Innovation inom flygplanskonstruktion
Generellt sett har konstruktionen av serietillverkade flygplan inte förändrats radikalt sedan mitten av 1900-talet. I årtionden har stora flygplan använt en ”rör- och vinge”-arkitektur, som exemplifieras av flygplansfamiljer som Boeing 747 och Airbus 830. På samma sätt har framdrivningen hos serietillverkade flygplan med fasta vingar inte utvecklats nämnvärt sedan gasturbinmotorn uppfanns. Och rotorflygplan har förblivit i stort sett oförändrade sedan den första storskaligt massproducerade helikoptern, Sikorsky R-4, först utvecklades på 1940-talet.
Med detta sagt har flyg- och rymdindustrin aldrig saknat radikala experimentflygplan, såsom Vought V-173 ”Flying Pancake”, Grumman X-29 med sina framåtsvepta vingar och MIT:s prototyp som drivs av jonvind. Denna tradition av innovation fortsätter att driva på utvecklingen av flyg- och rymdteknikens konstruktion och teknik.
Idag är hållbarhet den viktigaste drivkraften bakom innovation inom flyg- och rymdindustrin – att öka effektiviteten och minska utsläppen. I en tidigare artikel undersökte vi hur alternativa energikällor utforskas i syfte att minska koldioxidutsläppen inom flyg- och rymdindustrin. Här ska vi titta på hur innovation inom två centrala områden för flygplanskonstruktion – aerodynamik och framdrivning – syftar till att ta itu med hållbarhetsfrågan. Mer specifikt ska vi titta på innovationer inom vingkonstruktion och införandet av distribuerad elektrisk framdrivning.
Vingkonstruktion
En viktig faktor som påverkar flygplansutsläppen är den aerodynamiska verkningsgraden, som kan definieras som förhållandet mellan lyftkraft och luftmotstånd hos ett flygplan. Den aerodynamiska verkningsgraden kan därför ökas genom att minska luftmotståndet. Den kanske största möjligheten att minska luftmotståndet ligger i vingkonstruktionen. Därför har det genom åren utvecklats vingkonstruktioner som syftar till att maximera den aerodynamiska verkningsgraden.
Ett exempel på en sådan konstruktion är en kanardvingekonfiguration. I en sådan kanardvingekonfiguration används små vingar placerade framtill på flygplanet – kanardvingarna – i kombination med flygplanets huvudvingar, som är placerade baktill på flygplanet. Även om effekterna av kanardvingekonfigurationer är komplexa och varierande kan de användas för att minska flygplanets totala luftmotstånd. Detta medför i sin tur en avvägning mot flygplanets stabilitet. Men i takt med att vingkonstruktionerna förbättras kan vi mycket väl komma att se en mer utbredd användning av canardvingar på serietillverkade flygplan.
Ett exempel på en något radikal vingkonstruktion som syftar till att förbättra den aerodynamiska effektiviteten är den så kallade ”blended wing”-konstruktionen. Som namnet antyder smälter denna konstruktion flygplanskroppen samman med vingarna, så att hela flygplanskroppen är utformad för att alstra lyftkraft. En sådan konstruktion utvecklas för närvarande av det amerikanska företaget JetZero (inte att förväxla med den brittiska regeringens strategi för att uppnå nettonollutsläpp inom luftfarten senast 2050). JetZero hävdar att deras konstruktion kan halvera bränsleutsläppen jämfört med ett typiskt kommersiellt passagerarflygplan.
Ett sista exempel på vingkonstruktion är användningen av vingar med stag eller fackverksförstärkning. I denna konfiguration stöds vingarna strukturellt av stag eller fackverk som sträcker sig mellan vingarna och flygplanskroppen. Detta extra strukturella stöd möjliggör användning av längre och smalare vingar, vilket ger mindre luftmotstånd under flygning. Ett exempel på ett flygplan som använder denna vingkonfiguration är Boeing X-66, vars demonstrationsmodell är planerad att flyga år 2028.
Distribuerad eldrift
En annan relativt ny innovation inom flygplanskonstruktion är distribuerad elektrisk framdrivning (DEP). DEP utnyttjar en uppsättning av, vanligtvis, tre eller fler oberoende styrda elektriska framdrivningsenheter. Vissa DEP-system använder ett stort antal framdrivningsenheter, ibland i tvåsiffriga tal. Framdrivningsenheterna är vanligtvis placerade längs flygplanets vingspann. DEP kan förbättra flygplanets effektivitet genom ett antal mekanismer, såsom aerodynamisk-propulsiv koppling, det vill säga samspelet mellan aerodynamiska krafter och framdrivningskrafter för att minska luftmotståndet och öka lyftkraften. DEP kan också bidra till ökad säkerhet genom redundans i framdrivningsenheterna samt till minskade bullernivåer, vilket gör flygplan som använder DEP särskilt lämpliga för mycket korta sträckor och stadstrafik. Exempel på denna typ av flygplan är Lilium-jeten och Airbus CityAirbus NextGen. Exempel på större flygplan som använder DEP är Airbus E-Thrust och NASA:s N3-X.
Kombinerad innovation: aerodynamik och framdrivning
Framtidens flygplan kommer sannolikt att kombinera innovationer inom både aerodynamik och framdrivning. Detta illustreras av det ovannämnda flygplanet. Ett annat exempel är Airbus Racer, som genomförde sin första flygning i år. Vid första anblicken ser Airbus Racer ut som en konventionell helikopter. Till skillnad från en konventionell helikopter använder Racer dock en innovativ boxvingekonstruktion för att förbättra den aerodynamiska effektiviteten och generera lyftkraft, utöver huvudrotorn och två drivpropellrar som genererar dragkraft. Tillsammans ger detta effektivitetsvinster som enligt uppgift resulterar i en bränslebesparing på 20 % jämfört med konventionella helikoptrar i samma kategori för maximal startvikt.
Sammanfattning
Det är svårt att föreställa sig att flygplanen kommer att se väsentligt annorlunda ut under de kommande årtiondena. I strävan efter hållbarhet kan vi dock mycket väl få se att vissa designelement, som vi en gång betraktade som radikala, gradvis börjar införlivas i serietillverkade flygplan. Hur som helst är innovationspotentialen inom flygplanskonstruktion enorm, vilket både historien och den aktuella utvecklingen har visat.
Barker Brettell har enspecialiserad flyg- och rymdgruppsom kan hjälpa dig att kommersialisera dina innovationer. Våra patentombud har kunskap och erfarenhet inom hela spektrumet av tekniker som används inom flyg- och rymdindustrin, från datorimplementerade uppfinningar och elektronik till materialvetenskap och maskinteknik. Om du vill diskutera den här artikeln mer ingående är du välkommen att kontakta författaren eller din vanliga ombud hos Barker Brettell.
”I dag är hållbarhet den viktigaste drivkraften bakom innovation inom flyg- och rymdindustrin; att öka effektiviteten och minska utsläppen.”
