Latająca platforma badawcza

Zaprojektowany i konstruowany przy wykorzystaniu najnowszych zdobyczy techniki bezzałogowy model badawczy nowoczesnego samolotu pasażerskiego – IEP, już niedługo wzbije się w powietrze

Nieustający wyścig pomiędzy dwoma gigantami lotniczymi: firmą AIRBUS i BOEING spowodował wzrost nakładów finansowych na programy badawcze związane z lotnictwem. Przemysł dostrzegł na nowo ogromne korzyści płynące z angażowania wyższych uczelni, ośrodków badawczych i zewnętrznych przedsiębiorstw w realizowane projekty.

NACRE – Novel Aircraft Concept Research

Realizowany w ramach szóstego programu ramowego Unii Europejskiej, projekt NACRE – Novel Aircraft Concept Research, (współfinansowany przez AIRBUS-a) jest jednym z tego typu przedsięwzięć. Uczestniczy w nim także Polska. W ramach NACRE opracowywane i sprawdzane są nowe rozwiązania techniczne, które będą wdrażane i użytkowane w pasażerskich samolotach przyszłości.

IEP – Innovative Evaluation Platform – mały samolot badawczy

Jednym z tematów realizowanych w ramach NACRE jest projekt IEP – Innovative Evaluation Platform. Założeniem projektu jest budowa bezzałogowego obiektu, będącego pomniejszoną kopią samolotu pasażerskiego, który ma pełnić funkcję latającej platformy badawczej. IEP będzie podobny pod względem właściwości lotnych jak i geometrycznym (podobieństwo geometryczne masowe i dynamiczne) do obecnie użytkowanych, średniej wielkości samolotów pasażerskich. Dzięki zachowaniu skali podobieństwa, możliwe będzie odniesienie wyników prób w locie IEP, do rzeczywistych parametrów pełnowymiarowego samolotu.

Cel projektu

Informacje, gromadzone zarówno podczas testów w tunelu aerodynamicznym, jak i w trakcie prób modelu w locie, zostaną przeanalizowane pod kątem oceny ich przydatności w procesie projektowania pasażerskich samolotów przyszłości. Głównymi obszarami zainteresowań są: pomiar natężenia hałasu generowanego przez zaproponowany układ aerodynamiczny płatowca oraz pomiar charakterystyk dynamicznych tego układu.

Model zostanie poddany również serii skomplikowanych testów, podczas których będzie przeprowadzona symulacja awaryjnych stanów lotu, takich jak np.: utrata jednej z powierzchni sterowych, usterka lub odcięcie jednego z silników, przekroczenie dopuszczalnej prędkości do lądowania itp. Wnioski z badań przyczynią się do podniesienia poziomu bezpieczeństwa i niezawodności samolotów pasażerskich.

Aby cały program prób zakończył się sukcesem, potrzebny jest kompleksowy projekt w ramach, którego szczegółowo zostaną przeanalizowane zagadnienia dotyczące aerodynamiki i wytrzymałości struktury, „niewielkiego” samolotu. Analogicznie jak w przypadku każdego załogowego samolotu.

Projekt koncepcyjny i strukturalny IEP opracowują specjaliści (inżynierowie) związani z wydziałem Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej (MEiL PW). Kierownikiem projektu ze strony polskiej jest prof. Zdobysław Goraj. Kompozytowa struktura IEP zaprojektowana na wydziale MEiL PW zostanie wykonana przez firmę z Polski MSP Innovative Technology.

Projekt IEP a Unigraphics NX

Innovative Evaluation Platform od samego początku powstaje przy wykorzystaniu zintegrowanego sytemu CAD/ CAM/ CAE/ PDM Unigraphics NX4. Wszystkie szkice, wizualizacje, geometria modelu i rysunki wykonawcze zostały sporządzone przy pomocy dostępnych funkcji i modułów systemu. Jest to samolot który w całości powstanie w komputerze z wykorzystaniem najnowszych zdobyczy techniki. Przy realizacji IEP wykorzystywane są frezarki i obrabiarki sterowane numerycznie.

Projekt wstępny 2D zakładał stworzenie kilku koncepcji aerodynamicznych płatowca, wśród których znalazły się konstrukcje mniej lub bardziej „egzotyczne”, np.: o układzie „kaczki” czy konstrukcja posiadająca skrzydło o ujemnym skosie i usterzeniu typu H.

Przy opracowywaniu większej liczby płaskich rysunków na potrzeby projektu samolotu bezzałogowego, parametryczny opis geometrii oferowany przez UG NX4 jest niezastąpiony. Umożliwia prostą modyfikację początkowego obiektu i tworzenie na jego podstawie kolejnych wersji, bez zbędnego nakładu pracy. Tak właśnie powstały 22 różne koncepcje samolotu. Tylko jedna z nich została zaakceptowana. Trójwymiarowa geometria IEP w wersji nr 15 stała się „bazą” do dalszych prac.

W oparciu o tę „bazę” utworzono strukturę modelu, wszystkie wręgi, podłużnice, żebra, elementy pokrycia oraz zaplanowano rozmieszczenie wyposażenia pokładowego. Zadanie to nie było proste, ze względu na skomplikowaną strukturę obiektu. Trzeba wziąć pod uwagę wiele istotnych szczegółów, takich jak np.: położenie i miejsca prowadzenia kabli, przewodów paliwowych, zapewnienie odpowiedniego chłodzenia układom elektronicznym itp. W każdej konstrukcji lotniczej nie wolno zapomnieć o dogodnym dostępie do głównych elementów wyposażenia, dzięki któremu możliwa jest ich późniejsza, swobodna eksploatacja.

Pojawiające się co jakiś czas modyfikacje dotyczące projektu pociągały za sobą zmiany w koncepcji strukturalnej IEP i związane z nimi problemy. Na ich przezwyciężenie pozwoliła dostępna w systemie UG NX4, dobrze zorganizowana struktura plików opisujących geometrię poszczególnych elementów i ich wzajemnych powiązań, złożeń. Dodatkowo na szczególną uwagę zasługuje rozbudowany moduł do-tyczący modelowania powierzchni Surface i Mesh Surface, bez którego nie możliwe było by stworzenie geometrii 3D samolotu IEP.

Modułowa budowa modelu

Jednym z głównych założeń projektu jest jego modułowość. IEP będzie zbudowany z komponentów, które w razie uszkodzenia lub potrzeby modyfikacji będą wymieniane. Takie rozwiązanie umożliwia realizację wielu zadań przy pomocy tego samego modelu. Wymieniając chociażby tylko tylną część kadłuba i wstawiając zamiast zbiornika paliwa wagę aerodynamiczną, można wykorzystać jeden model do dwóch zadań: testów w locie i pomiarów w tunelu aerodynamicznym. Dodatkowo, zamiana płata lub usterzenia daje szanse na zmodyfikowanie zarówno charakterystyk aerodynamicznych i dynamicznych płatowca. Możliwości są nieograniczone.

Ciekawostki dotyczące IEP

IEP jako model bezzałogowy, będzie posiadał wiele pomysłowych i niekonwencjonalnych rozwiązań. Jednym z ciekawszych jest składany w nosie kadłuba (podobnie jak w znanym szybowcu Stemme), dodatkowy napęd elektryczny AEPU (Auxiliary Electric Power Unit). Umożliwi on sprowadzenie maszyny bezpiecznie na ziemię w dwóch przypadkach: podczas awarii obu silników turbinowych oraz w sytuacji, gdy silniki są wyłączone, a w próbie mierzony jest poziom natężenia hałasu generowanego przez sam samolot.

Inną propozycją, również odnoszącą się do kwestii bezpieczeństwa, jest zastosowanie profesjonalnego spadochronowego systemu ratunkowego oraz podwojenie niektórych systemów sterowania. Uwzględniając niebagatelną masę IEP, która ma wynosić ~ 100kg, w razie awarii lub utraty kontroli nad IEP, system spadochronowy pozwoli sprowadzić samolot bezpiecznie na ziemię.

Warto też zauważyć dość nietypowe rozwiązanie, jakim jest możliwość startu przy pomocy odczepianego wózka startowego.

Z ostatniej chwili

Obecnie trwają prace nad realizacją struktury modelu przez firmę MSP. Zostanie ona poddana próbom wytrzymałościowym. Po przejściu pomyślnie wszystkich przewidzianych w projekcie testów, model trafi do tunelu aerodynamicznego w Instytucie Lotnictwa. Następnie na uniwersytecie w Stuttgarcie, zostanie przeprowadzony montaż i integracja wszystkich systemów pokładowych samolotu. Tak przygotowana maszyna będzie gotowa do zaplanowanych prób w locie, które zostaną przeprowadzone w Polsce w drugiej połowie 2008 roku.

Czas pokaże, jak rozwinie się projekt „małej”, ale ambitnej w założeniach konstrukcji, czy pokładane w IEP nadzieje spełnią oczekiwania konstruktorów. Realizacja skomplikowanego projektu wymaga optymalnej koordynacji wszystkich działań. Wykorzystanie tak potężnego narzędzia, jakim jest niewątpliwie UG NX4, w znacznym stopniu przyczyniło się do przyśpieszenia procesu projektowa-nia, a zarazem umożliwiło swobodną ko-munikację z innymi uczestnikami prac nad IEP.

Jaki będzie efekt końcowy tego przedsięwzięcia? Przekonamy się o tym już wiosną tego roku.

Łukasz Stefanek

TRAC TOOL DESIGN POLSKA 

Marcin Szender

oraz MSP IT, współpracownik MEIL PW

Autor: Tekst: Łukasz Stefanek Marcin Szender