BLI, sposób na mniejsze spalanie w samolotach

Cztery główne siły działające na lecący samolot to ciąg jego silnika, opór aerodynamiczny, siła ciężkości oraz siła nośna. Ciąg silnika nadaje mu przyspieszenie, podczas gdy opór aerodynamiczny go zwalnia. Siła nośna zaś działa przeciwko sile ciężkości, unosząc samolot do góry.

Naukowcy z NASA skupili się na części dotyczącej oporu aerodynamicznego i pracują nad pomysłem zwanym Boundary Layer Ingestion, dzięki któremu chcą zmniejszyć zużycie paliwa, koszty użytkowania samolotu i przy okazji zanieczyszczenie atmosfery. Nasz pomysł nie jest całkowicie nowy. My testujemy nowe technologie, które pomogą nam uzyskać korzyści z BLI – przyznaje Jim Heidmann, menedżer w Advanced Air Transport Technology Project w Glenn Research Center.

Gdy samolot porusza się w powietrzu wokół kadłuba i skrzydeł tworzy się warstwa wolniej poruszającego się powietrza, które stawia dodatkowy opór aerodynamiczny. Warstwa ta jest zwana warstwą graniczną. Przed poruszającym się samolotem grubość warstwy granicznej wynosi 0. Tworzy się ona w miarę przemieszczania się statku przez powietrze i w tyle samolotu może mieć grubość kilkudziesięciu centymetrów. W konwencjonalnych samolotach warstwa ta po prostu przesuwa się wzdłuż kadłuba, a następnie miesza z powietrzem za samolotem.

Jednak sytuacja zupełnie ulega zmianie, jeśli na drodze warstwy granicznej ustawimy silniki. Można je umieścić na przykład na końcu samolotu, bezpośrednio nad kadłubem lub za nim. Wówczas wolniejsze powietrze warstwy granicznej trafia do silników, jest w nich przyspieszane i wyrzucane z dużą prędkością z tyłu. I nie ma tu znaczenia, czy powietrze to zostanie skompresowane, wymieszane z paliwem i spalone, czy też po prostu przepłynie przez silnik. Powietrze to nie wpływa na moc silnika. Korzyść polega na tym, że przyspieszając to powietrze zmniejszamy opór wywierany przez warstwę graniczną. Tam ciągle jest opór. Ciągle mamy tutaj straty energii na jego pokonanie, ale straty te są mniejsze – wyjaśnia Heidmann. Skoro zaś zmniejszamy opór, to zużywamy mniej paliwa na jego pokonanie. To wszystko dobrze wygląda na papierze, jednak przełożenie tych założeń na praktykę nie jest łatwe.

W konwencjonalnej konstrukcji, przy silnikach umieszczonych pod skrzydłami łopatki turbin wystawione są na działanie równomiernego strumienia powietrza. To idealna sytuacja dla projektantów silników, gdyż łopatki turbiny wraz z każdym obrotem napotykają na takie same warunki prędkości i ciśnienia powietrza. Gdybyśmy jednak umieścili silniki z tyłu, łopatki narażone są na dodatkowe naprężenia spowodowane nierównomiernym przepływem powietrza.

Dlatego też NASA zbudowała prototypowy silnik zdolny do przetrwania niekorzystnych warunków i testuje go w tunelu aerodynamicznym. Prowadzimy te eksperymenty, gdyż wciąż nie wiemy, jak powinien być zaprojektowana turbina pracująca z powietrzem o tak zaburzonym przepływie. To tak jakby co chwila uderzać w łopatki młotkiem – mówi Heidmann.

Wstępne wyniki testów pokazały, że możliwe jest stworzenie odpowiedniego silnika. Jednak konieczne są dodatkowe próby, które pozwolą stwierdzić, czy cięższy, mniej aerodynamiczny silnik nie spowoduje, że utracimy całe korzyści związane ze zmniejszeniem oporu.

Naukowcy z NASA przygotowali kilkanaście projektów samolotów, które mogłyby korzystać z BLI. Agencja ma nadzieję, że co najmniej jeden z projektów zostanie wykorzystany w testowych samolotach X, za pomocą których NASA chce w przyszłej dekadzie w praktyce testować zaawansowane technologie lotnicze.

Boundary Layer Ingestion spalanie samolot silnik warstwa graniczna