Skrzydła samolotu nie są w stanie funkcjonować równie skutecznie na różnych etapach lotu ze względu na tradycyjną sztywną konstrukcję samolotu. Jednak dzięki opracowaniu nowych technologii, inżynierowie mogą teraz tworzyć projekty samolotów morfujących, które potrafią zmieniać kształt podczas lotu. Skrzydła morfujące są inspirowane ptakami i mają potencjał optymalizacji wydajności lotu w różnych jego fazach, rozwiązując jednocześnie ważne kwestie, takie jak zużycie paliwa, redukcja emisji i zwrotność.

Natura od dawna jest dla ludzi źródłem pomysłów inspirujących wynalazczość. Naukowcy od lat fascynują się tym, jak łatwo ptaki, owady, a nawet ryby przystosowują się do swoich specyficznych siedlisk. Pomysł morfujących skrzydeł, które imitują zdolność żywych zwierząt do zmiany kształtu, został zainspirowany tymi naturalnymi adaptacjami. Inżynierowie tworzą skrzydła zdolne zmieniać swoją konfigurację w czasie rzeczywistym, dzięki modelowaniu sposobu, w jaki ptaki zmieniają kształt skrzydeł podczas różnych manewrów w trakcie lotu.

Idea „skrzydeł morfujących” odnosi się do szeregu technik, z których każda ma na celu zapewnienie określonej przewagi aerodynamicznej. Wśród tych mechanizmów można wyróżnić:

Skręcanie i zginanie– Elastyczność konstrukcji skrzydła pozwala na zmiany krzywizny skrzydła, które wpływają na siłę nośną i opór na różnych etapach lotu. Opcja ta pozwala na płynniejsze starty, efektywniejsze przeloty i zwiększoną stabilność lądowania.

Stopy z pamięcią kształtu (SMA) – Skrzydła morfujące wykonane na bazie SMA wykorzystują materiały, które dostosowują się do zmian temperatury poprzez zmianę kształtu. Inżynierowie mogą projektować skrzydła ze stopami SMA wbudowanymi w konstrukcję skrzydła, które automatycznie dostosowują się do zmieniających się warunków lotu, maksymalizując osiągi i zmniejszając zużycie paliwa.

Siłowniki** pneumatyczne** – Siłowniki te zmieniają kształt skrzydła poprzez napełnianie powietrzem lub wypuszczanie powietrza z poszczególnych jego obszarów za pomocą ciśnienia powietrza. Takie podejście zapewnia precyzyjną kontrolę geometryczną nad skrzydłem i może być modyfikowane w celu dostosowania do różnych potrzeb lotu.

**Polimery elektroaktywne (EAP) **– EAP dostosowują swoją formę w reakcji na stymulację elektryczną. Wbudowane w konstrukcję skrzydeł EAP oferują modyfikacje morfologiczne skrzydeł odbywające się w czasie rzeczywistym, poprawiając manewrowość i zmniejszając opór.

Projekt badawczy dotyczący skrzydeł morfujących rozpoczął się w 2023 roku w Imperial College w Londynie i ma na celu zbadanie optymalnej adaptacji skrzydła samolotu w odpowiedzi na warunki lotu.

Przy projektowaniu obecnie używanych samolotów, płatowiec i układ napędowy tradycyjnie uważane są za odrębne elementy. Tym samym wydajność napędu konwencjonalnych konstrukcji silników lotniczych zbliża się do granicy, a przełomy technologiczne przynoszą coraz mniejsze korzyści. BLI dotyczy umieszczenia silników bliżej kadłuba samolotu, umożliwiając im wychwytywanie i wchłanianie przepływu warstwy granicznej płatowca. Zalety BLI to bardziej wydajny napęd, zmniejszony opór i większa oszczędność paliwa. Inżynierowie z Centrum Badawczego Glenn NASA testują ten nowy typ układu napędowego w tunelu aerodynamicznym dużej prędkości. Testowanie może zająć lata, ale organizacja stwierdziła, że w nadchodzących latach będzie kontynuować badania i rozwój technologii BLI.

Dzięki wykorzystaniu obecnie dostępnej potężnej mocy obliczeniowej komputerów, CFD jest najnowocześniejszą technologią, która symuluje i przedstawia skomplikowane interakcje płynów, takich jak powietrze, przemieszczających się po powierzchniach samolotu. CFD zmieniła sposób projektowania samolotów, analizę wydajności i metody testowania, zapewniając inżynierom szczegółowy wgląd w aerodynamikę i zachowania przepływu powietrza. Stała się kamieniem węgielnym aerodynamiki nowej generacji.

Sednem CFD jest rozwiązywanie trudnych równań matematycznych charakteryzujących fizykę ruchu płynów. Równania te dają dokładny opis zachowania powietrza wokół powierzchni samolotu, biorąc pod uwagę różne zmienne, w tym gęstość płynu, prędkość, ciśnienie i lepkość.

Korzystając z symulacji CFD, inżynierowie mogą wizualnie badać i analizować wiele scenariuszy bez potrzeby tworzenia skomplikowanych prototypów fizycznych, gdyż symulacje te zapewniają cyfrowe odtworzenie interakcji przepływu powietrza poprzez dyskretyzację tych równań na mniejsze elementy obliczeniowe. Jeden z wiodących producentów samolotów, Airbus, wykorzystuje technologię CFD do lepszego zrozumienia aerodynamiki i maksymalizacji wydajności samolotów.

Miejska mobilność powietrzna (ang. Urban Air Mobility, UAM) przewiduje przyszłość, w której elektryczne samoloty pionowego startu i lądowania (eVTOL) wyposażone w najnowocześniejszą aerodynamikę będą przewozić pasażerów i towary między centrami miast, przedmieściami i innymi miejskimi przystankami. Wykorzystując moc aerodynamiki nowej generacji, UAM może zrewolucjonizować transport miejski, oferując szybsze dojazdy do pracy, mniejsze korki i bardziej zrównoważony sposób podróżowania. De facto, niemiecka firma Volocopter testuje wykorzystanie swojego samolotu Volocity na Igrzyskach Olimpijskich w Paryżu w 2024 roku.

Kluczowe cechy UAM:

Pionowy start i lądowanie (VTOL) – Samoloty UAM są skonstruowane ze specjalistyczną aerodynamiką, która umożliwia im wykonywanie pionowych startów i lądowań, co eliminuje wymagania dotyczące konwencjonalnych pasów startowych. Ze względu na te możliwości, mogą wykorzystywać dachy, lądowiska dla helikopterów, a nawet zatwierdzone miejskie strefy lądowania do prowadzenia działalności.

Loty krótkodystansowe – Loty krótkodystansowe w miastach i na przedmieściach najlepiej obsługiwać samolotami UAM. W porównaniu z transportem naziemnym loty te oferują szybsze połączenia z punktu do punktu, szczególnie w okresach dużego natężenia ruchu.

**Napęd elektryczny **– Samoloty UAM często wykorzystują technologie napędu elektrycznego do zmniejszenia emisji, zminimalizowania hałasu i promowania bardziej przyjaznego dla środowiska transportu miejskiego.

Dzięki elektrycznemu napędowi, UAM może zmniejszyć zatory w miastach, oferując alternatywny środek transportu, skracając czas podróży poprzez omijanie ruchu naziemnego i włączając się do globalnych działań na rzecz ograniczenia emisji gazów cieplarnianych.

Dzięki znacznemu skróceniu czasu lotu, podróże naddźwiękowe i hipersoniczne oferują zmianę lotniczego paradygmatu, która może całkowicie zmienić podróże na długich i międzynarodowych trasach. Według przewidywań, te innowacyjne rozwiązania zrewolucjonizują przyszłe podróże lotnicze i stworzą nowe możliwości dzięki aerodynamice nowej generacji.

Latanie naddźwiękowe przekracza prędkość dźwięku, która na poziomie morza wynosi około 1235 km/h i zmienia się wraz z temperaturą i wysokością. Słynny Concorde, naddźwiękowy samolot pasażerski, dał wgląd w przyszłość lotów naddźwiękowych pod koniec XX wieku. Concorde wycofano z użytku w 2003 roku z powodu licznych problemów eksploatacyjnych i finansowych. Jednakże naddźwiękowe samoloty pasażerskie przeżywają renesans i do 2029 roku mogą wrócić do łask.

Amerykańskie linie lotnicze Boom Supersonic złożyły niedawno zamówienie na 20 samolotów naddźwiękowych, które mają nosić nazwę „Overture”. Linia samolotów o długości 61 metrów (201 stóp) wykorzystuje w 100% ekologiczne paliwo lotnicze i może osiągnąć prędkość do 1,7 Macha (2099 km/h) – jest to najszybszy komercyjny samolot na świecie. Przy tej prędkości lot z Nowego Jorku do Londynu trwałby zaledwie 3,5 godziny.

Aerodynamika nowej generacji, będąca połączeniem innowacji i konieczności, ma potencjał zdefiniowania na nowo sposobu, w jaki postrzegamy lot i go doświadczamy. Począwszy od inspirującej koncepcji skrzydeł morfujących po odradzające się marzenia o podróżach naddźwiękowych – aerodynamika przenosi nas w przyszłość z szybszymi, wydajniejszymi i bardziej połączonymi podniebnymi połączeniami. Geniusz tych niesamowitych innowacji nadal stwarza jednak wyzwania. Aby móc wykorzystać potencjał aerodynamiki nowej generacji, konieczne będzie poruszanie się wśród zawiłości materiałów, przepisów prawa i infrastruktury. Dzięki temu przestworza przyszłości będą nie tylko szybsze i efektywniejsze, ale także bardziej bezpieczne i zrównoważone.