NASA i Boeing testują długie, wąskie skrzydła, które mogą zmienić samoloty pasażerskie
Samoloty pasażerskie przyszłości mogą wyglądać zupełnie inaczej niż dzisiejsze: zamiast klasycznych, relatywnie krótkich i szerokich skrzydeł, otrzymałyby znacznie dłuższe i cieńsze skrzydła, które zużywają mniej paliwa i zapewniają pasażerom spokojniejszą podróż. Za tą zmianą stoi wspólny program badawczy amerykańskiej agencji kosmicznej NASA i producenta samolotów Boeing, który w grudniu 2025 r. zakończył kluczową serię badań w tunelu aerodynamicznym w centrum badawczym NASA Langley w Wirginii.
Program nosi nazwę Integrated Adaptive Wing Technology Maturation (IAWTM), a jego celem jest opracowanie technologii, które umożliwią użycie skrzydeł o znacznie większym wydłużeniu płata – czyli dłuższych i węższych skrzydeł – bez zagrażania bezpieczeństwu i wytrzymałości strukturalnej samolotu. NASA i Boeing chcą tym samym otworzyć drogę nowej generacji komercyjnych samolotów, które byłyby jednocześnie oszczędniejsze, cichsze i wygodniejsze dla pasażerów.
Dlaczego przemysł lotniczy zwraca się ku długim, wąskim skrzydłom
Przemysł lotniczy od lat szuka sposobów na zmniejszenie zużycia paliwa i emisji, nie tylko z powodu rosnących cen paliwa, ale także z powodu coraz surowszych celów klimatycznych i środowiskowych. Większa część strat aerodynamicznych w samolotach pasażerskich powstaje z powodu oporu indukowanego – turbulencji na końcówkach skrzydeł, które powstają przy wytwarzaniu siły nośnej. Dłuższe i cieńsze skrzydło, czyli skrzydło o większym wydłużeniu, zmniejsza ten opór indukowany i zwiększa stosunek siły nośnej do oporu, co przekłada się bezpośrednio na mniejsze zużycie paliwa.
Trend ten widać już na rynku: nowoczesne samoloty szerokokadłubowe mają znacznie większe wydłużenie skrzydeł niż starsze generacje. Niemieckie centrum badań lotniczych DLR podaje, że na przykład Airbus A300 z lat 70. miał wydłużenie około 7,7, podczas gdy Airbus A350, zaprezentowany w 2013 roku, ma wydłużenie około 9,3 – istotnie większą, smuklejszą geometrię skrzydła przy pomocy materiałów kompozytowych i zaawansowanych rozwiązań aerodynamicznych.
Badania pokazują, że taka geometria może przynieść mierzalne oszczędności. Jedno niedawne badanie na przykładzie długodystansowego samolotu pasażerskiego Boeing 777-300ER wykazało, że zwiększenie wydłużenia skrzydła o około 1,5 raza może zmniejszyć opór indukowany o przybliżeniu 23 procent i całkowity opór skrzydła o około 13 procent – co stanowi znaczną oszczędność paliwa na poziomie całego samolotu.
Skrzydło, które coraz bardziej się wygina: ryzyka aerosprężyste i „flutter”
Jednakże, dłuższe i cieńsze skrzydła wiążą się z poważnym wyzwaniem technicznym. W miarę jak rozpiętość skrzydeł się zwiększa, a struktura jednocześnie stara się pozostać jak najlżejsza, skrzydło staje się bardziej elastyczne. W locie oznacza to większe wygięcia i skręcenia, zwłaszcza przy podmuchach wiatru, zmianach wysokości lub ostrych manewrach. W ekstremalnych przypadkach może pojawić się niebezpieczne zjawisko znane jako flutter – niestabilność aerosprężysta, przy której przepływ powietrza nad skrzydłem „synchronizuje się” z własnymi częstotliwościami drgań konstrukcji, przez co drgania się wzmacniają i mogą rosnąć wykładniczo.
W najgorszym scenariuszu, niekontrolowany flutter może doprowadzić do uszkodzenia strukturalnego lub nawet złamania skrzydła. Dlatego celem programu NASA i Boeinga jest nie tylko „określenie” granic takich niestabilności, ale opracowanie aktywnych systemów sterowania skrzydłem, które zapobiegłyby flutterowi zanim się pojawi. Osiąga się to poprzez kombinację czujników w konstrukcji, modeli komputerowych i ruchomych powierzchni sterowych na skrzydle, które w czasie rzeczywistym reagują na obciążenia i deformacje.
Program IAWTM: wspólne laboratorium dla skrzydeł przyszłości
Właśnie tym zajmuje się program Integrated Adaptive Wing Technology Maturation, umieszczony w projekcie NASA Advanced Air Transport Technology (AATT), który jest częścią programu Advanced Air Vehicles. Jego strategicznym celem jest umożliwienie zwiększenia wydłużenia w samolotach transportowych o około 1,5 do 2 razy w stosunku do dzisiejszych konfiguracji, przy zachowaniu bezpieczeństwa i sterowności.
W ramach programu opracowywane i badane są tzw. wielocelowe prawa sterowania: algorytmy, które jednocześnie próbują zmniejszyć opór (optymalizacja drag), złagodzić obciążenia przy manewrach, wytłumić podmuchy wiatru i aktywnie tłumić flutter. Takie podejście łączy aerodynamikę, dynamikę konstrukcji i automatykę w jedną całość – dyscyplinę, którą inżynierowie lotniczy nazywają aeroserwoelastycznością.
Program opiera się na wcześniejszych projektach „zielonych” samolotów, wśród których jest i Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR), w którym badano już skrzydło o dużym wydłużeniu wsparte zastrzałem, ale z mniejszą liczbą aktywnych powierzchni sterowych. IAWTM idzie teraz krok dalej: zamiast dwóch ruchomych powierzchni na skrzydło, jak było w SUGAR, nowy model wykorzystuje dziesięć takich elementów, aby precyzyjniej sterować zachowaniem skrzydła w locie.
Transonic Dynamics Tunnel: wielki tunel dla połowy samolotu
Badania, które kulminowały w grudniu 2025 r., przeprowadzono w Transonic Dynamics Tunnel (TDT) NASA w Langley Research Center w Hampton, stan Wirginia. Mowa o tunelu aerodynamicznym, który od ponad sześciu dekad uczestniczy w rozwoju amerykańskich samolotów cywilnych i wojskowych, rakiet, statków kosmicznych i konfiguracji eksperymentalnych. Tunel ma sekcję badawczą wysoką i szeroką na około 4,9 metra (16 stóp), wystarczająco dużą dla modeli, które wiernie odwzorowują zachowanie aerodynamiczne i strukturalne dużych samolotów pasażerskich.
Ponieważ cały prawdziwy samolot pasażerski nie może zmieścić się w tunelu aerodynamicznym, NASA i Boeing zamówiły specjalny model połowy samolotu, który wykonała firma NextGen Aeronautics. Model wygląda jak kadłub i skrzydło samolotu „przecięte na środku” i przymocowane do ściany tunelu. Skrzydło o rozpiętości około 13 stóp (nieco mniej niż cztery metry) ma geometrię o dużym wydłużeniu, ze stosunkowo małą cięciwą i cienkim profilem, który w locie znacznie się wygina.
Wzdłuż tylnej krawędzi skrzydła umieszczono dziesięć ruchomych powierzchni podobnych do klasycznych klap i lotek, które służą jako „mięśnie” systemu aktywnego sterowania. W skrzydło i dźwigar wbudowano setki czujników, które mierzą obciążenia, deformacje i wibracje, podczas gdy szereg systemów pomiarowych w tunelu śledzi prędkość i kierunek przepływu powietrza. Wszystkie te informacje w czasie rzeczywistym są przesyłane do komputerów, które sterują poruszaniem powierzchni sterowych według z góry zdefiniowanych algorytmów.
Od SUGAR do zaawansowanego skrzydła adaptacyjnego
Nowy model skrzydła stanowi znaczący krok naprzód w stosunku do wcześniejszych konfiguracji badawczych. W programie SUGAR, który również obejmował Boeinga, testowano skrzydło z dwiema aktywnymi powierzchniami sterowymi, czym można było częściowo sterować obciążeniami i wibracjami. W IAWTM, z dziesięcioma oddzielnymi powierzchniami wzdłuż tylnej krawędzi, inżynierowie zyskują dużo więcej stopni swobody: mogą celować w różne części skrzydła, zmieniać rozkład siły nośnej i precyzyjnie dostrajać odpowiedź na podmuchy wiatru.
Takie podejście otwiera możliwość, aby skrzydło „zachowywało się” inaczej w różnych fazach lotu. Na przykład, podczas przelotu nacisk może być położony na minimalizację oporu i zużycia paliwa, podczas gdy w trakcie turbulencji priorytet przenosi się na tłumienie wibracji i ochronę struktury. Przy starcie i lądowaniu powierzchnie sterowe mogą pomóc w bardziej równomiernym rozkładzie obciążeń na rozpiętości skrzydła, co ułatwia wymagania konstrukcyjne i może umożliwić cieńsze, lżejsze dźwigary.
Testy 2024 i 2025: najpierw kalibracja, potem aktywna kontrola
Program badań odbywał się w dwóch głównych kampaniach. W trakcie 2024 roku NASA i Boeing przeprowadziły pierwszą serię testów w TDT, aby zebrać podstawowe dane o zachowaniu skrzydła bez złożonych algorytmów aktywnej kontroli. Wyniki te porównano z zaawansowanymi symulacjami komputerowymi, a różnice między pomiarami i modelami posłużyły do precyzyjnego dostrojenia narzędzi numerycznych.
Druga kampania, przeprowadzona w 2025 roku, wykorzystała dziesięć powierzchni sterowych w różnych kombinacjach. Naukowcy badali algorytmy do zmniejszania obciążeń przy manewrach, do łagodzenia podmuchów wiatru oraz do aktywnego tłumienia fluttera. W tych testach tunel generował warunki podobne do podmuchów wiatru i turbulencji, których skrzydło doświadczyłoby w rzeczywistym locie, podczas gdy systemy kontrolne w czasie rzeczywistym odpowiadały na zmiany obciążeń.
Według pierwszych analiz, systemy aktywnej kontroli opracowane w NASA i Boeingu wykazały „duże poprawy wydajności”. Szczególnie wyróżniają się testy, w których symulowano podmuchy wiatru: w stosunku do przypadku bez aktywnej kontroli, amplituda trzęsienia skrzydła została widocznie zmniejszona, co oznacza mniejsze obciążenie dla konstrukcji i spokojniejsze warunki dla pasażerów. Chociaż szczegółowe dane ilościowe jeszcze nie zostały publicznie ogłoszone, NASA podaje, że algorytmom aeroserwoelastycznym udało się znacząco wytłumić niepożądane wibracje.
Teraz następuje faza szczegółowego badania zebranych danych. Inżynierowie będą analizować, jak różne konfiguracje powierzchni sterowych i algorytmów zachowują się w szerokim zakresie prędkości, gęstości powietrza i obciążeń. Wyniki zostaną następnie podzielone z producentami samolotów i liniami lotniczymi, którzy na tej podstawie ocenią, jakie technologie ma sens wbudować w przyszłe modele pasażerskie.
Co zyskują pasażerowie i linie lotnicze
Dla pasażerów, najbardziej widocznym efektem tych technologii może być – lub lepiej powiedziane, ledwo zauważalnym – uczucie znacznie spokojniejszego lotu. Dłuższe i cieńsze skrzydła same w sobie mogą zapewnić gładsze przejście przez powietrze, ale przy aktywnej kontroli skrzydła turbulencja jest dodatkowo tłumiona. System, który „nasłuchuje” podmuchów wiatru i w ułamku sekundy dostosowuje geometrię skrzydła, może znacznie zmniejszyć nagłe szarpnięcia i drgania, które wielu pasażerów odbiera jako nieprzyjemną, a nawet przerażającą część podróży.
Dla linii lotniczych kluczowy jest rachunek ekonomiczny. Mniejsze zużycie paliwa oznacza niższe koszty i zmniejszoną ekspozycję na zmienność cen produktów naftowych. W połączeniu z nowoczesnymi silnikami i lekkimi strukturami kompozytowymi, skrzydła o dużym wydłużeniu mogą pomóc w osiągnięciu dwucyfrowych procentowych oszczędności w zużyciu paliwa na typowych trasach komercyjnych, zwłaszcza na lotach długodystansowych. Jednocześnie, mniejsze zużycie paliwa oznacza mniejsze emisje CO2 na pasażera, co wpisuje się w cele klimatyczne, które postawiły sobie i organy regulacyjne, i sam przemysł.
Ważne jest też, że technologie aktywnej kontroli mogą być wprowadzane stopniowo. Nie jest konieczne, aby pierwsze samoloty wyposażone w taki system od razu miały ekstremalnie smukłe skrzydła; mogą zacząć od umiarkowanie zwiększonego wydłużenia, wraz z systemem, który pomaga przy łagodzeniu obciążeń, i następnie, w miarę jak przemysł zdobywa doświadczenie, iść w stronę bardziej agresywnych geometrii. Ta stopniowość zmniejsza ryzyko technologiczne i regulacyjne oraz ułatwia certyfikację nowych rozwiązań.
Krok w stronę bardziej przyjaznego dla klimatu lotnictwa
Praca NASA i Boeinga nad adaptacyjnymi skrzydłami o dużym wydłużeniu wpisuje się w szerszy obraz transformacji transportu lotniczego. Podczas gdy część przemysłu skupia się na nowych paliwach – zrównoważonych paliwach lotniczych (SAF), wodorze lub napędach elektrycznych i hybrydowo-elektrycznych – ulepszenia aerodynamiczne i strukturalne pozostają koniecznym fundamentem każdej strategii dekarbonizacji. Każde zmniejszenie oporu i zwiększenie wydajności bezpośrednio zmniejsza ilość energii potrzebnej do wykonania tego samego lotu, bez względu na to, skąd ta energia pochodzi.
Jeśli wyniki programu IAWTM przełożą się na konkretne samoloty pasażerskie, przyszli pasażerowie być może będą siedzieć w kabinie z widokiem na niezwykle długie, eleganckie skrzydła, które widocznie wyginają się przy starcie i lądowaniach. Za tym widokiem stać będą wyrafinowane systemy czujników, siłowników i algorytmów, które dbają o to, by wyginanie pozostało w bezpiecznych granicach, wibracje były tłumione, a zużycie paliwa mniejsze niż kiedykolwiek wcześniej. To, wraz z pozostałymi innowacjami, mogłoby pomóc, aby transport lotniczy utrzymał swoją rolę w globalnej mobilności, ale ze znacznie mniejszym śladem ekologicznym niż dzisiaj.
Chociaż testowanie w tunelu aerodynamicznym jest zakończone, praca dla naukowców i inżynierów jeszcze nie jest gotowa. Następne kroki obejmują szerzenie wyników w społeczności eksperckiej, sprawdzenie, jak nauczone lekcje można zastosować do różnych typów samolotów – od wąskokadłubowych samolotów na krótkie i średnie trasy do dużych maszyn szerokokadłubowych – oraz ostatecznie rozwój demonstratora w rzeczywistym locie. Jak szybko to nastąpi, zależeć będzie od zainteresowania producentów, ram regulacyjnych i gotowości rynku, ale jest jasne, że idea długich, wąskich i aktywnie sterowanych skrzydeł poważnie przybliża się do komercyjnego zastosowania.
Źródła:
- NASA – oficjalny komunikat o testowaniu długich, węższych skrzydeł w Transonic Dynamics Tunnel (link)
- New Atlas – popularnonaukowe przedstawienie testów adaptacyjnego skrzydła NASA–Boeing i redukcji turbulencji (link)
- Flying / Flights – artykuł analityczny o projekcie IAWTM i efektach aktywnej kontroli na flutter i obciążenia skrzydła (link)
- DLR – tekst fachowy o rozwoju skrzydeł z większym wydłużeniem w lotnictwie komercyjnym (link)
- MDPI / Aerospace – praca naukowa o wpływie zwiększonego wydłużenia skrzydła na opór i wydajność, na przykładzie Boeinga 777-300ER (link)
- NASA NTRS – prezentacje o celach i metodach programu Integrated Adaptive Wing Technology Maturation i wielocelowych prawach sterowania (link)
Czas utworzenia: 4 godzin temu