Ένα πουλί του οποίου η μορφή της πτέρυγάς του το καθιστά ιδιαίτερα ευέλικτο και του επιτρέπει να τρώει, να κοιμάται και να ζευγαρώνεται στον αέρα, αποτελεί το μέλλον για την ανάπτυξη μιας πιο αποτελεσματικής εναλλακτικής λύσης στο παραδοσιακό αεροσκάφος «σταθερής πτέρυγας». Οι σχεδιαστές αεροσκαφών λαμβάνουν ιδιαίτερα μαθήματα από τα πουλιά της φύσης: όπως τα πουλιά, μια μέρα είναι και τα αεροπλάνα να χτυπούν τα φτερά τους πάνω-κάτω, η τελευταία τάση στον τομέα της αεροναυπηγικής. Μπορεί όμως κάτι τέτοιο να γίνει πραγματικότητα και προπάντων να καταστεί λειτουργικό;
«Βιομημιτική Επιστήμη»
Πρωτοπόροι σε αυτή την ανθρώπινη εξέλιξη αναδείχτηκαν οι αρχαίοι μας πρόγονοι. Τους Έλληνες πάντοτε προσέλκυε το δύσκολο και επικίνδυνο και όταν δεν κατόρθωναν να το πλησιάσουν και να το πραγματοποιήσουν, το πετύχαιναν με τη φαντασία τους στους μύθους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο στην αρχαιότητα αφθονούν οι πτήσεις στους αιθέρες θεών και ηρώων. Ο Ερμής και η Ίριδα συχνά πετούσαν ενώ ο Δαίδαλος και ο Ίκαρος μπορούν να θεωρηθούν οι πρώτοι μυθικοί αεροπόροι, που πέταξαν με φυσιολογικά και όχι με υπερφυσικά και θεία μέσα - να πετάνε σαν τα πουλιά. Ακολούθησαν πολλοί άλλοι το όνειρο της ανθρώπινης πτήσης
Εάν τα πουλιά και τα άλλα ζώα ήταν τόσο αδέξια, όπως τα αεροσκάφη σήμερα, πιθανότατα ακόμα και μετά από 150 εκατομμύρια χρόνια βιολογικής εξέλιξης ποτέ δεν θα κατάφερναν να κατακτήσουν τον ουρανό. Δεν είναι μόνο οι βιολόγοι που είναι πεπεισμένοι για αυτό, αλλά και οι σχεδιαστές αεροσκαφών. Για τα τελευταία 110 χρόνια, «ένας σωλήνας με μια σταυρο-σανίδα», θεωρείται η απόλυτη τέχνη της πτήσης, επεκρένει ο σχεδιαστής της Airbus κ.Δ. Χίλλς.
Οι αεροναυπηγοί επομένως θέλουν να εμπνευστούν για τα μελλοντικά πτητικά μοντέλα από την φυσιολογική πτήση των πουλιών και συνεπώς να εξασφαλίσουν ότι τα αεροσκάφη θα είναι πιο ήσυχα, πιο ασφαλή και οικονομικά βιώσιμα. «Βιομίμηση» ονομάζεται ο κλάδος της επιστήμης που έχει τη φύση ως πρότυπο για τις τεχνικές καινοτομίες. Οι σχεδιαστές αεροσκαφών αχολούνται και πάλι με ένα από τα αρχαιότερα όνειρα της ανθρωπότητας. ακριβώς αυτό του Δαίδαλου και του Ίκαρου. Το 1490 η ιπτάμενη μηχανή του μεγάλου καλλιτέχνη και μηχανικού Λεονάρντο Ντα Βίντσι, εμπνευσμένη από μια νυχτερίδα, στον 19ο αιώνα ο Όττο Λίλιενταλ και αργότερα οι αδερφοί Ράιτ. Το 1988 ο «Δαίδαλος» του αμερικανικού ινστιτούτου M.I.T. πέταξε σε απόσταση 119 χιλιομέτρων από την Κρήτη στη Σαντορίνη - ένα απίστευτο κατόρθωμα, αντάξιο του μυθολογικού ονόματος του πειραματικού αεροσκάφους.
Οι πρωτοπόροι της αεροπορίας στις Ηνωμένες Πολιτείες, ωστόσο, τα παράτησαν αρχικά μπροστά στην πολυπλοκότητα του ρυθμού της πτέρυγας των πουλιών και ανέσυραν τα έως σήμερα γνωστά σε όλο τον κόσμο «σταθερά πτερύγια» από τον βυθό. Ο Ντα Βίντσι μάλλον δεν κατασκεύασε ποτέ την ιπτάμενη μηχανή του και το όνειρο του Λίλιενταλ να πετάξει όπως τα πουλιά, με το χτύπημα των φτερών πάνω-κάτω, έληξε για τον ίδιο το 1896 μοιραία κατά τη διάρκεια μιας δοκιμαστικής πτήσης στο Βερολίνο, όπως ακριβώς χιλιάδες χρόνια νωρίτερα και για τον Ίκαρο, τον πρώτο άνθρωπο στον ουρανό.Ήταν στο σωστό δρόμο, όπως δείχνει μια ματιά στον κόσμο των πτηνών: Τα φτερά των πουλιών είναι από την φύση κυρτά. Αυτό αναγκάζει τον αέρα να ρέει στο πάνω μέρος πιο γρήγορα από ό, τι προς τα κάτω, το οποίο και δημιουργεί μια ανοδική έλξη. Αυτή η αρχή της άνωσης (Αρχή του Αρχιμήδη) είναι σήμερα ορατή σε κάθε πτέρυγα, αλλά σε αντίθεση με τα συμβατικά αεροσκάφη τα πουλιά είναι σε θέση να παράγουν με τους μυς γρήγορα διαφορετικά εξογκώματα και έτσι πολλές δυνάμεις.
Την ίδια στιγμή η πτέρυγα χρησιμεύει ως έλικας: με την ανάκρουση (πίεση) προς τα πίσω το πουλί ωθείται προς τα εμπρός. Για γρήγορες αντιδράσεις και για κάθε είδους ελιγμούς, ειδικά σε περιόδους αναταραχής, σε συνθήκες ανέμου και κλειστές στροφές, τα πουλιά κάνουν μια ασύμμετρη χρήση των φτερών τους, δηλαδή το άνοιγμα διαφέρει αριστερά και δεξιά, επίσης περιστρέφονται προς τον διαμήκη άξονα σε διαφορετικό βαθμό και ανά πάσα στιγμή αυξάνουν ή μειώνουν τη συνολική επιφάνεια των φτερών τους. Το απόλυτο όνειρο της αεροναυπηγικής, η επανάληψη του κατορθώματος του Ίκαρου.
Αυτή η περίτεχνη χορεογραφία των πτηνών έχει μελετηθεί εκτενώς σε σήραγγα αεροδυναμικής από τον ορνιθολόγο Κεν Ντίαλ στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αλλά αυτό είναι μόνο ένα μικρό μέρος από τα πολλά εργαλεία ελέγχου πτήσης των πουλιών. «Τα πουλιά έχουν αρκετές χιλιάδες φτερών, από τα οποία το κάθε ένα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σταθεροποιητής, ενώ τα φτερά της ουράς έχουν αποδειχθεί ως πάρα πολύ ισχυρά αερόφρενα,» αναφέρει ο ορνιθολόγος και ερασιτέχνης πιλότος από το Πανεπιστήμιο της Μοντάνα. Το κάλυμμα του σώματος χρησιμεύει επίσης ως ένας ευαίσθητος αισθητήρας που αντιδρά σε κάθε πνοή του αέρα, μετρά την ατομοσφαιρική πίεση και μεταδίδει τις πληροφορίες στο κεντρικό νευρικό σύστημα για να επεξεργαστούν και να απαντηθούν μέσα σε κλάσμα δευτερολέπτου.
Στην εξελικτική ιστορία τους τα πουλιά έχουν συλλέξει ένα τεράστιο ρεπερτόριο πτητικών ελιγμών, οι οποίοι είναι όλοι τους γενετικά αποθηκευμένοι, έτσι ώστε αυτόματα με τον κάθε άνεμο και τις όποιες καιρικές συνθήκες να έρχεται η σωστή απάντηση. Αυτό εξηγεί για παράδειγμα τους ελιγμούς των πουλιών όταν κυνηγούν το θήραμά τους μέσα από πυκνά δάση, ή την ικανότητα να ανακτούν τον έλεγχο σε μια βουτιά ταχύτητας 350 χλμ/ώρα μέσα σε ένα μόλις δευτερόλεπτο. Για την περίπτωση που τα αεροσκάφη επιθυμούν να λάβουν αυτές τις δεξιότητες, πρέπει να μάθουν να κινούν τα φτερά τους σαν τα πουλιά.
«Ορνιθόπτερο Σνόουμπιρντ»
Οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου του Τορόντο έχουν αναπτύξει μια ιπτάμενη μηχανή με φτερά μήκους 16 μέτρων. Το μηχάνημα που το καλούν «Οrnithopter Snowbird,» είναι βάρους 42 κιλών και κατασκευασμένο από αλουμίνιο και ξύλο. Τα φτερά του κινούνται πάνω-κάτω με καθαρά μυϊκή δύναμη. Η ομάδα γύρω από τον καθηγητή Τζέιμς ΝτεΛαουρίερ εντυπωσίασε με τους μόλις 16 παλμούς της πτέρυγας: Το Σνόουμπιρντ κατάφερε να διανύσει μια απόσταση 145 μέτρων και να παραμείνει στο αέρα για 19,3 δευτερόλεπτα.«ΡομποΧελιδόνι»
Ένα ιπτάμενο μηχάνημα έχοντας ως πρότυπο ένα από τα περισσότερα ευκίνητα πουλιά, τα χελιδόνια, επινόησε μια ομάδα Ολλανδών ερευνητών γύρω από τον Ζωολόγο Δαυίδ Λεντινκ του Πανεπιστημίου Βαγκενιγκεν. Όπως και το χελιδόνι (Swift), το «ΡομποΧελιδόνι» (RoboSwift) μπορεί να πετάξει με ταχύτητα εξαιρετικά κλειστές στροφές, αλλάζοντας το σχήμα πτέρυγας.
Κάποια μαχητικά αεροσκάφη, όπως το Tornado και το F-14 έχουν αναδιπλούμενες πτέρυγες, οι οποίες κλίνουν προς τα πίσω για διαφορετικές ταχύτητες. Ωστόσο, η επιφάνεια ανύψωσης δεν μεταβάλλεται σημαντικά, εξηγεί ο Λεντνινκ, έτσι ώστε τα κύρια οφέλη από την αλλαγή στο σχήμα παρέμειναν ανεκμετάλλευτα.
Το «RoboSwift» είναι ικανό να μορφοποιήσει κατά την πτήση το σχήμα του χάρη σε τέσσερα «φτερά» σε κάθε πτέρυγά του. Με τον τρόπο αυτό, το σχήμα των φτερών μπορεί να προσαρμοστεί εξίσου σε χαμηλές και υψηλές ταχύτητες. Εάν διπλωθεί μόνο μία πτέρυγα, η ώθηση μειώνεται σε αυτή την πλευρά και το «πουλί» γέρνει επίσης σε αυτή την πλευρά. Εάν κατά την διάρκεια της πτήσης διπλώσει κατά 50% προς τα πίσω και τις δύο πτέρυγες, αυξάνεται η σταθερότητα στους ελιγμούς αλλά και η ταχύτητά του έως και 300%.Η ικανότητα να μεταβάλλεται η πτέρυγα σε διαφορετικά σχήματα, όπως στα πουλιά κατά την πτήση, καλείται «Morphing». Οι σχεδιαστές αεροσκαφών πειραματίζονται με τον συγκεκριμένο τρόπο σχεδόν από τα πρώτα βήματα της σύγχρονης αεροναυπηγικής.
«Πτεροδάκτυλος»
Το όνομα του «Πτεροδάκτυλου» της βρετανικής Westland Aircraft, μιας σειράς πειραματικών αεροσκαφών των οποίων η ανάπτυξη άρχισε το 1920 και πρωτοπέταξαν το 1931, προήλθε από έναν ιπτάμενο δεινόσαυρο. Τα πρώτα αεροπλάνα ήταν σχεδιασμένα χωρίς ουρά με πλήρως κινούμενες άκρες πτερυγίων για τον έλεγχο των περιστροφών.Η δομή αυτή υποτίθεται ότι εμπνεύστηκε από την παρατήρηση της πτήσης του γλάρου. Εάν τα δύο άκρα μετακινούνταν προς την ίδια κατεύθυνση, είχαν παρόμοια λειτουργία μιας ουραίας πτέρυγας, εάν πάλι κινούνταν σε αντίθετες κατευθύνσεις, λειτουργούσαν ως πτερύγια. Ο πιλότος μπορούσε χειροκίνητα να μετακινήσει τις πτέρυγες έως και 75 μοίρες προς τα πίσω.
Έναν διαφορετικό δρόμο επέλεξαν οι Ρώσοι με το Bakshaev LIG-7, το οποίο αναπτύχθηκε το 1937 και μέσω ενός πολύπλοκου σχεδιασμού ήταν σε θέση να ανασύρει και να κρύψει στο εσωτερικό της ατράκτου μεγάλα τμήματα της επιφάνειάς του. Κατά τς δοκιμαστικές πτήσεις, το αεροσκάφος πέτυχε απίστευτα χαμηλές ταχύτητες κατά την απο- και προγείωση.Η σχεδιαστική αρχή των Ρώσων ήταν πολύπλοκη στην κατασκευή, και με την λήξη του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, τον Ψυχρό Πόλεμο προ θυρών, και τους εξοπλισμούς να εντείνονται και πάλι, οι αεροναυπηγοί συνέχισαν εκεί που σταμάτησαν οι Βρετανοί με τον «Πτεροδάκτυλο» - το αμερικανικό Β-1, το ρωσικό MiG-23 και το Tornado στην Ευρώπη, σχεδιάστηκαν με αναδιπλούμενες πτέρυγες.
Πολλές φορές χρειάστηκαν επιπρόσθετα μέτρα για την σταθεροποίηση των αεροσκαφών, όπως ειδικά «μαξιλαράκια» στο αμερικανικό F-111, τα οποία σταθεροποιούν το αεροσκάφος κατά την αναδίπλωση των πτερυγίων προς τα πίσω. Οι σχεδιαστές του XB-70 Valkyrie βασίστηκαν στα δελτα-πτερύγια, των οποίων τα άκρα αναδίπλωναν προς τα κάτω σχεδόν κατά 90 μοίρες. Αυτή η επινόηση δεν ήταν η κατάλληλη όπως έδειξαν λίγο αργότερα οι πτητικές δοκιμές, με το Αμερικανικό Πεντάγωνο να κλείνει τη στρόφιγγα των χρημάτων για την περαιτέρω ανάπτυξη του αεροσκάφους.
Μια σειρά από νέα υλικά στην κατασκευή των αεροσκαφών σήμερα, μπορεί να αναδειχτεί η σωτήρια λύση για την πραγματοποίηση των αεροναυπηγικών σχεδίων για μορφοποίηση του σχήματος κατά την πτήση. Στην κατηγορία βρίσκονται υλικά, τα οποία είναι σε θέση να δώσουν ζωή στις άψυχες κατασκευές:
«Έξυπνα» υλικά
«Invar», το αμετάβλητο, ένα κράμα σιδήρου με 36% νικέλιο είναι σε θέση να μην αλλάζει το μήκος του, ανεξαρτήτως της διακύμανσης της θερμοκρασίας. Αυτή η ανακάλυψη χάρισε στον Τσαρλς Έντουαρντ Γουιλλάουμε το Βραβείο Νόμπελ της Φυσικής το 1920. Άλλα κράματα έχουν «μνήμη» και χάνουν κάποια ηλεκτρική αντίσταση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Είκοσι χρόνια αργότερα, ο Σουηδός Αρνέ Ολάντερ κατάφερε να κάνει μια εξίσου σημαντική ανακάλυψη: Ένα κράμα χρυσού και καδμίου έδειξε κάτι σαν μνήμη. Όταν το κράμα παραμορφώνονταν και στη συνέχεια θερμαίνονταν, αναπηδούσε πίσω στην παλιά μορφή του. Το κάδμιο είναι τοξικό, το χρυσό ακριβό - το κράμα δεν είχε κανένα μέλλον. Αλλά το αποτέλεσμα.Το 1962 το επιστημονικό εργαστήριο του Αμερικανικού Ναυτικού έψαχνε για ένα κράμα που θα μπορούσε να αντέχει στη διάβρωση από το θαλασσινό νερό και παράλληλα να είναι δύσκολο να εντοπιστεί μαγνητικά. Βρήκε ένα μίγμα νικελίου και τιτανίου και το ονόμασε «Nitinol». Κατά τις εργασίες επισύναψης πλακών αυτού του υλικού στην πλώρη ενός υποβρυχίου, συνέβη το απρόσμενο: Ένας εργαζόμενος, ως συνήθως, ζέστανε το χάλυβα για να γίνει πιο ελαστικός - το μέταλλο αναπήδησε σε μια διαφορετική μορφή, τη μορφή της γέννησής του: Το Nitinol ανακαλύφθηκε ως ένα «μέταλλο με μνήμη».
Αργότερα έγιναν γνωστοί πολλοί άλλοι συνδυασμοί μετάλλων με το ίδιο αποτέλεσμα. Τα θαυματουργά αυτά κράματα μετάλλου, στον σωστό συνδυασμό, είναι φανταστικά ελαστικά. Χρησιμοποιούνται για παράδειγμα στην κατασκευή εξαιρετικά ανθεκτικών σκελετών γυαλιών, στην οδοντιατρική και στη χειρουργική για τη διεύρυνση της στένωσης αρτηριών μέσω ελαστικών σωλήνων. Ο λόγος για αυτή την υπέροχη ελαστικότητα αυτών των κραμάτων: το ατομικό τους πλέγμα μπορεί να λάβει δύο διαφορετικές μορφές. Σε χαμηλές θερμοκρασίες χαρακτηρίζεται από ένα τεθλασμένο μοτίβο. Όταν θερμανθεί αλλάζει σε ωστενιτική μορφή. Ανάλογα με τη θερμοκρασία, το μέταλλο κάνει άλματα εμπρός και πίσω, μεταξύ των δύο μορφών. Κνικ, Κνακ - όπως η εσοχή του καπακιού από το βερνίκι παπουτσιών.
Η αμερικανική NASA ανέπτυξε ένα τέτοιο μέταλλο με μνήμη, ένα μεταλλικό πλέγμα, το οποίο στον χώρο του Διαστήματος άλλαζε μορφή και γινόταν ένα δορυφορικό πιάτο. Τα μέταλλα μνήμης είναι αυτά τα υλικά σήμερα, στα οποία βασίζονται όλα τα φουτουριστικά σχέδια των αεροναυπηγών: Mεταλλικoί μύες για τα ρομπότ - για τα εναέρια.
Μια άλλη κατηγορία υλικών είναι τα πλαστικά τζέλ, τα οποία δεν είναι τόσο εύρωστα, αλλά πολύ ελαστικά. Οι αλυσίδες πολυμερών διεγείρονται από ηλεκτρικό ρεύμα, έτσι ώστε να συμπεριφέρονται όπως οι ίνες των μυών και να μειώνουν ρυθμικά, ασκώντας με αυτόν τον τρόπο αναρρόφηση και πίεση.
Μια επόμενη κατηγορία υλικών είναι οι κρύσταλλοι ή τα κεραμικά μέρη, τα οποία έχουν δύο λειτουργίες. Υπό τη δύναμη της πίεσης, αντιδρούν με ένα ηλεκτρικό σοκ, ενώ εάν δεχτούν αυτά το ηλεκτρικό σοκ, προκαλείται παραμόρφωση. Αυτά τα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν με την ιδιότητα των φτερών, όπως ακριβώς τα φτερά ενός πουλιού, και να χρησιμεύσουν ως αισθητήρες για τη ροή του αέρα και ως σταθεροποιητές για την πτήση.
Οι ερευνητές και μηχανικοί της NASA εργάζονται σήμερα σε ένα αεροσκάφος το οποίο θα ενσωματώσει «έξυπνα» υλικά που θα επιτρέψουν τα φτερά του αεροσκάφους να αλλάζουν το σχήμα για τις βέλτιστες πτητικές συνθήκες. Η σημαντική πρόοδος στη βιοτεχνολογία, τη νανοτεχνολογία, και στον τομέα των πληροφοριών, ανοίγουν την πόρτα σε μια νέα εποχή στην ανάπτυξη των αεροσκαφών, σε σχέδια που θα είναι ριζικά διαφορετικά από τα σημερινά αεροσκάφη. Τα αεροσκάφη του μέλλοντος δεν θα κατασκευάζονται παραδοσιακά, συνδέονταις πολλά μηχανικά εξαρτήματα και συστήματα μεταξύ τους. Αντ 'αυτού, τα αεροσκάφη θα έχουν πλήρως ενσωματωμένα, έξυπνα υλικά που θα επιτρέψουν την πτέρυγα να πετύχει πρωτοφανή επίπεδα στην αεροδυναμική απόδοση.
Ο «Κορμοράνος» της Lockheed Martin είναι σχεδιασμένος για την ανάπτυξη του από τους σωλήνες πυραύλων των υποβρυχίων της κλάσσης Οχάιο του Αμερικανικού Ναυτικού. Η σχεδιαστική σύλληψη του «Κορμοράνου» θέλει το αεροσκάφος να προσγειώνται στο νερό με μια βουτιά, και στη συνέχεια να ανακτάται από ένα ρομποτικό υποβρύχιο όχημα. Κατασκευασμένος από τιτάνιο και άλλα προηγμένα υλικά, ο «Κορμοράνος» ζυγίζει περίπου τέσσερις τόνους. Για να αντισταθμίσει υποβρύχια τις πιέσεις που είναι τρεις φορές μεγαλύτερες από τη μέγιστη πίεση που μπορεί να αντέξει ένα τυπικό αεροσκάφος, το εσωτερικό του «Κορμοράνου» θα είναι υπό πίεση με αδρανές αέριο ή αέρα.
Το Airbus 350 XWB, το οποίο σε δύο χρόνια από σήμερα θα λειτουργεί στις μεγάλες αποστάσεις, ενσωματώνει κατά μήκος της ατράτου αισθητήρες και σταθεροποιητές πτήσης. Το «Concept Plane» ένα για το 2050 σχεδιασμένο Airbus, με τα προς τα πάνω κυρτά πτερύγια και ουρά, μοιάζει με ένα γεράκι σε πτήση. Ωστόσο, είναι αμφίβολο εάν ένα Airbus θα πετάξει μια μέρα σαν ένα πουλί. Μικρότερα όμως αεροσκάφη ίσως καταφέρουν να πλοηγηθούν στον ουρανό όπως τα πουλιά. Πιο ήσυχα, οικονομικά στην κατανάλωση ενέργειας, με γρήγορα αντανακλαστικά και με μειωμένο τον κίνδυνο συντριβής - όπως ακριβώς τα πουλιά.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου