Témata
Reklama

Letadlo poháněné sluneční energií vyrazilo na cestu kolem světa

Solar Impulse je projekt mající za cíl vyrobit letadlo poháněné sluneční energií, které dokáže obletět Zemi. Letoun je dílem švýcarského psychiatra a vzduchoplavce Bertranda Piccarda, jednoho z pilotů prvního balonu, který obletěl celý svět bez jediné přestávky, a švýcarského inženýra a podnikatele Andrého Borschberga. Vývoj zastřešuje polytechnika v Lausanne a podílí se na něm několik desítek specialistů.

Co udělat pro to, aby letadlo Solar Impulse Švýcarů Bertranda Piccarda a André Borschberga poháněné pouze solární energií, uletělo bez jediné přestávky 35 tisíc kilometrů, ustálo během dne i noci všechny nástrahy přeletu z jednoho kontinentu na druhý a přitom splňovalo požadavky na co nejnižší hmotnost? Před vývojáři stála výzva v podobě optimalizace konstrukce kovových součástí letadla, kompozitních a sendvičových struktur kevlarovo-papírového voštinového jádra, to vše za účelem minimalizace hmotnosti.

Reklama
Reklama
Konečnoprvkový model letadla Solar Impulse 2 – obrázek pokud možno přes 2 sloupce

Optimalizace vrstev karbonových vláken

Výsledkem provedené optimalizace je trojnásobné zvětšení kokpitu letadla Solar Impulse 2 při méně než dvojnásobném zvýšení hmotnosti oproti svému předchůdci Solar Impulse 1, který poprvé vzlétl v roce 2009. Klíčem k úspěchu byla možnost optimalizovat tloušťku vrstev karbonových vláken, aby počet vrstev pomohl udržet hmotnost křídel na minimu a současně aby motorová gondola unesla těžší náklad, ale přitom za minimálního nárůstu hmotnosti. Díky tomu letadlo získalo nejnižší možnou hmotnost a zároveň šanci obstát v náročných podmínkách, které let kolem světa skrývá.

Delší rozpětí křídel, třikrát větší kokpit

Při vývoji Solar Impulse 2 se vycházelo ze zkušeností s předchozím modelem, jenž v červenci 2010 absolvoval 26hodinový let s jedním slunečním cyklem, přičemž téměř devět hodin připadalo na noc. Nový model má větší rozpětí křídel, konkrétně 71,9 metru. Pro představu – je to jen o něco méně, než je rozpětí křídel největšího dopravního letadla, Airbusu A380. Proti předchozímu modelu má třikrát větší kokpit, který zajišťuje pilotovi větší pohodlí, a pokud to dovolí podmínky letu, lze sedadlo uzpůsobit pro odpočinek.

FEA analýzy pomohly zvětšit kokpit letadla a snížit jeho hmotnost. – udělat výřez jen s detailem kabiny

Jedním z nejpozoruhodnějších aspektů je bezesporu hmotnost letadla, a to především s ohledem na obrovské rozpětí křídel a hmotnost baterií. Činí 2 300 kilogramů, což je jen o málo méně, než je hmotnost průměrného osobního automobilu. Minimalizace hmotnosti také byla jednou z největších konstrukčních výzev. „Letadlo potřebuje hodně baterií a ty jsou těžké, váží 633 kilogramů,“ připomíná Geri Piller, vedoucí týmu strukturální analýzy Solar Impulse a pokračuje: „Letadlo zároveň ze solárních panelů získává jen poměrně malé množství energie, proto musí být opravdu lehké.“

Femap a NX Nastran

Pillerův tým, do něhož patří další čtyři inženýři, využil při konstrukci obou modelů analýzu na základě metody konečných prvků (FEA). Jako řešení pro FEA použil Femap se softwarem NX Nastran od Siemens PLM Software. Toto řešení používá i švýcarská strojírenská společnost Aero FEM, která prováděla analýzy aeroelasticity a rotorové dynamiky pro Solar Impulse. V roce 2007 začal vývojový tým používat Femap a NX Nastran při konstrukci prvního modelu a tento software byl využíván i pro přípravu letounu Solar Impulse 2. Obě řešení podporují všechny typy analýz (síly, vzpěru, velkých deformací atd.) nezbytných pro projekt Solar Impulse.

Pohled na MKP model ze spodní strany – možno vypustit, popř. oříznout ze stran

Femap přejímá geometrii od konstrukčního týmu Solar Impulse z nativního CAD systému ve formátu STEP nebo IGES. Geometrie se stává základem pro modelování metodou konečných prvků. „Femap má vlastní funkcionality pro modelování. Ty jsou snadno použitelné i pro kompozitní materiály, ze kterých je tvořena velká část letadla,“ vysvětluje Geri Piller.

Model struktury hlavního křídla obsahuje 2 miliony prvků

Jako příklad, kdy analytici použili importované geometrie a modelovací nástroje v rámci Femap, poslouží práce na konstrukci křídla letadla. Zpočátku byla používána CAD geometrie vnější plochy křídla k vytvoření jednoduchého modelu pro základní analýzy namáhání. Pro následné podrobnější analýzy analytici za použití Femap přidali pevné 3D součásti představující voštinové jádro z kevlarového aramidu a papíru. Velikost konečnoprvkových modelů kovových součástí letadla se pohybuje mezi 50 000 a 500 000 prvků, přičemž model konstrukce hlavního křídla obsahuje dva miliony prvků.

Pillerův tým využíval výhod Femap API (Application Programming Interface) k automatizování části analytických prací. Jeden z velmi užitečných skriptů používá vlastní naprogramovaná pevnostní kritéria pro kompozitní materiály a umožňuje jejich ověření. Další se spouští po analýze kompozitních součástí a automaticky vyhodnocuje výsledky podle vrstvy s největší zátěží. Skript rychle ukazuje, kde se v laminátové nebo sendvičové konstrukci nacházejí chyby. Tím tyto skripty šetří čas a přispívají k přesnosti analýz. Analytici také často používají datovou tabulku Femap pro rychlé shrnutí a interpretaci výsledků. Funkce žebříčku dat například rychle ukazuje hodnoty minimální a maximální zátěže.

Rychlejší, odolnější, lehčí

Konkrétním příkladem přínosu Femap s NX Nastran pro tento projekt je konstrukce kokpitu letadla, kde řešení FEA sehrálo roli v minimalizaci hmotnosti. Jednomístný kokpit letadla zaujímá délku 3,8 m a je třikrát větší, než byl v prvním letadle Solar Impulse. Výrobce si tak neodpustil žert: „Nový kokpit je o tolik prostornější, že mu lze přidělit nálepku ‚business class‘.“

Struktura křídla nového letounu je dalším místem, kde Femap přispěl k výraznému snížení hmotnosti. Křídlo sestává z kevlarového voštinového jádra pokrytého pokročilým materiálem z karbonových vláken. Jelikož nové letadlo je rychlejší než původní, jeho křídla musejí vydržet větší zátěž. Analytici použili Femap pro optimalizaci množství vrstev karbonových vláken tak, aby letoun vydržel určené zátěžové podmínky s co nejmenší přidanou hmotností. Místo materiálu vážícího 100 gramů na metr čtvereční zvládli použít variantu 25 gramů na metr čtvereční, což představuje významnou redukci hmotnosti.

Jedna z analýz horizontálního stabilizátoru

Stejně tak motorová gondola druhého letadla musí unést větší zatížení, ale i zde byl nárůst hmotnosti konstrukce minimální. Je to umožněno přechodem z rámové struktury s kapotáží na sendvičovou strukturu a použitím FEA pro optimalizaci komponentů povrchové úpravy nebo krytů. Femap tak analytikům pomohl rychle určit, jak nejlépe minimalizovat hmotnost letadla a zároveň ho připravit na dobrodružnou cestu kolem světa.

Solar Impulse 2 vyrazil na cestu

Cílem projektu je oblétnout Zemi se strojem s pevnými křídly pouze za použití solární energie. Začátek cesty dlouhé 35 tisíc kilometrů čítající 500 leteckých hodin úspěšně započal v březnu letošního roku v Abú Dhabí. V době přípravy toho článku pro tisk stroj doletěl do Japonska a chystal se k přeletu na Havaj. Půjde-li vše v pořádku, vrátí se do výchozího bodu své cesty koncem července nebo počátkem srpna.

Zpracováno redakcí

Siemens PLM Software

eva.marzini@lewispr.com

www.siemens.cz/plm

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 150710
Datum: 24. 06. 2015
Rubrika: Informační technologie / CAD/CAM/CAE
Autor:
Firmy
Související články
Platforma pro kolaborativní návrh i výrobu

Každoroční uživatelské setkání společnosti Dessault Systèmes dostalo nové jméno 3DExperience World. Jde o pokračování pravidelné konference Solidworks World pro uživatele softwarových nástrojů Solidworks. Nové jméno odráží nový ekosystém tvořený celou řadou inovativních řešení od společnosti Dassault Systèmes. Akce 3DExperience World 2020 se konala začátkem února v americkém Nashvillu ve státě Tennessee a účastnilo se jí na 6 000 konstruktérů, inženýrů a prodejců z celého světa.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Strojírenské fórum 2018: Zaměřeno na nové technologie a materiály

Příběh pátého ročníku Strojírenského fóra se začal psát 10. května 2018 na půdě Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně konferencí na téma moderní výrobní technologie a materiály s důrazem na aditivní výrobu z velké části kovových materiálů a na inovativní aplikace kompozitních materiálů. Na sto účastníků z řad výrobní a akademické sféry vyslechlo na 13 přednášek a následně v pozdních odpoledních hodinách se větší část z nich odebrala na exkurzi po šesti VaV pracovišťích zaměřených na nové technologie. Plný den poznání a nových setkání. Pojďme se k němu vrátit fotoreportáží.

Související články
Digitalizujeme svět obrábění

Digitalizace v oblasti obráběcích strojů je poměrně nový fenomén. Svět digitalizace se stává svébytným ekosystémem a Siemens jako jediný má pro jeho vytvoření a fungování potřebnou škálu nástrojů – od simulačních programů pro plánování a virtuální zprovoznění strojů, výrobků i procesů přes řídicí systémy a další prvky průmyslové automatizace po monitoring a sběr dat, cloudová úložiště i manažerské nadřazené systémy. Jaké výhody digitalizace přináší, ukázal Siemens na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně mimo jiné také na prototypu multifunkčního obráběcího centra MCU450 společnosti Kovosvit MAS.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Co naznačila největší továrna na světě

Záruka dobrých obchodů, výkladní skříň pro mezinárodní trh, ukázka budoucnosti ve strojírenství – tak hodnotí vystavovatelé veletrh EMO Hannover 2017. Pod heslem Connecting systems for intelligent production představilo své novinky více než 2 200 vystavovatelů z 43 zemí. Tematické těžiště spočívalo v digitalizaci a propojení výrobních procesů. V centru pozornosti byly především výrobní postupy, stroje a zařízení pro zpracování a opracování kovů.

Nanovlákenná membrána v oknech ochrání stroje i pracovníky

Zatímco o smogu v ulicích se vedou časté debaty, znečištěný vzduch v interiéru patří k opomíjeným tématům. A to i přesto, že podle Světové zdravotnické organizace stojí život 4,3 milionu lidí ročně a v průmyslových objektech ohrožuje jak zdraví pracovníků, tak samotný provoz. Díky rozvoji moderních technologií nyní interiér účinně ochrání nanovlákenná okenní membrána.

Diskutovaný Průmysl 4.0

Fenomén Průmysl 4.0, nastínění možných směrů vývoje a příprava společnosti na změny způsobené novými technologiemi – to jsou diskutovaná témata konferencí a seminářů současnosti. Podpora výzkumu a vývoje se musí soustřeďovat na technologicky významné oblasti vycházející z potřeb české průmyslové praxe. Odborníci zdůrazňují potřebu vzdělávání a zvyšování kvalifikace zaměstnanců.

Český podnikatel pod tíhou bruselské legislativy

Podporuje Evropská unie svoji evropskou ekonomiku, potažmo národní ekonomiky jednotlivých zemí, nebo je to moloch, který je brzdou dalšího rozvoje? Jaký je aktuální stav a co můžeme ještě od bruselské legislativy očekávat? Na názor jsme se zeptali prezidenta Asociace obranného a bezpečnostního průmyslu ČR RNDr. Jiřího Hynka.

Atraktivní projekty - Vojenská základna plná tajemství

V rámci pěstování vztahů s veřejností – public relations – se v Americe nejen soukromé firmy, ale i vládní organizace snaží vycházet zájemcům vstříc a pořádají různé dny otevřených dveří. Tak jsem měl možnost prohlédnout si například Pentagon, ale i vojenskou základnu v Novém Mexiku, kde se testovaly atomové bomby.

S uranem v podpalubí

V březnovém vydání MM Průmyslového spektra jsme publikovali článek pod názvem Jaderné ledoborce pro Severní cestu. Jelikož tento text vzbudil zájem řady čtenářů, rozhodli jsme se na toto téma připravit další podrobnější příspěvek.

Jaderná energie: Příliš drahý exit

Provozování jaderných elektráren s sebou nese mnoho rizik. Příklad sousedního Německa ale ukazuje, že mnohem složitější a dost možná i finančně náročnější než atomovou elektrárnu postavit, rozjet a udržovat, je ji vypnout a zakonzervovat. Zatímco od června 2011, kdy Bundestag schválil zákon o postupném konci jaderné energetiky v Německu, bylo odstaveno osm reaktorů, s jejich demontáží a bezpečným uložením odpadu se ještě ani nezačalo.

Na cestě za svobodou

Elbee je auto, které mohou postižení řídit přímo ze svého vozíčku. Výjimečnost tohoto vozidla byla letos potvrzena i na soutěži Česká inovace 2013, kde vyhrálo první místo v kategorii Inovační hvězda.

Atraktivní projekty: Jen vítr to ví…

Zkrotit vítr a využít jej ve svůj prospěch toužil člověk už od úsvitu dějin. Dodnes jsou známé větrné mlýny na starověké Krétě nebo ve středověkém Holandsku. I na některých místech Čech a Moravy se v minulosti osvědčily. Moderní doba však proměnila i tuto techniku.

Inovace. Co to vlastně je?

Vděčné sexy téma, o kterém rádi všichni mluví, ale nikdo pořádně neví, jak je skutečně realizovat. Celá řada hvězdiček, jimž se podařilo inovovat sebevětší pitominu a s ní nějak uspět na našem malém hladovém lokálním trhu se cítí být vyvoleni rozdávat moudra. Zasvěcený člověk se pak nestačí divit.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit