Przemysł z pamięcią kształtu

Rola bezzałogowych statków powietrznych

Bezzałogowe statki powietrzne, zwane potocznie dronami, w ostatnich latach szturmem wdarły się do przestrzeni powietrznej, nierzadko kolidując z ruchem lotniczym. Dzięki sprzyjającemu ustawodawstwu Polska należy do czołówki europejskich państw o największej liczbie operatorów i pilotów bezzałogowych statków powietrznych (ponad 100 tys.). To przekłada się także na możliwości rozwoju rynku oraz prowadzenia prac badawczych. Połączenie koncepcji statków powietrznych i ich zmiany kształtu nie jest nowym zagadnieniem. Od ponad ćwierć wieku istnieją patenty organizacji rządowych a także przedsiębiorstw produkujących samoloty na wykorzystanie w nich materiałów z pamięcią kształtu. Dzięki spopularyzowaniu bezzałogowców finansowo możliwe stało się prowadzenie badań także przez naukowców przy wielokrotnie mniejszych kosztach niż w lotnictwie pasażerskim.

Materiały inteligentne w lotnictwie

Prezentowane badania zostały zrealizowane w Politechnice Lubelskiej w ramach programu LIDER IX finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w latach 2019-2022. W projekcie zastosowano siłowniki z materiału z pamięcią kształtu w celu zwiększenia osiągów aerodynamicznych bezzałogowego helikoptera [3-5]. Ta bezzałogowość wynika z maksymalnej masy startowej do 150 kilogramów a także średnicy wirnika wynoszącej 2 metry.

Koncepcja opierała się na możliwości zwiększenia operacyjności wiropłata poprzez zmianę kąta geometrycznego skręcenia łopaty wirnika. Opcjonalnie podobny efekt energetyczny na wirniku można by osiągnąć, wykorzystując tzw. listwy Gurneya, trymery lub też zmieniając kąt natarcia łopat. Jak wskazano w pracy [6], należy podkreślić, że geometria wirników wiropłatowych jest kompromisem pomiędzy efektywnością lotu wyrażoną zużyciem paliwa podczas wykonywanej misji a zdolnością operacyjną wyrażoną maksymalną siłą ciągu wirnika. Obie cechy wirnika są sobie przeciwstawne i podczas projektowania geometrii wirnika nie osiąga się jednoczesnej maksymalizacji obu parametrów. W jednym wariancie geometrii wirnik zapewnia zwiększoną efektywność lotu, ale charakteryzuje go zmniejszony maksymalny ciąg. W drugim wariancie wirnik generuje zwiększony ciąg, potrzebny zwłaszcza podczas pionowego startu i lądowania. Siłowniki z materiału z pamięcią kształtu zapewniają przełączanie pomiędzy tymi wariantami.

Badania nad materiałami z pamięcią kształtu

W oparciu o uzyskane wyniki ze stacjonarnych badań stanowiskowych wykonano ocenę bilansu masowego potencjalnego wiropłata w trakcie wykonywania misji transportowej. Przyjęta misja obejmowała następujące fazy:

• rozruch i grzanie silnika,
• przejście do zawisu i zawis,
• lot z prędkością optymalną,
• zawis i operacje okołozawisowe,
• zawis i lądowanie.

Założono, że całkowity czas trwania misji wyniesie 60 minut. Przyjmując typowe widmo eksploatacji wiropłata o masie startowej 150 kg wykonującego zadania zgodnie z przedstawionym profilem, otrzymano zmniejszenie zużycia paliwa o ponad 3%. Zakładając roczny czas eksploatacji na poziomie 500 h oraz cenę paliwa 5,75 zł/l (średnia cena z akcyzą na polskich lotniskach w czerwcu 2023 r., www.dlapilota.pl) i po przeliczeniu na objętość, otrzymujemy kilka tysięcy złotych rocznych oszczędności na samym paliwie. Masa pojedynczego siłownika wraz z czujnikami nie przekracza 100 gramów.

Należy zauważyć, że technologia została przetestowana w warunkach nietypowych i intensywnych obciążeń. Oprócz poprawności działania siłowników niezbędne było zapewnienie powtarzalności ich pracy w trzech łopatach wirnika jednocześnie wraz z możliwością sterowania w czasie rzeczywistym a także przy wysokiej prędkości obrotowej wirującego zespołu. Na takie obciążenia nakładały się też wszystkie parametry związane ze strukturą kompozytowej łopaty wirnika, jej wyważeniem, sztywnością i wytrzymałością. Opracowana technologia może być szczególnie atrakcyjna dla przemysłu i branż mniej restrykcyjnych niż lotnictwo. Zwłaszcza że istnieje możliwość dowolnej jej adaptacji do innych zastosowań.

Więcej informacji:

• publikacje naukowe – https://www.researchgate.net/profile/Ksenia-Siadkowska
• kontakt: https://www.linkedin.com/in/ksenia-siadkowska-64a670166/

Piśmiennictwo

1. Dye T.E.: An Experimental Investigation of the Behaviour of Nitinol. Virginia Politechnic Institute and State University, 1990.
2. Mohd Jani J., Leary M., Subic A. and Gibson M.A.: A Review of Shape Memory Alloy Research, Applications and Opportunities. „Materials and Design”, 2014, vol. 56, pp. 1078-1113. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.11.084.
3. Siadkowska K., Raczynski R. and Wendeker M.: Numerical Analysis of the Rotor in the Co-Simulation Methodology. „IOP Conference Series: Materials Science and Engineering PAPER”, 2019, vol. 710, no. 012009, 2019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/710/1/012009.
4. Raczyński R., Siadkowska K., Ścisłowski K. and Wendeker M.: An Assessment of the Transient Effect on Helicopter Main Rotor Stability and Power Demand. „Combustion Engines”, 2022, pp. 3-8. https://doi.org/https://doi.org/10.19206/CE-146695.
5. Ścisłowski K. and Siadkowska K.: Comparative Stress Analysis of Actuator Models Using Smart Material Alloys. „AIP Conference Proceedings”, 2021, vol. 2429, no. 020034. https://doi.org/10.1063/5.0070663.
6. Raczyński R.: Aerodynamika wirnika nośnego ze sterowanym skręceniem geometrycznym. Lublin University of Technology, 2022.

Ksenia Siadkowska
Politechnika Lubelska
Kontakt z autorką:
https://www.linkedin.com/in/ksenia-siadkowska-64a670166/

Galeria

Zobacz więcej