Zastosowany w 787 Dreamliner system tłumienia odchyleń spowodowanych podmuchami wiatru wykrywa różnice ciśnienia i przeciwdziałamy im, zanim rozpocznie się bezwładnościowa reakcja samolotu, zmniejszając tym samym skutki zjawiska turbulencji
DZIĘKI wykrywaniu różnic ciśnienia na powierzchni samolotu B787 Dreamliner umożliwia spokojniejszy lot
Już samo myślenie o tym wystarczy, żeby poczuć mdłości: samolot pasażerski natrafia na obszar turbulencji; jego nos unosi się, potem opada, potem znowu unosi. W międzyczasie potężna maszyna zaczyna się kołysać; przechyla się na prawą stronę, następnie na lewą. Podczas tego kołysania, które może potrwać dwie do trzech minut, nawet najbardziej doświadczeni, często latający samolotami pasażerowie zerkają na umieszczone przed nimi papierowe torebki… tak na wszelki wypadek.
Jednak jeśli inżynierom Boeinga powiedzie się, taki scenariusz może się już nie powtórzyć albo przynajmniej może przebiegać znacznie łagodniej. A to dzięki temu, że ten gigant w branży lotniczo-kosmicznej wyposażył swój 787 Dreamliner (http://rbi.ims.ca/5393-596) w technologię stabilizacji lotu, która może pomóc zmniejszyć przechyły wzdłużne, poprzeczne i odchylenia, które pojawiają się, gdy w samolot uderza silny podmuch wiatru.
– Skoncentrowaliśmy się na tych typach reakcji i częstotliwościach, które powodują chorobę lokomocyjną – mówi Mike Sinnett, główny inżynier ds. projektowania systemów 787, pracujący dla Boeinga. – Przyglądamy się cyklom, które mogą trwać od jednej do pięciu sekund i zauważyliśmy w samolocie sporo reakcji częstotliwościowych, nad którymi musimy popracować.
I faktycznie, wynosząca 540 000 funtów masa 787 sprawia, że inżynierowie mają nad czym pracować. Tak olbrzymi ciężar nie reaguje natychmiast, nawet na najsilniejsze podmuchy wiatru.
Ale prawdziwa innowacja opracowanej przez Boeinga technologii stabilizacji lotu leży nie w masie samolotu, ale… w jego elektronice i oprogramowaniu. Aby zachować stabilność, inżynierowie Boeinga wykorzystują kombinacje technologii, przypominających te stosowane w systemie kontroli stabilności samochodu. Czujniki rozmieszczone na kadłubie mierzą zmiany prędkości kątowej i rozkładu ciśnień. Na przykład podmuchy wiatru powodujące odchylenia, pochylenia lub przechyły są wykrywane i rejestrowane przez czujniki żyroskopowe. W podobny sposób pionowe i poziome siły działające na samolot są mierzone przez przyspieszeniomierze. W tym samym czasie czujniki ciśnienia wykrywają zmiany rozkładu ciśnienia na poszyciu samolotu za pośrednictwem wybranej (ale nieokreślonej) liczby statycznych wlotów powietrza.
Wszystkie dane z czujników są następnie przesyłane do centralnych procesorów rozmieszczonych na powierzchni kadłuba samolotu. Inżynierowie firmy Boeing nie chcą powiedzieć, ile ani jakiego typu mikrosterowniki przetwarzają tę „górę” danych z czujników, ale wielkie samoloty pasażerskie zazwyczaj wyposażone są w ponad sto elektronicznych modułów sterujących, którymi zazwyczaj zawiaduje kilka sterowników głównych. Podczas lotu sterowniki te pobierają dane, stosują prawnie chronione algorytmy oprogramowania i określają, jakie kroki należy podjąć. Następnie, stosując techniki elektronicznego sterowania, przesyłają sygnały do silników elektrycznych, które poruszają: sterem kierunku, sterami wysokości, slotami, lotkami i klapolotkami. W rezultacie samolot w sposób niezależny porusza sterami potrzebnymi do skorygowania swojej własnej bezwładnościowej reakcji na podmuchy wiatru.
– Oznacza to, iż jeśli w samolot uderzy boczny podmuch, przeciwdziałamy mu tłumiąc reakcję na ten podmuch – wyjaśnia Sinnett.
Trzeba dodać, że już inni producenci samolotów instalowali wcześniej takie systemy. Ale inżynierowie Boeinga twierdzą, że zastosowana w 787 technologia stabilizacji lotu podnosi poprzeczkę na nowy poziom.
– To nie jest tak, że po prostu wykrywamy reakcję bezwładnościową, a następnie jej przeciwdziałamy – mówi Sinnett. – Wykrywamy różnicę ciśnienia i przeciwdziałamy jej, zanim rozpocznie się bezwładnościowa reakcja samolotu.
Na przykład, jeśli w samolot uderzy silny poziomy podmuch wiatru, system oblicza zmianę ciśnienia na stateczniku pionowym samolotu, a następnie porusza sterem kierunku, by przeciwdziałać temu podmuchowi. Wszystko to dzieje się przed bezwładnościową reakcją samolotu, dlatego właśnie inżynierowie nazywają ten system „systemem tłumienia podmuchów”.
Ta zdolność przewidywania reakcji bezwładnościowej samolotu jest tym, co różni starania Boeinga od wcześniejszych prób. Może być także kluczem do wyeliminowania uczucia nudności, które często towarzyszy przelotom przez obszar turbulencji.
Specjaliści twierdzą, że przemysł lotniczy od lat był o włos od urzeczywistnienia tych wizji w lotnictwie cywilnym. – W przypadku dużych samolotów zawsze istnieje pewne opóźnienie między zmianą kąta natarcia a powstającą siłą nośną – mówi Rakesh Kapania, profesor techniki lotniczej i astronautycznej na Virginia Tech University. – Jeśli użyje się odpowiedniej techniki obliczeń i modelu fizycznego, z całą pewnością można wykorzystać to opóźnienie.
Walka z chorobą lokomocyjną
Boeing twierdzi, że jako firma połączył swoje siły z uniwersytetami z całego świata, by zbadać, w jaki sposób ludzkie ciało reaguje na warunki lotu. Badania – szczegółowo zajmujące się wpływem wysokości, wilgotności, ciśnienia, dźwięków, oświetlenia i przestrzeni na pasażerów – doprowadziły inżynierów do wniosku, że faktycznym winowajcą jest powtarzające się kołysanie góra-dół samolotu lecącego przez strumienie wzburzonego powietrza.
– Jeśli jedziesz samochodem po wyboistej, ceglanej drodze, nie wywoła to choroby lokomocyjnej – mówi Sinnett. – Ale jeśli jedziesz drogą biegnącą przez szereg wzgórz, a każde wzgórze odległe jest od poprzedniego o około 10 sekund jazdy, to wtedy właśnie ludziom zaczyna robić się niedobrze.
W podobny sposób Boeing bierze na cel pionowe podmuchy wiatru powodujące, że samolot zaczyna kołysać się z częstotliwością bardzo podobną do częstotliwości przechyłów samochodu jadącego drogą biegnącą przez szereg wzgórz. Inżynierowie mówią, że skupiają się na tych dłuższych cyklach – trwających zazwyczaj od jednej do pięciu sekund – ponieważ to właśnie one wywołują chorobę lokomocyjną.
W związku z tym elektronika systemu do tłumienia podmuchów niekoniecznie musi powodować, że samolot będzie reagował w mgnieniu oka.
– Samolot to wielka, bezwładna masa – mówi Sinnett. – Mimo iż podmuchy przychodzą i odchodzą bardzo szybko, samolot potrzebuje dyskretnej ilości czasu, żeby rozpoczęła się reakcja bezwładnościowa. Jeśli porówna się szybkość obliczeniową do czasu reakcji bezwładnościowej dużej masy, na przykład samolotu, to jest to jak porównywanie czasu zegarowego… z czasem geologicznym.
Inżynierowie Boeinga twierdzą, że oprogramowanie (o którym nie chcą mówić – konkurencja nie śpi) jest kluczem do właściwego rozpoznania sytuacji i odpowiedniej reakcji. Dzięki inteligentnej analizie danych z czujników i różnicy ciśnień na powierzchni samolotu algorytmy oprogramowania Dreamlinera umożliwiają elektronicznemu układowi sterowania tłumienie wpływu podmuchów wiatru, zanim jeszcze samolot zacznie pochylać się, przechylać czy odchylać od zamierzonego kierunku lotu.
– Przeprowadzamy obliczenia wiele, wiele razy na sekundę – mówi Sinnett. – Mamy dość czasu, by zamknąć pętlę i przesłać polecenia do powierzchni sterowych, zanim samolot rozpocznie reakcję bezwładnościową. Dzięki temu pasażerom nie robi się niedobrze.
|
Wyższe ciśnienie w kabinie, większe okna w Boeingu 787 Dreamliner
Kompozyty sprawią, że lot 787 będzie bardziej komfortowy
Gdy 787 Dreamliner wreszcie wytoczy się z hangaru, to centralne miejsce na scenie prawdopodobnie zajmie opracowana przez Boeinga technologia stabilizacji lotu. Inżynierowie firmy zastosowali także inne systemy, które mają sprawić, że lot będzie bardziej komfortowy. Firma, która połączyła swoje siły z uniwersytetami z całego świata, by zbadać, w jaki sposób ludzkie ciało reaguje na warunki lotu, zastosuje w „liniowcu marzeń” także takie nowinki, jak:
Symulacja mniejszych wysokości. W przeciwieństwie do kabin w samolotach konwencjonalnych, w których ciśnienie odpowiada wysokości 8 000 stóp, w kabinie 787 ciśnienie będzie odpowiadać wysokości 6 000 stóp. Współpracując z Oklahoma State University przy badaniu wpływu wysokości, inżynierowie Boeinga doszli do wniosku, że pasażerowie odczuliby znaczną poprawę samopoczucia na symulowanej wysokości 6 000 stóp. To oznacza zwiększenie ciśnienia w kabinie, co z kolei skutkuje zwiększeniem naprężeń mechanicznych działających na poszycie samolotu. Jednak zastosowanie nowoczesnych materiałów zespolonych sprawia, że kadłub 787 może wytrzymać większe ciśnienie bez nadmiernego zmęczenia materiału.
Wilgotność i oczyszczanie powietrza. W Dreamlinerze, Boeing zwiększy wilgotność i zastosuje technologię filtracji gazów, zmniejszając w ten sposób skutki, jakie wywołuje suche powietrze w kabinie pasażerskiej. Współpracując z Denmark Technical University, Boeing odkrył, że wilgotność nie jest jedynym czynnikiem powodującym występujące po lądowaniu objawy suchości, takie jak podrażnienie oczu i gardła, a także bóle głowy. Dzięki zastosowaniu tak zwanej „technologii filtracji gazów” 787 będzie w stanie odfiltrowywać cząsteczki gazów, których nie są w stanie zatrzymać filtry o bardzo wysokiej sprawności. Rezultat: objawy suchości zostaną zmniejszone o blisko połowę.
Większe okna. Badania wykazały, że pasażerowie chcieliby, żeby okna były większe. Jednak z konstrukcyjnego punktu widzenia, większe wycięcia w kadłubie stanowiły w przeszłości problem. Wykorzystując w większym stopniu nowoczesne kompozyty zamiast aluminium, inżynierowie Boeinga mogli zastosować okna, które są większe niż we wszystkich latających dziś samolotach pasażerskich.
19-CALOWE okna, w jakie wyposażony zostanie 787, będą największymi oknami, jakie zastosowano w samolotach pasażerskich |
|
Kontrola stabilności przekracza granice… branż
Różne systemy wykorzystują te same czujniki i podobne mikrosterowniki
Boeing 787 Dreamliner nie jest jedynym „produktem”, który wykorzystuje technologię stabilizacji. W samochodach systemy stabilizacji i tłumienia odchyleń stosuje się od ponad dekady.
Pod wieloma względami podobieństwa między systemami są uderzające. Oba wykorzystują czujniki żyroskopowe do wykrywania przyspieszeń kątowych. Oba wykorzystują przyspieszeniomierze liniowe do wykrywania sił bocznych. Oba także używają modułów elektronicznych wykorzystujących mikrosterowniki do podejmowania decyzji i przesyłania sygnałów do siłowników. W 787 silniki elektryczne poruszają powierzchniami sterowymi, takimi jak: lotki, stery wysokości i ster kierunku. W samochodach, pompy hydrauliczne i tłoki sterują hamulcami.
Główną różnicą między tymi systemami jest fakt, że Boeing wykorzystuje nieruchome wloty powietrza do pomiaru różnicy ciśnień na powierzchni samolotu. Dzięki temu opracowana przez Boeinga technologia stabilizacji lotu może wejść do akcji, zanim jeszcze zaczną się wzdłużne i poprzeczne odchylenia.
Mimo że inżynierowie Boeinga nie chcą powiedzieć, jakie rodzaje podzespołów elektronicznych zastosowali, producenci mikrosterowników twierdzą, że klienci z branży lotniczo-astronautycznej zazwyczaj korzystają z podzespołów bliższych temu, co jest w danej chwili najnowocześniejsze.
– Przemysłowi lotniczo-astronautycznemu i wojskowemu nie przeszkadzają zawrotne ceny najlepszych podzespołów – mówi Ram Sathappan, kierownik ds. marketingu w Grupie Cyfrowego Przetwarzania Sygnałów w firmie Texas Instruments. – Ilość produkowanych samolotów pasażerskich oraz ich koszt sprawiają, że cena nie jest dla nich tak dużym problemem, jak dla producentów samochodów.
SAMOCHODY od ponad dekady wykorzystują podobny chociaż mniej zaawansowany technicznie, system stabilizacji |
Autor: TEKST: CHARLES J. MURRAY ILUSTRACJE: BOEING
