Zajímavé informace

Nanotechnologie versus námraza letadel

Jedním z velkých nebezpečí letectví je námraza neboli usazování sněhu a souvislé ledové pokrývky na površích letadel. Nejnebezpečnějším to je na površích nosných a ocasních ploch. Proto byla činěna mnohá opatření k zábránění či omezení těchto nánosů.

Jsou to napříkla různě ošetřené povrchy křídel, vyhřívání jejich částí nebo instalací pružných potahů předních částí nosných ploch apod. Tak se letouny ledových usazenin jejich rozrušováním a odlamováním po částech zbavují. Mimoto vlastnosti těchto pružných potahů zmenšují možnosti usazování ledu, takže, jak můžete pozorovat na předchozím obrázku, je tloušťka ledu na nich poněkud tenčí ve srovnání s ostatními povrchy křídla.

V posledních desetiletích věda dosáhla významného pokroku v tvorbě miniaturních anorganických i organických částic. Jejich velikosti jsou v desítkách nanometrů - nm.

1 nanometr je miliardtina metru, což je 0,000001 mm.

Nebo jinak zapsáno:

1 nm = 0,000000001m = 0,000001 mm = 0,001 µm

Takové výrobky z částic či vláken mají obvykle velikosti menší než asi 100 nm. Mohou se z nich vyrábět například sítě nebo trubice, jejichž částice jsou vzájemně spojeny. Na dalším obrázku je příklad jedné sítě z nanočástic.

Tyto technologie postupně začínají zasahovat do prakticky všech lidských konání tak jak jsou objevovány jejich použitelné vlastnosti. Zůstaneme-li například u povrchových úprav těles pomocí nanočástic, z nichž jsou vytvořeny jejich vhodné povlaky, pak se předpovídá, že například u lodí se takovouto úpravou jejich trupů sníží spotřeba paliva až o 50%, protože ulpívání mořské flory a fauny na nich se podstatně sníží a tím klesne i hydrodynamický odpor. Pěny z nanomateriálů významně zvyšují odpor proti průchodu tepla a tak se z nich stávají skvělé tepelně izolační hmoty.

Organické nanopotahy zlepšují vlastnosti polovodičů a tak umožňují vytvářet nové generace tranzistorů.

Ve výrobě barev pro vnější použití snižuje použití nanopřísad dosavadní potřebu přimíchávání těžkých kovů kvůli odolnostem prostředí a zvyšuje stálost barev.

Univerzita v holandském Eindhovenu nahradila potřebu india a galia u současných solárních článků nanočásticemi vhodných materiálů a stvořila prototypy jež jsou ohebné a tenké a s účinnostmi přeměny sluneční energie až 45% (stávající mají nejvýše 22%). Tyto články jsou na dalším obrázku.

A teď zase zpátky k letectví. Je známo, například, že voda snese pozvolné podchlazení až asi do -15oC, než ztuhne, ale zato rychle, v led. Takže takováto přeměna skupenství probíhá za klidu v poměrně širokém rozmezí teplot. Protože víme, že teplota a tlak v ovzduší jsou vzájemně propojeny, nedivíme se tomu, když se na křídlech letounů, kde jsou proměnné rychlostní poměry( a tedy i tlaky), vytváří ledové vrstvy. Jak silné jsou záleží zřejmě především na atmosférických podmínkách v nichž se letoun právě nachází. Jak dlouho se na površích letounu udrží a jak rychle narůstají souvisí již s vlastnostmi materiálů letounů.

Některé povrchy jsou snadno smáčitelné ( hydrofilní) a jiné zase hůře snášejí(hydrofobní) přítomnou kapalinu na svém povrchu . A zde přicházejí do hry nanoúpravy povrchů. Podívejte se na další obrázek, kde je schematicky naznačeno jak se chová kapka vody na šikmé ploše(aby mohla stékat) povrchu hydrofilního, pak na tutéž kapku na povrchu kapalinu odpuzujícího (hydrofobního) a nakonec na povrch s úpravou intenzivně odpuzující kapalinu(superhydrofobního).

Mrznoucí kapka vody má po nějakém čase snahu se na povrchu hydrofilním udržet ve zmrzlém stavu poměrně snadno. Na povrchu hydrofobním má již těžkosti a na povrchu superhydrofobním se jí to nedaří v průběhu nedlouhého času téměř vůbec. A to by mohlo být skvělé řešení pro letadla.

Takže boj proti námraze na „nano úrovni“ by měl být úspěšný.

Protože však nic není úplně zadarmo, tak je třeba počítat například s tím, že nanočástice snadno pronikají do lidského těla a mají schopnost se v něm dlouho udržet.

Přesto je ale třeba pokračovat, protože jak řekl jeden z pionýrů nanotechnologií asi před 50 lety:“Tam dole je ještě hodně místa, které by se mělo využít.“

Trochu o proudění kolem těles

Přinášíme tři zdánlivě spolu nesouvisející případy informující o tom jak si počíná vzduch: 1.při obtékání budov,t.j. ve velkém měřítku charakterizovaném rozměry desítek metrů 2.pak zase při příčném proudění přes nekonečně dlouhá tělesa pravoúhelníkového tvaru se zaoblenými a ostrými hranami 3.a nakonec jak to může vypadat, podaří-li se zviditelnit proudění v tenké vrstvě přiléhající těsně k povrchu tělesa.

Z následujícího obrázku můžete získat rámcové informace o tom jaké proudnicové obrazce vytváří vítr když narazí na nějakou „hranatou“ budovu. Nad budovou, na její střeše, se vyskytují nejvyšší místní rychlosti proudění na náběžné hraně ploché střechy, které jsou až 1,8 krát vyšší než rychlost vanoucího větru před budovou. Zde dochází také k nejčastějším poškozením budov. Na samotné střeše ve směru proudění větru pak tyto místní rychlosti klesají plynule, až na jejím konci dosahují „jen“o cca 22% vyšších hodnot než rychlost větru před budovou. A obdobně je tomu i na nosných a ocasních plochách letounů.

Značně vysoké jsou také místní rychlosti na svislých hranách( rozích) budovy, kde dosahují hodnot vyšších o cca 50%. To snadno poznáte, když obcházíte ze závětrné strany budovu směrem proti větru. Najednou vkročíte do prudkého dynamického účinku proudu vzduchu.

Na bočních stěnách budovy jsou místní rychlosti jen asi o cca 20% vyšší než v proudu před ní.

Za budovou, na její závětrné straně, je možné registrovat nepravidelný výskyt mnoha místních vírů při rychlostech podstatně nižších než je rychlost okolního vzduchu. Těsně při zadní stěně budovy je možné najít místa s občasným „bezvětřím“.

Takhle dochází k trojrozměrnému obtékání, když vítr narazí na nějakou svislou překážku. Čím je stavba vyšší, tím jsou účinky větru větší a je s nimi třeba při jejich navrhování počítat. Vysoké budovy, stojí-li blízko sebe, se navíc i při nepříliš silném větru ovlivňují navzájem výrazně.

Na dalším obrázku je něco, dalo by se říci, z úplně jiného světa. Je to fotografie zachycující zviditelnění proudu v tenké vrstvě na zakřiveném povrchu tělesa. Ta vrstva má název – mezní vrstva(to již víme z dřívějška) a její tloušťka se pohybuje od několika desetin milimetru u malých velikostí, například u modelů letadel, až do několika centimetrů u těles velkých rozměrů, například u dopravních letounů.

Fotografie dokládá přítomnost intenzivního víření při povrchu tělesa, které při tomto zviditelnění připomíná odpařování vody z vlhkých povrchů. Protože neznáme bližší podmínky, které provázely toto proudění-teplotu, tlak, drsnost povrchu atd., neodvážíme se je podrobněji komentovat. Připomeneme pouze, že zde se tvoří podmínky pro vznik tzv. třecího odporu, který v určitých fázích rozhoduje o celkovém výsledku proudění kolem těles.

Z textu u obrázků je také zřejmě o jaké druhy proudění , laminární či turbulentní, se jedná a jak velký úplav, a tím i odpor, tato proudění provází.

Z dalšího obrázku je možné načerpat údaje o součinitelích odporu nekonečně dlouhých těles pravoúhelníkových tvarů s ostrými a zaoblenými rohy s různým poměrem šířky a výšky, v závislosti na Reynoldsově čísle v rozmezí 10 000 až cca 6 000 000. Tělesa jsou vystavena účinkům napříč proudícího vzduchu.

Všimněte si, že tělesa s ostrými rohy, bez ohledu na poměr výšky ku šířce, mají hodnoty součinitelů odporu prakticky nezávislé na Re čísle. Jinak řečeno - součinitel odporu je zhruba stejně velký pro nízké i vysoké rychlosti proudění.

Jakmile se však jejich ostré pravoúhlé rohy zaoblí, průběh součinitelů odporu se začne měnit. Jejich hodnoty se začnou měnit až prudce klesnou při dosažení kritické hodnoty Re čísla. Je to obdobný úkaz jako například při obtékání koule, kde po dosažení Re č. přibližně 300 000 se odpor podstatně zmenší. Při stejné velikosti tělesa zde rychlost proudění hraje významnou roli, tak jako je tomu například u profilů nosných ploch letounů.

Další návrh létajícího auta

Námět jsme prostřednictvím našeho stoupence pana V.P. převzali z listů Composites World.

The Defense Advanced Research Projects Agengy (DARPA),což lze při našich skromných znalostech američtiny přeložit asi jako Agenturu pro pokročilé výzkumy obranných projektů( z Wikipedie je to Agentura pro výzkum pokročilých obranných projektů) začala pracovat na 65 milUSD dotovaném programu s cílem vyvinout čtyřmístný letový a jízdní „vehikl“. Má to být něco jako nejnovější návrh létajícího auta. Podívejte se na následující dva obrázky.

Tento stroj zvaný The Transformer (TX) by měl fungovat jako Humvee( to je ta vojenská příšerka s pohonem čtyř kol a spotřebou 28 l/100km) na povrchu Země a také umožnit „vírníkové létání“. Cílem mělo by být dosažení nevídané schopnosti vyhnout se známým a tradičním hrozbám plynoucím z překážek v dopravě na silnicích.

Zamyšlené použití počítá s evakuacemi zraněných, ochranou před účinky improvizovaných výbušných nástrah, zásobování vzdálených a nedostupných míst a také nasazení speciálních sil. To je vidět na obrázku s pozadím zničených staveb.

Tento pohyblivý prostředek by měl mít dosah na Zemi i ve vzduchu kolem 280mil (440 km) a zároveň by měl mít schopnost svisle startovat i přistávat. Řešitelé si rovněž kladou za cíl automatického ovládání letu posádkou bez pilotního výcviku.

Prototyp má být dokončen na počátku roku 2015.

Zadání úlohy požaduje vyřešit jak pohyb ve vzduchu tak i na Zemi se sklopnými nosnými plochami a sobě vlastní schopností vyhnout se havariím.

Úkol je to nemalý a pokud bude sloužit lidem v ohrožení a nesnázích tak mu přejeme plný úspěch.

Když se podíváte podrobněji na oba obrázky, tak byste mohli nebo měli dojít k dojmu, že by to mohl být vírník s naklápěným hřídelem rotoru. Jak by ale vírník mohl startovat bez rozjezdu v nevhodném terénu? Nebo je to nějaká zvláštní kombinace letadla s rotujícími plochami?

Obě poloviny pevného křídla, ale otočně uloženého podle dvou svislých os na střeše vehiklu v silničním provozu, by měly zřejmě sloužit jako nosná plocha a to buď samostatně nebo současně s rotorem.

Protože žádné bližší technické a výkonové parametry nebyly k dispozici není možné tento stroj blíže hodnotit.