullerföroreningar och främja mer ekologiskt vänliga stadstransporter.

UAM kan minska trängseln i städer genom att erbjuda ett alternativt transportsätt, minska restiderna genom att kringgå marktrafiken och bidra till globala insatser för att minska koldioxidutsläppen tack vare dess elektriska framdrivning. 

Supersonic-resor

Genom att avsevärt minska flygtiderna innebär supersoniska och hypersoniska resor ett paradigmskifte inom luftfarten som har potential att helt förändra långdistans- och internationella resor. Dessa innovationer förväntas revolutionera flygresorna i framtiden och skapa nya möjligheter tack vare nästa generations aerodynamik. 

 Resa samma dag mellan kontinenter?

Supersonisk flygning överskrider ljudets hastighet, som är cirka 1.235 km/h vid havsnivå och ändras med temperatur och höjd. Den berömda rymden utan avbrott Concorde, ett överljudsflygplan för passagerare, gav en glimt av framtiden för överljudsflyg i slutet av 1900-talet. Concorde pensionerades 2003 till följd av ett flertal operativa och finansiella problem. Men överljudsflygplan har fått ett uppsving och kan komma att tas i bruk igen 2029. 

Det amerikanska flygbolaget Boom Supersonic lade nyligen en order på 20 överljudsflygplan som ska kallas för ”Overture”. Flygplanet med en längd på 201 ft (61 m) använder 100 % hållbart flygbränsle och kan nå hastigheter på upp till Mach 1,7 (2 099 km/tim) – det snabbaste kommersiella flygplanet i världen. Med dessa hastigheter skulle ett flyg från New York till London bara ta 3,5 timmar. 

Slutsats

Nästa generations aerodynamik, i vägkorsningen mellan innovation och nödvändighet, har potentialen att omdefiniera hur vi uppfattar och upplever flygningen. Från det imponerande konceptet med att förändra vingar till de återuppväckta drömmarna om överljudsresor, driver aerodynamiken oss mot en framtid med snabbare, effektivare och mer sammankopplad himmel. Bland storheten med dessa fantastiska innovationer kvarstår utmaningarna. För att utnyttja potentialen i denna nästa generations aerodynamik kommer det att vara nödvändigt att navigera i labyrinterna med material, lagar och infrastrukturer. Detta kommer att garantera att framtidens himmel inte bara är snabbare och effektivare, utan också säkrare och mer hållbar.