TEMA BROJA

Dr Vladica Božić

Život u budućnosti

Aeronautika

Avioni "lakši od vazduha"

Vazdušni saobraćaj je počeo da se razvija po završetku Prvog svetskog rata. Posle skromnog početka u prvoj polovini prošlog veka, u periodu posle Drugog svetskog rata zabeležio je značajan porast. Razvoj vazduhoplovstva je omogućio da let avionom, na prelazu između dva milenijuma, bude jednostavan, pristupačan i bezbedan, tako da je postao osnova prevoza putnika na dugim rastojanjima i značajan deo globalizovane ekonomije 21. veka. Procena je da će se, usled naglog tehničkog razvoja i povećanja populacije - udvostručiti u narednih 15 godina. Na vazdušnim  putevima biće sve više saobraćaja, što će pokrenuti nove izazove i zahtevati razvoj novih strategija kako bi ta vrsta saobraćaja ostala siguran sistem prevoza i u budućnosti.

Letelice u vazdušnom saobraćaju budućnosti

Iako je vazdušni saobraćaj relativno mala privredna delatnost, uočeno je da ima nesrazmerno veliki uticaj na zagađenje životne sredine i promenu klime. Pri sagorevanju mlaznog goriva u motorima oslobađaju se gasovi sa efektom staklene bašte ugljen-dioksid (CO2), vodena para, kao i azotni oksidi (NOx), sulfat i čađ, koji sevećinomemituju na visinama letau višim slojevima atmosfere što pojačava efekat zagrevanja. Od 1990. godine, emisija štetnih gasova iz sektora vazdušnog saobraćaja je porasla za 93%, i procenjuje se da je u 2014. godinion izbacio u atmosferu više od 700 miliona tona CO2. Danas vazdušni saobraćaj proizvodi oko 2% svetske emisije CO2 što jejoš uvek malo u poređenju sa drugim sektorima, ali je zbog njegovog očekivanogvelikog rastaveć u skoroj budućnosti u mnogim zemljama kao prioritetni ciljevi odživog pristupa vazduhoplovstvu postavljenazaštita životne sredine. Ovo zahtevadrastičnopoboljšanje karakteristika letelica ioperativnih koncepata koje bi trebalo da se izvedeuvođenjem naprednih tehnologija.U Evropskoj uniji je postavljen cilj da se do 2050 godine razviju tehnologije i nove procedure koje će omogućiti smanjenje emisije CO2za 75% poputniku-kilometar i smanjenje emisija azotnih oksida za 90%,uz uštedu od 50% na potrošnju goriva dok bi se emisije bukeaviona smanjile za 65% u odnosu na tipične nove avione sa početka ovog veka.Da bi se ovi ciljevi ostvarili u sistemu vazdušnog saobraćaja u budućnosti biće potrebno unapređenje konfiguracije letelica, motora, podsistema na letelici kao i aerodroma.Očekuje se i unapređenje tehnnologije proizvodnje koja će omogućiti olakšavanje strukture letelica uz uključivanje naprednih kompozitnih materija i metala.

Za letove na srednjim ivelikim rastojanjimapodzvučnim brzinama očekuje se da će razvoj konfiguracije vazduhoplova ići u dva pravca:

- Konstrukcija većih letelica koje će se zasnivati na koncepciji koje se danas primenjuju i moći da prime između 1.000 do 1.500 putnika, uz korišćenjekrila sa aktivnim sistemom za kontrolu protoka vazduha.Letelice će imati motore čiji se izlazni mlaz može okretati kako bi se skratilo poletanje i sletanje, a time i potrebna dužina piste.

- Novih oblika letelica sa poboljšanim aerodinamičkim oblikom koje će biti zasnovane na koncepcijama integrisanja trupa letelice sa krilom (leteće krilo). Ove letelice će imati strelasta krila velike vitkosti kojima se postiže povoljna aerodinamička efikasnost i brzina,i smanjena potrošnja goriva ibuke tokom poletanja i sletanja.Ovakva konfiguracija omogućava postavljanje motora na najaerodinamičnija mesta, što će dovesti do dodatnog smanjenja potrošnje i buke. Obe koncepcije će imati krila koja su blago savijena na krajevima kako bi se dodatno smanjio otpor.

U budućnosti se očekuje i povećano korišćenje letelica sa promenljivim nagibom turboelisnih pogonskih motora, jer oni imaju jedinstvenu operativnu sposobnost za poletanje i sletanje poput helikoptera i krstarenja poput konvencionalnih letelica sa fiksnim krilom. Na taj način se prevazilazi problem ograničenja brzine leta koji postoji kod helikoptera usled gubitka efikasnosti glavnog rotora pri većim brzinama. Mogućnostvertikalnog ili skraćenog poletanja i sletanja pružaovim letelicama fleksibilnost da se mogu koristiti nezavisno od aerodroma, kako bi putnike mogli dovesti što je moguće bližeželjenim destinacijama.

Za letove na malim rastojanjima će doći do unapređenja individualnih letelica sa kratkim doletom. Takviavioni bi leteli na manjim nadmorskim visinama i brzinama,imali bi do osam sedišta ipokretali bi se elektomotorom. Za upravljanje ovakvim letelicamabi kao pomoć pilotubio potreban visoki nivo automatizacije. Karakteristike takvih aviona su smanjeni cena, smanjena težina, smanjena potrošnja goriva, povećana pouzdanost, smanjena oprema potrebna za zemaljsku podršku i jednostavnije održavanje, proširena envelopa leta i poboljšana mogućnost preživljavanja. Ovakav koncept zahteva rešavanje većeg broja tehnoloških problema uključujući elektromehaničke aktuatore,sisteme za kontrolu uslova u kabini i zaštitu od leda,i tehnologiju motora.
Smanjenje težine letelica kod svih prethodno opisanih koncepcija je jedna od ključnih modifikacija koja će omogućiti smanjenje potrošnje goriva, tako da će se velika pažnja pokloniti razvoju tehnologija koje će to ostvariti. U narednom periodu očekuje se smanjenje ukupne mase od 30% u odnosu na današnje avione, ali samo korišćenje laganijih materijala kao što su kompozitni na celoj letelici neće biti dovoljno za postizanje takvog izazovnog cilja. Za ovo će biti potreban interdisciplinarni pristup koji će pre svega obuhvatiti integrisano projektovanje cele letelice, pri čemu će se voditi računa o lokalnoj upotrebi lakših materijala na određenim mestima u konstrukciji, uz proizvodnju velikih integrisanih panela i efikasnu montažu svih delova. Kompozitni materijali su posebno korisni za ovaj tip projektovanja, jer se lakše strukture mogu dobiti poboljšavanjem lokalne čvrstoće. Lokalnom orijentacijom vlakana u određenim pravcima,čvrstoća strukture se može projektovati da precizno odražavaju deformacijski odziv na očekivano opterećenje kako bi se postigao optimalni oblik krila. Dodatno rešenje za smanjenje težine i otpora letelice može biti zamena prozora u putničkom delu ekranima sa virtualnim prikazom.

Moderni kompozitni materijali i proizvodne tehnologije već danas omogućavaju projektovanje integrisanih struktura sa manje veznih elemenata čime se smanjuje itežina. Očekuje se da će novi kompozitni materijali imati matricu od termoplastičnih materijala umesto današnjih termoreaktivnih kao što je epoksi smola, dok će se umesto ugljeničnih vlakana koristiti ugljenične nanocevčice ili grafitne pločice. Ovo će omogućiti dalje poboljšanje osobina kompozita, uz jednostavniju izradu elemenata i mogućnost njihove popravke i reciklaže po završetku životnog veka letelice. Za procenu stanja kompozitne strukture tokom leta koristiće se integrisani sistemi za nadzor napona kojim je opterećen material u kritičnim delovima strukture, bazirani na mrežama optičkih senzora.
Što se tiče pogona, očekuje se razvoj novih tehnologija koje će omogućiti podizanje efikasnosti turbomlaznih motora uz smanjenje emisije gasova sa efektom staklene bašte. Drugi mogući aspekt usavršavanja pogona letelica je razvoj elektromotora, koji nemaju direktnu emisiju ovih štetnih materija, uz korišćenja solarne energije gde god je to moguće.
Očekuje se i razvoj letelica koje će služiti za prevoz putnika supersoničnima brzinamakoji će ići u dva pravca: jedan su supersonički poslovni avioni koji bi leteli brzinama do 3 Maha pomoću konvencionalnih turbomlaznih motora, a drugi su letelice koje bi mogle leteti sa jednog na drugi kraj Zemlje(npr. između Evrope i Australije) kroz njenu orbituhipersoničnim brzinama do 25 Maha. One bi bile opremljenehibridnim mlaznim motorima koji bi pretstavljali kombinaciju gasno-turbinske i raketne tehnologije. Letelica bi poletala sa standardnih aerodroma koristeći okolni atmosferski vazduh koji bi se sabijao pomoću turbo-kompresora u motoru do visokog pritiska i uvodio u komoru sagorevanja zajedno sa tečnim vodonikom. Kada se postigne dovoljna brzina,motor bi prelazio na nabojno mlazni režim nastavljajući da koristi atmosferski vazduh sa kojim bi letelica ubrzala do brzine od 5,5 Maha i visine oko 28 km. Posle toga bi motor nastavio da radi kao raketni motor koristeći tečni kiseonik i vodonik iz rezervoara za gorivo sa kojim bi mogao da ubrza letelicu do brzine od 25 Maha i dostizanja maksimalne visina leta u niskoj Zemljinoj orbiti posle čega bi se letelica ponovo vratila na Zemlju. Sagorevanjem atmosferskog kiseonika motori štede oko 250 tona tečnog kiseonika na putu ka orbiti. Ovakve letelice bi znatno smanjile finansijske troškove za svemirska putovanja, a mogle bi prevesti putnike do bilo koje tačke na Zemlji za manje od 4 sata.

Iako se danas teško mogu primeniti u klasičnom prevozu putnika zbog male brzine, u budućnosti se može očekivati povećano korišćenje letelica lakših od vazduha. Za razliku od ranijih vazdušnih brodova, nove letelice lakše od vazduha će imati telo koje se sastoji od više ćelija u obliku cilindra ispunjenih helijumom čija će oplata izrađena od ugljeničnih vlakana biti prekrivena solarnim ćelijama koje će se koristi za napajanje elektromotora koje će služiti za pogon letelica tokom dnevnih sati. Za letenje noću ili po oblačnom vremenu, ovi vazdušni brodovi bi koristili mlazne motore sa bio-dizelom kao rezervni sistem. Nove letelice će kombinovati aerodinamički uzgon i potisak usled aerostatičkog pritiska iz ćelija tako da se očekuju brzine leta do 300 km/h što je uporedivo sa nekim avionima i dolet do 5.000 km. Kako će ove letelica moći i da lebde, poleću i spuštaju se vertikalno, to znači da neće zahtevati klasične aerodrome, već će moći da poleću ili sleću sa bilo koje prazne zemljane ili vodene površine na kome bi se nalazili ugrađeni sistemi sa kojima bi se sidrili za tu površinu, što je posebno pogodno za prevoz tereta do udaljenih regiona jer bi pored velike nosivosti mogle da sleću u blizini mesta gde je teret potrebno isporučiti. Previđa se da bi se korišćenjem modernih letelica lakših od vazduha moglo uštediti preko 100 milijardi dolara samo za troškove goriva, uz još nekoliko stotina milijardi dolara koje se ne bi potrošile u izgradnji aerodroma, a pri tome bi se eliminisalii glavni izvor emisija ugljenika. Ovakve letelice bi našle i drugu primenu, jer bi pored transporta tereta mogle da imaju stalno ugrađenu opremu koja bi se koristila za komunikaciju ili izviđanje i nadzor. Osobina da mogu da lete na nadmorskim visinama većim od današnjih aviona, ali ispod satelita (preko 30 km) bi omogućivala da se postave na jednom mestu kao jeftine komunikacione ili izviđačke platforme u trajanju od približno dve nedelje do 30 dana, tako da bi mogli da služe za pokrivanje odabranih područja na Zemlji 24 sata dnevno u tom periodu.

Očigledno je da će za povećanje kapaciteta za korišćenje vazdušnog prostora u budućnostibiti potreban razvoj potpuno novih sistema vazdušnog saobraćaja zasnovan na boljim i naprednijim materijalima i tehnologijama, koje će omogućiti smanjenje potrošnje goriva ali i emisije štetnih materija i buke u toku leta. Ovo će avio-kompanijama omogućiti milijarde dolara uštede u operativnim troškovima uz dalje smanjenje troškova putovanja. U odnosu na današnje, u budućnosti će se koristiti tihe, čiste i bezbedne letelice koje rade 24 sata dnevno, 7 dana u nedelji, nezavisno od vremenskih uslova. Međutim, da bi se ovo realizovalo potrebno je rešiti mnogo tehnoloških problema.

Dr Vladica Božić

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"