• English

Przewody doktorskie

Zakończone przewody doktorskie

Praca ma charakter doświadczalny i poświęcona jest metodzie podwyższania właściwości manewrowych samolotów szkolno-treningowych zbudowanych w oparciu o zasady klasycznej aerodynamiki.

Pojawienie się samolotów myśliwskich charakteryzujących się wysokimi właściwościami manewrowymi niejako automatycznie podniosło wymagania w stosunku do samolotów przeznaczonych do szkolenia pilotów.

W pracy została przedstawiona metoda i sposób uzyskania zamierzonego efektu podwyższenia manewrowości modernizowanego samolotu szkolno-treningowego o klasycznej aerodynamice poprzez wprowadzenie zmian opracowanych w procesie projektowania aerodynamicznego w oparciu o bazę tuneli aerodynamicznych Instytutu Lotnictwa. Uzyskane wyniki badań modeli w tunelach aerodynamicznych oraz porównanie z wynikami badań w locie wykonanymi na prototypach samolotu są materiałem dowodowym uzasadniającym twierdzenie zawarte w tezie rozprawy, że podwyższoną manewrowość (lepsze właściwości aerodynamiczne) samolotu szkolno-treningowego w układzie górnopłata o klasycznej aerodynamice można osiągnąć przez zastosowanie mechanizacji skrzydła i wyposażenie go w pasmo (Strake, LEX) zabudowane u nasady skrzydła.

Dla podwyższenia siły nośnej skrzydła, w pełnym zakresie prędkości użytkowych samolotu oraz podwyższenia granicy występowania zjawiska buffetingu skrzydła, autor zaproponował wprowadzenie pasma (generatora przepływu wirowego omywającego górną powierzchnię skrzydła w obszarze przykadłubowym, w strefie profilu symetrycznego, zabudowanego u nasady skrzydła).

Dla podwyższenia siły nośnej skrzydła, w zakresie małych prędkości oraz zmniejszenia kąta odgięcia strug przepływu za skrzydłem, autor zaproponował wprowadzenie mechanizacji skrzydła (na krawędzi natarcia i spływu skrzydła) opartej na działaniu klapy Fowlera, wytwarzającej siłę nośną nie tylko poprzez odgięcie strug przepływu, ale również przez zwiększenie powierzchni skrzydła (poszerzenie), co w efekcie zapobiegło pojawianiu się oderwania na dolnej powierzchni usterzenia poziomego.

Wariantowo opracowane przez autora zmiany były kolejno wprowadzane do kompletacji modeli i poddawane badaniom w tunelach aerodynamicznych. Niezbędne zmiany korygujące wprowadzane były sukcesywnie w zależności od uzyskiwanych wyników badań.

Wprowadzenie zmian na prototypach zaplanowano i zrealizowano w dwóch etapach. Etap pierwszy: modyfikacji podlegał prototyp samolotu I-22 „Iryda”, na którym wprowadzono zmiany obejmujące zabudowę pasma oraz podwyższenie statecznika pionowego.

Etap drugi: przebudowie podlegał kolejny samolot, na którym wprowadzono dodatkowo całkowicie zmienioną mechanizację skrzydła składającą się z dwusegmentowych slotów na krawędzi natarcia skrzydła i klapy typu Fowler.

Przedstawione w pracy analizy i badania pozwoliły na pozytywne zweryfikowanie tezy rozprawy naukowej. Opracowana metoda przeprowadzenia doboru elementów (pasmo, mechanizacja skrzydła) i badań pozwoliła na osiągnięcie przez modernizowany samolot cech podwyższonej manewrowości.

Rozprawa doktorska podejmuje tematykę wpływu efektów giroskopowych na własności dynamiczne lekkich samolotów z napędem turbinowym. Momenty giroskopowe generowane są przez turbinowy zespół napędowy ze śmigłem i powodują sprzężenie między dynamiką podłużną a boczną samolotu.

Głównym celem pracy było zbadanie wpływu efektów giroskopowych na stateczność dynamiczną i reakcję samolotu na manewry po gwałtownym wychyleniu sterów lub po wejściu samolotu w podmuch wiatru.

Jako reprezentanta samolotów klasy GA, dla którego przeprowadzono obliczenia w niniejszej pracy, wybrano turbośmigłowy samolot I-31T. Analizy przeprowadzono dla kilku różnych modeli matematycznych ruchu płatowca. Umożliwiło to zbadanie zależności między wprowadzanymi założeniami upraszczającymi, a odpowiedzią samolotu, w tym wpływu członów nieliniowych w równaniach ruchu wyrażających sprzężenia bezwładnościowe.

Dokonano analizy wrażliwości stateczności dynamicznej względem bezwymiarowych pochodnych aerodynamicznych wyznaczonych w oparciu o różne źródła danych, tj. metodami analitycznymi i na drodze eksperymentalnej (pomiary w tunelu aerodynamicznym dla skalowanego modelu i próby w locie pełnowymiarowego prototypu samolotu I-23).

Ponadto wykonano symulacje charakterystycznych postaci ruchu samolotu, które porównano z rezultatami badań w locie. Oceniono zgodność wyników stateczności dynamicznej wszystkich postaci ruchu samolotu I-31T, otrzymanych przy wykorzystaniu różnych pakietów obliczeniowych. Przeprowadzono obliczenia pozwalające oszacować tendencje zmian poziomu stateczności na skutek szeregu różnych czynników wpływu.

Otrzymano, że momenty giroskopowe pochodzą głównie od śmigła i ich wpływ na stateczność dynamiczną samolotów lekkich jest pomijalny. Natomiast w lotach manewrowych efekty giroskopowe lekkich samolotów nie powinny być pomijane mimo, że nie są one silne. Stąd rozróżniono dwa typy giroskopowej precesji w zależności od stopnia zaburzenia równowagi lotu ustalonego samolotu. Wprowadzono podział na słabe efekty giroskopowe wpływające na stateczność dynamiczną i silne efekty giroskopowe indukowane w manewrach samolotu.

W podsumowaniu oprócz wniosków fizykalnych zamieszczono rekomendacje dla konstruktorów samolotów ze szczególnym odniesieniem do efektów giroskopowych generowanych przez napęd turbośmigłowy.

W rozprawie przedstawiono analizę wpływu temperatury tarczy hamulcowej na przebieg moment hamowania w hamulcu ciernym pojazdu mechanicznego. Badania zmiany przebiegu momentu hamowania w funkcji czasu spowodowane wzrostem temperatury i co za tym idzie spadkiem współczynnika tarcia, zmieniają efektywność procesu hamowania i stanowią cel naukowy pracy. Przedmiotem rozprawy są zagadnienia związane z problematyką budowy i badań hamulca ciernego, a w szczególności wpływu temperatury na moment hamowania. W ramach pracy wykonano wiele prób na stanowiskach do badania modelowych okładzin ciernych i do badania kompletnych zespołów hamulca. Przeprowadzono pomiary momentu hamowania, prędkości obrotowej, siły hamowania oraz temperatury. Rejestrację temperatury wykonano metodami: termowizyjną, pirometryczną oraz za pomocą termopar w testach modelowych i pirometryczną ‑ w badaniach kompletnego zespołu hamulca. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzone zostało występowanie relacji między przebiegiem temperatury i momentu hamowania.Opracowana metoda badawcza może być wykorzystana do obserwacji wielu zjawisk zachodzących w strefie tarcia hamulca ciernego, trudnych lub wręcz niemożliwych do stwierdzenia innymi metodami pomiarowymi. Jednocześnie zostało zaobserwowane i wyjaśnione zjawisko spadku momentu hamowania i jego ponownego wzrostu do poziomu równowagi.

Opracowano model numeryczny i matematyczny procesu hamowania. Model numeryczny wykonano w oprogramowaniu COMSOL Multiphisics używając wyników z badania na stanowisku do badań modelowych jako parametrów symulacji. Wyniki symulacji porównano z uzyskanymi w badaniach wykazując ich dużą zbieżność. Na podstawie danych z badania modelowego opracowano model matematyczny momentu hamowania i temperatury okładziny ciernej. Wyznaczenie modelu matematycznego wykonano metodą przybliżania krzywych momentu hamowania i temperatury materiału ciernego.

Praca zawiera również analizę stanu wiedzy związanej z tematyką zjawisk zachodzących w strefie tarcia, materiałów ciernych, kompletnych hamulców, a także zagadnień związanych z ich badaniami laboratoryjnymi i symulacjami numerycznymi.

W rozprawie sformułowano wnioski wypływające z wykonanych w ramach rozprawy prac tak badawczych, jak i obliczeniowych potwierdzających tezę pracy oraz wskazano propozycje dalszych prac.

Opracowanie koncepcji samolotu staje się coraz bardziej skomplikowane ze względu na zmiany zachodzące w podstawowych kryteriach oceny proponowanych rozwiązań. W przeszłości, podstawowe osiągi samolotu były jedynym kryterium wyboru. Dzisiaj, coraz większy nacisk kładzie się na takie czynniki jak wpływ na środowisko naturalne, ekonomiczność, czy wygodę podróżowania.
Praca przedstawia metodykę optymalizacji parametrów lekkiego samolotu do wykorzystania w fazie realizacji projektu wstępnego z uwzględnieniem wymagań bezpieczeństwa lotniczego zawartych w specyfikacjach certyfikacyjnych Unii Europejskiej CS-23 oraz wymagań konkurencyjności w systemie transportowym.
Podstawowe decyzje projektowe dotyczące przyszłego statku powietrznego, w tym dobór cech produktu zapadają we wczesnych etapach projektu (definicja wymagań, projekt koncepcyjny, projekt wstępny). Zamrożenie konfiguracji projektu odbywa się z reguły w końcowej fazie projektu wstępnego. Oznacza to, że większość decyzji dotyczących przyszłych statków powietrznych, w tym decyzje, w istotny sposób wpływające na konkurencyjność, zarówno ze strony producenta, jak i operatora podejmowane są przed etapem projektu technicznego. Jednak w tej fazie projektu, ocena osiągnięcia celów projektu jest niezwykle trudna ze względu na nieprecyzyjność wymagań i parametrów konstrukcyjnych, nieznajomość zachodzących interakcji pomiędzy parametrami, niepewność w analizach i obliczeniach. Rozwiązaniem powyższego dylematu jest zwiększanie wiedzy na początkowych etapach procesu projektowania.
Metodyka opiera się na modelu matematycznym samolotu i multidyscyplinarnej optymalizacji konstrukcji i obejmuje podstawowe dziedziny związane z projektowaniem samolotu: aerodynamikę, strukturę statku powietrznego, osiągi i przewidywane koszty eksploatacji.
Najpierw określono podstawowe wymagania dla przyszłych samolotów poprzez zdefiniowanie celów projektu oraz wybór podstawowych parametrów projektowych przyszłego statku powietrznego. Następnie dokonano doboru parametrów samolotu, które w sposób optymalny spełniają cele projektu.
Funkcją celu była wartość bezpośrednich kosztów operacyjnych samolotu na 1 pasażerokilometr. Do rozwiązania zadania optymalizacji zastosowano algorytm ewolucyjny.
Wymagania konkurencyjności zostały sformułowane w oparciu o koncepcję systemu transportu lekkimi samolotami (Small Aircraft Transport System – SATs). Wizja SATs została opracowana przez konsorcjum w ramach projektów realizowanych w 6 i 7 Programie Ramowym Unii Europejskiej. SATs jest oparty na flocie małych samolotów i wiropłatów o liczbie miejsc 4 do 19, działający w ramach zintegrowanego i inteligentnego systemu zarządzania transportem, operujących na małych lotniskach i lądowiskach. Wyniki analiz SATs podkreślają znaczenie floty samolotów turbośmigłowych.
Pierwszym etapem pracy była analiza aktualnego stanu wiedzy w trzech obszarach tematycznych: systemy transportu lekkimi samolotami, proces projektowania na etapie tworzenia koncepcji i projektu wstępnego, proces modelowania i symulacji komputerowych oraz metody optymalizacji numerycznej.
Wyniki analizy posłużyły do opracowania koncepcji modelu matematycznego samolotu. Model matematyczny samolotu składa się z czterech modułów; modelu masowego, modelu osiągów, modelu bezpośrednich kosztów operacyjnych oraz algorytmu optymalizacyjnego.
Kolejnym krokiem było opracowanie modelu symulacyjnego i programu symulacyjnego. Model symulacyjny został opracowany w programie Mathcad. Podstawowym celem modelu symulacyjnego było sprawdzenie poprawności konstrukcji modelu matematycznego, kompletności danych oraz algorytmów obliczeniowych.
Program symulacyjny został opracowany w języku C++, w środowisku programistycznym Visual Studio.
Jako przykład wykorzystania opracowanej metodyki przeprowadzono optymalizację parametrów projektowych dwóch klas samolotów: Commuter 9-miejscowy i Commuter 19-miejscowy. Wyniki optymalizacji porównano z wynikami optymalizacji metodą opartą na minimalizacji mocy silników statku powietrznego.
Przeprowadzono również analizę wrażliwości funkcji celu względem wybranych parametrów samolotu, co umożliwia wyselekcjonowanie najważniejszych zmiennych odpowiedzialnych za koszty operacyjne.
Praca zawiera wnioski z modelowania i analiz oraz zalecenia prowadzące do poprawy konkurencyjności małych samolotów.

Rozprawa doktorska podejmuje tematykę wczesnego wykrywania uszkodzeń superstopów na bazie niklu metodami nieniszczącymi. Degradacja struktury materiałów konstrukcyjnych jest zjawiskiem groźnym z punktu widzenia bezpieczeństwa eksploatacji konstrukcji inżynierskich. Deformacja materiałów konstrukcyjnych powoduje uszkodzenie struktury i w efekcie końcowym zniszczenie materiału. Analiza rozwoju uszkodzeń polega na obserwacji zmian struktury materiału poddanego określonej deformacji. W celu określenia stopnia degradacji materiałów stosuje się zarówno metody badań niszczące jak i nieniszczące. Istotną zaletą metod nieniszczących jest to, iż nie wymagają pobierania próbek materiałowych z obiektu badań celem określenia właściwości materiału.
Głównym celem pracy było zbadanie możliwości wykrycia uszkodzeń, na wczesnym etapie procesu degradacji materiału, przy użyciu obecnie stosowanych lub zmodyfikowanych metod badań nieniszczących. Jako wczesny etap procesu uszkodzenia przyjęto etap poprzedzający utworzenie pęknięcia dominującego, kiedy powstałe w rezultacie kumulacji mikrouszkodzeń pęknięcie osiąga rozmiar poniżej 0,5 mm.
Do wykrywania i monitorowania opisanych zmian w strukturze materiału wybrano metodę ultradźwiękowa i metodę prądów wirowych. Jako materiału do badań i oceny degradacji użyto stopu Inconel 718. Inconel jest rodziną nadstopów o austenitycznej strukturze krystalicznej opartej na bazie niklu i chromu. Nadstopy te cechuje wysoka żaroodporność, wytrzymałość i odporność na pełzanie w wysokich temperaturach, dobra stabilność powierzchniowa oraz odporność na korozję i utlenianie. Stąd stopy Inconel znajdują szczególne zastosowania do pracy w ekstremalnych warunkach – w energetyce, w lotnictwie, w przemyśle kosmicznym. Do badań materiałowych zastosowano nowy rodzaj próbek o zmiennym polu przekroju części pomiarowej. Pozwoliło to na uzyskanie ciągłego rozkładu odkształceń plastycznych w tej części próbki. Deformacja trwała, która zmienia się wzdłuż osi próbki umożliwia analizę uszkodzenia wywołanego odkształceniem plastycznym. Zaproponowana metoda pozwala na zastąpienie w badaniach serii próbek jedną próbką.
Metody pomiaru uszkodzenia materiałów bazują na założeniu korelacji stopnia uszkodzenia z pewną mierzalną wielkością fizyczną nazywaną wskaźnikiem uszkodzenia. W pracy dokonano analizy stosowanych miar i wskaźników uszkodzenia. W odniesieniu do zastosowanych technik nieniszczących jako wskaźniki uszkodzenia w przypadku badań ultradźwiękowych przyjęto zmiany współczynnika tłumienia materiału i dwójłomności akustycznej, natomiast dla metody prądów wirowych zmianę kąta fazowego impedancji zespolonej prądów wirowych w materiale. Dokonano pomiarów wyżej wymienionych wskaźników na próbkach materiału rodzimego. W celu otrzymania określonej deformacji materiału próbki poddano badaniom wytrzymałościowym – statycznym próbom rozciągania i próbom pełzania. Ponownie dokonano pomiaru wskaźników uszkodzenia. W efekcie uzyskano zależności tłumienia, dwójłomności akustycznej oraz przesunięcia kąta fazowego impedancji od stopnia uszkodzenia materiału w poszczególnych obszarach próbek. W oparciu o model Johnsona wyznaczono parametry uszkodzenia w częściach pomiarowych próbek. Otrzymano korelacje stopnia uszkodzenia z wybranymi wskaźnikami uszkodzenia.
W podsumowaniu pracy stwierdzono, że wskazane techniki badań nieniszczących mogą być stosowane do oceny stopnia degradacji materiałów. Z ich pomocą możliwe jest wykrywanie uszkodzeń, już na poziomie mikrostruktury, powstałych wskutek obciążeń eksploatacyjnych materiałów a związanych z procesem pełzania i zmęczenia. Przedstawione w pracy techniki badań nieniszczących pozwalają uzyskać informację o zmianach w strukturze materiału spowodowanych deformacją stałą na wczesnym etapie uszkodzenia.

Cel pracy
Erozja kropelkowa jest wynikiem licznych i powtarzalnych zderzeń kropel cieczy z ciałem stałym, charakteryzująca się uszkodzeniami materiału podobnymi jak w przypadku zjawiska zmęczenia.
Dotychczas wykorzystywane modele erozji kropelkowej bazują głównie na danych empirycznych oraz ograniczonym doborze właściwościowości materiałów.
Celem pracy jest opracowanie metodyki przewidywania czasu eksploatacji stali martenzytycznych poddanych działaniu erozji kropelkowej, wykorzystującej dane określające wytrzymałość zmęczeniową materiałów.

Teza pracy
Określenie czasu eksploatacji stali martenzytycznych w warunkach erozji kropelkowej jest możliwe w oparciu o dane materiałowe dostępne dla oceny wytrzymałości zmęczeniowej.

Zakres pracy
• Na podstawie dostępnych publikacji przedstawiony został stan wiedzy na temat erozji kropelkowej, ze szczególnym zwróceniem uwagi na towarzyszące jej mechanizmy degradacji materiałów.
• Przeanalizowano istniejące modele przewidywania czasu eksploatacji. Rozpatrzono czynniki wpływające na: obciążenia wywołane pojedynczymi uderzeniami kropel, dobór danych materiałowych, strukturalne i termodynamiczne warunki erozji.
• Określony został konieczny zakres badań dla dwóch typów stali martenzytycznych: 17-4PH i X20Cr13, powszechnie stosowanych w budowie turbin parowych, kompresorów odśrodkowych i turbin gazowych, odpowiadający typowym warunkom ich pracy.
• W rezultacie badań określono podobieństwa między mechanizmami degradacji materiałów w warunkach erozji i zmęczenia. Stosowane były: badania wizualne, magnetyczno-proszkowe, mikrofraktografia z wykorzystaniem mikroskopii elektronowej, badania strukturalne z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej oraz badania zmian naprężeń szczątkowych metodą Rentgenowską.
• Analizy i symulacje zderzeń kropel cieczy z ciałem stałym zostały przeprowadzone wykorzystując metodę elementów skończonych (FEM) oraz ze względu na złożoność oddziaływań płynu z ciałem stałym, występowanie dużych odkształceń i efektów fragmentacji,metodę cząstek rozmytych (SPH). Otrzymane wyniki posłużyły do określenia poziomów generowanych naprężeń.
• W oparciu o podejście stosowane w wytrzymałości zmęczeniowej opracowano metodykę przewidywania okresu inkubacji erozji kropelkowej. Wartości naprężeń oraz odkształceń generowane przez pojedyncze zderzenia określane są numerycznie. W zależności od ich poziomu, stosowane są dwie metody szacowania czasu eksploatacji: dla zmęczenia wysokocyklowego oraz niskocyklowego. Losowość powtarzalności uderzeń kropel cieczy uwzględniona jest w oparciu o zaproponowany prosty model statystyczny. Weryfikację i walidację opracowanej metody przeprowadzono doświadczalnie.

Wnioski
• Analiza literatury wykazała istnienie podobieństw pomiędzy zjawiskiem erozji oraz zmęczenia materiałów:
a. istnienie okresu inkubacji, analogicznie jak w przypadku zjawiska zmęczenia materiału;
b. wydłużenie lub skrócenie okresu inkubacji w wyniku zmiany parametrów erozji (np. prędkości zderzeń);
c. istnienie granicznych warunków w jakich erozja może wystąpić (np.minimalna prędkość, przy pozostałych parametrach pozostających bez zmian) podobnie jak w przypadku materiałów wykazujących istnienie wytrzymałości zmęczeniowej, np. dla stali węglowej;
d. brak granicznych warunków w jakich erozja może wystąpić (np. brak minimalnej prędkości, przy pozostałych parametrach pozostających bez zmian) podobnie jak w przypadku materiałów niewykazujących istnienia wytrzymałości zmęczeniowej, np. dla stopów aluminium.
• Analizując dostępne modele erozji kropelkowej, zaobserwowano istnienie istotnych ograniczeń w możliwości ich stosowania. Wynikały one z uproszczeń w modelach (ich budowa w oparciu o dane empiryczne), lub braku dostatecznej liczby danych określających właściwości materiałów.
• Mechanizmy degradacji pod wpływem erozji wykazały liczne podobieństwa do spotykanych przy zmęczeniu. Pod wypływem kolejnych cykli naprężeń wywołanych przez pojedyncze uderzenia kropel wody, dochodziło do kumulacji defektów strukturalnych oraz mikrodeformacji powierzchni. Po osiągnięciu krytycznych wartości liczby zderzeń (okres inkubacji) degradacja materiału postępowała w postaci inicjacji, a następnie propagacji mikropęknięć o charakterze zmęczeniowym.
• Przeprowadzone analizy i symulacje pojedynczych zderzeń kropel cieczy z ciałem stałym wykazały, że poziom generowanych naprężeń jest dostateczny do przekroczenia wytrzymałości zmęczeniowej. Źródłem naprężeń było zarówno oddziaływanie hydrodynamiczne jak i powstanie fali uderzeniowej. W zależności od warunków erozji zaobserwowano dwa warianty (dla typowych warunków pracy turbin parowych, turbin gazowych oraz kompresorów odśrodkowych):
e. Pojedyncze zderzenia generowały naprężenia przekraczające wytrzymałość zmęczeniową badanego materiału, ale były zbyt małe aby doprowadzić do uplastycznienia;
f. Pojedyncze zderzenia generowały naprężenia przekraczające granice sprężystości badanego materiału.
• Dokładność opracowanej metodyki oceny okresu inkubacji dla modeli bazujących na zmęczeniu wysoko- i niskocyklowym zweryfikowanej w oparciu o dane z testów przeprowadzonych zgodnie ze standardem ASTM G73 jest porównywalna do metodyk stosowanych przy ocenie wytrzymałości zmęczeniowej.

Rekomendacje, kierunki dalszych bada
• Niektóre z istniejących w przedstawionej metodyce uproszczeń wynika z aktualnego stanu modelowania zmęczenia materiałów w mikroskali oraz w zakresie zmiennych prędkości odkształceń. Z chwilą postępu w tym zakresie, należy go wykorzystać wprowadzając zmiany w proponowanej metodyce w celu poprawienia dokładności modelowania problemów związanych z erozją kropelkową.
• Przeprowadzone w ramach pracy badania dotyczyły wysokostopowych stali martenzytycznych. Inne materiały charakteryzujące się wysoką odpornością na erozję takie jak stopy na bazie kobaltu (Stellite) lub stopy tytanu posiadają jednak odmienne właściwości fizyczne, wytrzymałość na zmęczenie oraz mikrostrukturę. Należy podjąć dalsze prace nad możliwościami przystosowania proponowanej metodyki do innych materiałów niż stale martenzytyczne.
• Biorąc pod uwagę, że okres eksploatacji turbin parowych, gazowych oraz kompresorów odśrodkowych jest wieloletni, dalsze badania należałoby przeprowadzić w kierunku wykorzystania w proponowanej metodyce danych materiałowych określających wytrzymałość zmęczeniową. Aktualnie prowadzone są prace nad możliwościami wykorzystania wykresów Goodman’a lub Haigh’a z uwzględnieniem wpływu naprężeń średnich.
• Znając wpływ określonych parametrów konstrukcji, mechanizmów i warunków pracy na przebieg erozji (np. kąt zderzenia, chropowatość powierzchni) należy przeprowadzić dalsze prace nad stworzeniem wytycznych dla konstruktorów, dzięki którym możliwe byłoby obniżenie poziomów naprężeń wytwarzanych przez pojedyncze zderzenia, co w rezultacie prowadziłoby do zwiększenia odporności konstrukcji na erozję.

Praca podejmuje tematykę optymalizacji multidyscyplinarnej samolotu w odwróconym układzie połączonych skrzydeł. W ramach realizowanych badań opracowano algorytm optymalizacji całego samolotu w odwróconym układzie połączonych skrzydeł, z napędem elektrycznym. Zaproponowany algorytm jest algorytmem optymalizacji globalnego przeszukiwania przestrzeni rozwiązań, odpowiednim do wstępnego projektowania samolotu w układzie połączonych skrzydeł. Algorytm ten ma budowę modułową i oparty jest na automatycznym generatorze geometrii, obliczeniach strukturalnych metodą elementów skończonych i obliczeniach aerodynamicznych metodą panelową. Cały proces został zoptymalizowany, aby zminimalizować czas obliczeń.
Za główny cel optymalizacji przyjęto maksymalizację zasięgu samolotu dla założonej misji, gdyż mały zasięg to jedna z głównych wad samolotu z napędem elektrycznym. Przyjęto stałą masę płatną oraz pojemność akumulatorów. Parametry definiujące globalną i lokalną geometrię oraz strukturę zostały przyjęte za zmienne optymalizacji.
Optymalizacja struktury przeprowadzana jest wewnątrz kroku pętli aerodynamicznej. W jej trakcie, wytrzymałość struktury sprawdzana jest na działanie obciążeń w krytycznych przypadkach z obwiedni obciążeń w locie. Jedynie parametry struktury są zmiennymi w tym etapie. Z kolei w kroku aerodynamicznym jedynie zmienne geometryczne poddawane są zmianom.
Do optymalizacji posłużono się meta-modelem powierzchni odpowiedzi. Ostateczna optymalizacja przeprowadzana jest dwuetapowo. W pierwszym, globalnym kroku, wykorzystuje się algorytmy genetyczne. W drugim kroku, który służy do poprawienia pierwszego przybliżenia optimum wykorzystano jeden z algorytmów gradientowych.
Na podstawie tego algorytmu napisano stosowne oprogramowanie i przeprowadzono jego testy. Część aerodynamiczną zweryfikowano na podstawie, zrealizowanych w Instytucie Lotnictwa badań tunelowych. Następnie przeprowadzono optymalizację dla trzech przypadków testowych samolotów UAV i VLA. Dodatkowo zaproponowano modyfikację algorytmu uwzględniającą zapewnienie zadanego zapasu stateczności podłużnej konfiguracji optymalnej. Na podstawie wyników uzyskanych optymalizacji dowiedziono, że zaproponowany algorytm optymalizacji pozwala zwiększyć zasięg samolotu w odwróconym układzie połączonych skrzydeł.

Rozprawa zawiera wyniki uzyskane w ramach projektu MOSUPS PBS1/A6/14/2012 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

W rozprawie przedstawiono analizę wyników badań katalitycznego rozkładu wysoko stężonego nadtlenku wodoru, przy zastosowaniu katalizatorów w postaci tlenków manganu na nośnikach ceramicznych. W celu przeprowadzenia prac zaprojektowano i wykonano stanowiska badawcze oraz aparaturę. Badania wykonano za pomocą przepływowych złóż katalitycznych, konstrukcją zbliżonych do tych, jakie są stosowane w silnikach rakietowych.
Problemem badawczym pracy była ocena możliwości zastosowania ceramicznych katalizatorów heterogenicznych do rozkładu 98% nadtlenku wodoru w nieogrzewanych złożach katalitycznych silników rakietowych na jednoskładnikowe oraz dwuskładnikowe materiały pędne. W celu przeprowadzenia badań wykonane zostały katalizatory na nośnikach, składających się głównie z faz α i γ tlenku glinu, z fazą aktywną w postaci tlenków manganu, domieszkowanych tlenkami metali przejściowych.
Prace badawcze zrealizowano w czterech etapach. Wykonanie 46 prób w złożach katalitycznych według jednakowej procedury, z użyciem różnych katalizatorów, pozwoliło na porównanie ich osiągów. Na tej podstawie wybrano te katalizatory, które najlepiej spełniały określone kryteria i z ich udziałem zrealizowano drugi etap badań w nowym zestawie doświadczalnym. Istotnym zadaniem badawczym była próba opracowania i zbadania złóż katalitycznych o warstwowym ułożeniu katalizatorów na nośnikach ceramicznych, oddzielonych siatkami (zwanych kompozytowymi złożami katalitycznymi). Finalnie wykonano badania długotrwałości pracy wybranej konfiguracji kompozytowego złoża katalitycznego w celu dokonania oceny możliwości praktycznego zastosowania takiej struktury w silnikach rakietowych.
Sformułowano wnioski, wynikające z wyników przeprowadzonych doświadczeń a także zaproponowano dalsze prace, będące kontynuacją badań.
Prace badawcze wykonano podczas realizacji projektu „Research on compositecatalystbeds for decomposition of hydrogenperoxide to be applied in a monopropellantthruster”, sfinansowanego przez Europejską Agencję Kosmiczną w ramach programu PECS. Projekt został zrealizowany w Instytucie Lotnictwa w latach 2013 – 2014 przez zespół badawczy Zakładu Technologii Kosmicznych.

Analiza danych statystycznych dotyczących operacji komercyjnych realizowa­nych przy użyciu lekkiego samolotu wskazuje, że jego parametry w zakresie bezpie­czeństwa i niezawodności są zdecydowanie gorsze od spotykanych w dużym lotnic­twie. Jedną z przyczyn tego stanu są ograniczenia masowe lekkiego samolotu (nie można wozić zbyt wiele) jak również wysoka cena technologii awionicznych stoso­wanych w dużych samolotach (nie może być za drogo). Konieczne jest więc poszu­kiwanie rozwiązań poprawiających bezpieczeństwo lekkiego samolotu poprzez zasto­sowanie dedykowanych rozwiązań (pozwalających uniknąć znacznego wzrostu masy startowej oraz kosztów operacyjnych). Praca dotyczy Bezpieczeństwa Systemu Transportu przy użyciu lekkiego samolotu z napędem śmigłowym (o masie poniżej 5760 kg i liczbie miejsc pasażerskich poniżej 10).

Celem pracy była analiza możliwości poprawy bezpieczeństwa poprzez:

  • Identyfikacje krytycznych z punktu widzenia bezpieczeństwa kwestii oraz ana­lizę możliwości ich obniżenia;
  • Świadomy dobór parametrów techniczno-operacyjnych lekkiego samolotu i ca­łego systemu.

Cel zrealizowano poprzez identyfikację profilu misji oraz wag poszczególnych problemów z zakresu bezpieczeństwa na różnych etapach lotu. Pozwoliło to podnieść poziom bezpieczeństwa lekkiego samolotu przy nieznacznym wzroście masy starto­wej oraz kosztów operacyjnych.

Do realizacji postawionego zadania zastosowano metody z zakresu analizy sta­tystycznej oraz rachunku prawdopodobieństwa, pozwalające modelować Średni Czas Pomiędzy Incydentami i Wypadkami (SCPIiW). Do kalibracji modelu matematycz­nego wykorzystano model statystyczny na bazie 194 incydentów i wypadków mają­cych miejsce podczas operacji na obszarze Stanów Zjednoczonych w latach 2008-2013.

W wyniku pracy powstał rozkład intensywności występowania zdarzeń w po­szczególnych etapach lotu oraz przewidywany poziom bezpieczeństwa STLS w róż­nych wariantach funkcjonowania. W podsumowaniu wskazano, iż najistotniejsze problemy z zakresu bezpieczeństwa operacji STLS to niezawodność techniczna sil­nika (25% udziału w przewidywanej liczbie wypadków) oraz błędy pilota polegające na utracie orientacji przestrzennej (16%), błędy pilotażu (12%) oraz błędy wynikające z przewidywanego z operowania na lotniskach niecertyfikowanych oraz niekontrolo­wanych (odpowiednio 7,5% oraz 5,5%). Stwierdzono też, iż świadomy dobór para­metrów techniczno-operacyjnych floty samolotów STLS pozwala poprawić bezpie­czeństwo ponad 3,5-krotnie, co oznacza wydłużenie średniego czasu pomiędzy incy­dentami i wypadkami o 230%.

Jednak jest to nadal zbyt mało by uznać STLS za dostatecznie bezpieczny. Ko­nieczne są dalsze udoskonalenia zarówno w obszarze niezawodności technicznej, w szczególności awaryjności zespołu napędowego, a także szkolenia pilotów prowa­dzące do zredukowania intensywności występowania błędów polegających na utracie orientacji przestrzennej, błędów pilotażu podczas przyziemienia czy też błędów po­pełnianych przed startem – obejmujących przygotowanie do lotu. Część analiz i otrzymanych rezultatów była wykonana w ramach projektów badawczych ESPOSA oraz ASCOS FP7.

Rozprawa podejmuje problem identyfikowania, szacowania i analizy ryzyka w obszarze prac laboratoryjnych w warunkach właściwych dla laboratoriów badawczych uczestniczących w procesie akredytacji oraz laboratoriów oferujących swe usługi  poza tym procesem.

W pracy zaprezentowano model oceny i postępowania z ryzykiem w warunkach zidentyfikowanych źródeł niepewności w obszarze technicznym i obszarze organizacyjnym laboratoriów badawczych oraz określono mapę zagrożeń w procesie badań.

Określono metodologię definiującą sposób podejścia do szacowania ryzyka w laboratoriach badawczych. Wskazano źródła informacji o ryzyku oraz narzędzia służące do ich analizy. Zinterpretowano wyniki analiz dla przeprowadzonych badań ankietowych oraz wyników auditów wewnętrznych i zewnętrznych przeprowadzonych w obszarze badanych laboratoriów. Implementacja opracowanej metodyki w strategię działania laboratoriów w istotny sposób wpłynie na doskonalenie funkcjonowania działalności laboratoryjnej.

Do analizy otrzymanych wyników przeprowadzonych badań ankietowych użyto takich narzędzi jak: analizę wskaźnika struktury ryzyka (WSR), analizę siatki centylowej ryzyka, analizę zależności ryzyka perspektywi ich siły w materializowaniu ryzyka oraz analizę regresji liniowej.
Dla przeprowadzenia analiz danych źródłowych pochodzących z wyników auditów wewnętrznych i zewnętrznych wykorzystano następujące narzędzia: analizę procentową ryzyka, analizę Pareto rozkładu ryzyka, analizę wystandaryzowaną ryzyka oraz analizę rankingu.

Opracowana w pracy metodologia prowadzonych analiz wyników badań ankietowych i auditowych stanowiła oryginalne rozwiązanie w aspekcie podjętego tematu badania i analizy ryzyka w praktyce laboratoryjnej.

Możliwość skutecznego radzenia sobie z zagadnieniem ryzyka w kontekście dostarczania Klientom najwyższej jakości usług, pozwoli laboratoriom uzyskać przewagę konkurencyjną nad pozostałymi uczestnikami rynku badań.

W rozprawie przedstawiono analizę wpływu geometrii komory spalania silnika o zapłonie samoczynnym i wtrysku bezpośrednim na poziom emisji tlenków azotu. Wybór tlenków azotu jako składnika spalin podlegającego analizie został dokonany ze względów na ich wyjątkową szkodliwość dla zdrowia, środowiska i z powodu trudności w ograniczeniu ich emisji na poziomie powstawania i eliminacji ze spalin. Poziom emisji tlenków azotu zależy od wielu czynników konstrukcyjnych silnika i parametrów wtrysku paliwa, w pracy poświecono dużo uwagi analizie literatury  po to, aby wyeliminować wpływ tych czynników (poza geometrią komory) na wyniki realizowanych badań.

Badania przeprowadzono na pięciu komorach spalania, które różniły się między sobą średnicą i głębokością,a dobrane były tak, aby pozostawić jednakowy stopień sprężania. W wyniku przeprowadzonych badań i symulacji stwierdzone zostało występowanie relacji miedzy średnicą komory spalania a poziomem emisji tlenków azotu.

Przedstawione symulacje zawirowania powietrza i jego oddziaływania na strugę paliwa pozwoliły (w oparciu o załączoną teorię rozpadu strugi i analizy innych badaczy dotyczące wpływu wielkości kropli i czasu przebywania kropli w strefie spalania) na udowodnienie postawionej tezy. Symulacje zawirowania powietrza i wtrysku paliwa w cylindrze i komorze spalania przeprowadzono w oprogramowaniu SolidWorksFlowSymulation.

Opracowano model matematyczny ruchu kropli paliwa w zawirowanym powietrzu, uzyskując dobrą zbieżność z symulacjami w programie SolidWorksFlowSymulation.

Sformułowano wnioski wypływające zarówno z wykonanych w ramach rozprawy prac badawczych, jak i z symulacji komputerowych potwierdzających tezę pracy. Wnioski z rozprawy mogą stanowić wskazówki podczas konstruowania toroidalnych komór spalania.

Rozprawa przedstawia kompleksową analizę możliwości zastosowania systemów elektrycznych do napędu przyszłych, komercyjnych statków powietrznych. Praca stanowi studium realności i celowości zastąpienia silników turbowentylatorowych przez szeroko rozumiane napędy elektryczne w perspektywie następnych trzech dekad. Studium poprzedzone jest omówieniem potencjalnych wymagań i oczekiwań klienta, którym w większości przypadków są linie lotnicze, jako przyszli użytkownicy tych napędów. W pracy uwzględniono uwarunkowania odnośnie bezpieczeństwa, ochrony środowiska naturalnego, ekonomiczne oraz obsługowe.

Następnie dokonano przeglądu możliwości technicznych realizacji wymogów stawianych przed przyszłymi napędami, przedstawiając zalety i wady poszczególnych rozwiązań, oraz prezentując zestawienie potencjalnie konkurencyjnych metod. Omówiono trzy główne rodzaje napędu, wykorzystującego systemy elektryczne – system w-pełni-elektryczny, hybrydowy oraz turbo-elektryczny z uwzględnieniem różnych wariantów architektury układu. Przeanalizowano ich mocne i słabe strony i omówiono obecne ograniczenia techniczne. W następnym kroku skupiono się na zagadnieniu komponentów elektrycznych pod kątem ich sprawności, gęstości mocy (lub energii w przypadku źródeł magazynowania energii) oraz możliwości ich potencjalnego rozwoju. Dokonano przeglądu obecnych, w pełni elektrycznych statków powietrznych pod kątem ich osiągów i kierunku planowanego rozwoju oraz sprawdzono zasadności wykorzystania napędu w pełni elektrycznego do napędu odrzutowego samolotu dyspozycyjnego. W oparciu o wnioski sformułowane na tym etapie pracy przeprowadzono dogłębną analizę napędu rozproszonego, opartego na systemach turbo-elektrycznych i hybrydowych, zastosowanego jako napęd samolotów typu: regionalnego, wąskokadłubowego oraz szerokokadłubowego. Otrzymane rezultaty porównano z osiągami wybranych samolotów bazowych obecnie dostępnych na rynku, reprezentatywnych dla każdej z trzech powyższych kategorii. Analizę wykonano w trzech etapach dokonując obliczenia cyklu termodynamicznego i osiągów napędu niezainstalowanego, obliczenia masowe nowego układu napędowego oraz bilansu energetyczny dla przykładowej misji. Zbadano możliwość zmniejszenia zapotrzebowania na energię, niezbędną do odbycia misji, oraz możliwości ograniczenia emisji szkodliwych produktów spalania, pokazując potencjalne korzyści zastosowania napędów, dla różnych stopni rozwoju urządzeń elektrycznych. Identyczną analizę przeprowadzono również dla zasymulowanego odsysania warstwy przyściennej, które wydatnie zwiększa potencjalne korzyści zastosowania systemów elektrycznych.

W podsumowaniu pracy przedstawiono wnioski odnośnie idei zastosowania napędów elektrycznych oraz odnośnie każdego przeanalizowanego systemu z osobna. Na zakończeniem przedstawiono rekomendację przyszłych analiz, dalszych badań oraz możliwości komercjalizacji.

Przedstawiona praca doktorska ma charakter analityczny i poświęcona jest metodzie wyznaczania wskaźników niezawodności dla wojskowych pojazdów mechanicznych eksploatowanych nieregularnie na podstawie ewidencjonowania zdarzeń eksploatacyjnych. Wskaźniki niezawodności stanowią pomocny element w logistyce wojskowej. Przedstawiony w pracy algorytm wyznaczania wskaźników niezawodności jest na tyle uogólniony, że może być wykorzystany do analizy innych rodzajów obiektów technicznych używanych w ratownictwie, transporcie sezonowym i wyspecjalizowanych zadaniach transportowych.

Pojawienie się technologii informatycznych w logistyce wojskowej pozwoliło przenieść tradycyjny papierowy system ewidencjowania zdarzeń eksploatacyjnych do zintegrowanego wojskowego systemu informatycznego. To umożliwia śledzenie historii użytkowania floty wojskowych pojazdów z uwzględnieniem pojedynczych egzemplarzy sprzętu. Siły Zbrojne będące w stanie stałej gotowości bojowej utrzymują potencjał środków walki, środków wspomagających oraz logistycznych i transportowych na podwoziach pojazdów. Znajomość niezawodności poszczególnych rodzajów pojazdów stwarza możliwość właściwego planowania misji w ramach posiadanego potencjału środków transportowych.

W pracy została przedstawiona metoda uzyskania zamierzonego celu podwyższenia efektywności zarządzania flotą pojazdów mechanicznych użytkowanych nieregularnie. Opracowany na podstawie procedur analitycznych, algorytm doboru pojazdu lub grupy pojazdów do realizacji zadań uwzględnia przeznaczenie mobilnych środków, złożoność oraz komplikację ich budowy, stopień nowoczesności, a w tym tzw. „zestarzenie moralne”, historię eksploatacji – przebiegi, naprawy bieżące, naprawy planowe, obsługi planowe, ilości zużytego paliwa, olejów i smarów, unormowania branżowe. Uzyskane wyniki badań modeli analitycznych oraz przeprowadzone symulacje komputerowe dowodzą słuszności przyjętej tezy rozprawy doktorskiej, która twierdzi, iż wyznaczone wskaźniki niezawodności dla poszczególnych grup pojazdów można zaimplementować do Zintegrowanego Wieloszczeblowego Systemu Informatycznego Resortu Obrony Narodowej.

Dla podwyższenia efektywności zarządzania pojazdami wojskowymi autor zaproponował wprowadzenie algorytmu uwzględniającego mobilność pojazdu, rodzaj trakcji – kołowa lub gąsienicowa, specyfikę zadaniową oraz historię użytkowania pojazdu. Wprowadził także rezerwową procedurę popartą wynikami badań i symulacjami komputerowymi w niniejszej pracy, której celem jest oszacowanie niezawodności pojazdu wskazanego do wykonania zadania.

W oparciu o znane metody badawcze stosowane do określenia niezawodności różnorodnych systemów mechanicznych stworzono model matematyczny. Przeprowadzono dobór minimalnych koniecznych i wystarczających parametrów eksploatacyjnych pojazdu, pozwalających na wyznaczenie wskaźników niezawodności wojskowych pojazdów mechanicznych na poziomie pojedynczego egzemplarza sprzętu.

Przeprowadzono wstępną analizę efektów ekonomicznych spodziewanych przy zastosowaniu opracowanych w rozprawie metod wyznaczania wskaźników niezawodności. Porównanie stosowanych obecnie w Siłach Zbrojnych RP ewidencjonowania z zaproponowanymi w pracy, pozwoliło stwierdzić, iż innowacyjne metody niewątpliwie przyniosą pozytywny efekt zarówno w zwiększeniu niezawodności przeprowadzania akcji ratowniczych i interwencyjnych a także przyniosą oszczędności w okresie wyczekiwania i przechowywania.

Na zakończenie rozprawy przedstawiono wnioski z przeprowadzonych rozważań analitycznych popartych zgromadzoną obszerną bazą danych eksploatacyjnych różnego rodzaju sprzętu transportowego używanego nieregularnie w Siłach Zbrojnych Rzeczpospolitej Polski.

W rozprawie przedstawiono analizę niezawodności i kosztów ryzyka niezdatności eksploatacyjnej samochodów ciężarowych użytkowanych w warunkach wynajmu długoterminowego. Głównym celem pracy było opracowanie modelu oceny efektywności eksploatacyjnej samochodu ciężarowego obejmującej zarówno kryteria ekonomiczne, jak i niezawodnościowe.

Dodatkowym celem pracy było porównanie trzech marek samochodów ciężarowych średniej ładowności, wykorzystywanych w transporcie dystrybucyjnym w warunkach wynajmu długoterminowego.

Na podstawie analizy literatury, a także na podstawie doświadczeń praktycznych wykazano, że dotychczas stosowane metody oceny efektywności eksploatacyjnej samochodów w wielu wypadkach nie są już wystarczające. W warunkach dużej konkurencji na rynku usług transportowych istotne znaczenie ma zarządzanie ryzykiem eksploatacyjnym oraz przewidywanie uszkodzeń samochodu i wyprzedzające oszacowanie kosztów tych uszkodzeń. Z punktu widzenia modelu efektywności eksploatacyjnej dużą wagę zyskują zagadnienia nieciągłości przychodu oraz zagadnienia utraconego zaufania u klientów.

Praca obejmuje:
1. Teoretyczne studium nad opracowaniem matematycznego modelu oceny efektywności eksploatacyjnej samochodu,
2. Badania symulacyjne- modelowanie numeryczne efektywności eksploatacyjnej,
3. Doświadczalne badania eksploatacyjne niezawodności i kosztów napraw trzech wybranych marek,
4. Eksperckie badania niezawodności i kosztów utrzymania technicznego samochodów.

Na podstawie przeprowadzonych badań: doświadczalnych, numerycznych i eksperckich opracowano i zweryfikowano autorski model oceny efektywności eksploatacyjnej samochodów ciężarowych. Model opiera się na kosztowej formule efektywności. Cechą znamienną modelu jest uwzględnienie ryzyka utraty zaufania klienta w przypadku nieprzewidywalnej niezdatności samochodu spowodowanej uszkodzeniem oraz uwzględnienie ryzyka doraźnej utraty przychodu na skutek przestoju związanego z naprawą samochodu ciężarowego.

Przedstawiony w rozprawie współczynnik efektywności jest miarą ryzyka nieciągłości stanu zdatności samochodu w okresie wynajmu i może być wykorzystany do badań naukowych, a także do celów praktyki eksploatacyjnej w zakresie doboru marki i modelu samochodu ciężarowego. Wykazano, że wybierając markę pojazdu z przeznaczeniem na odpłatny wynajem, inwestor powinien – oprócz ceny pojazdu -uwzględnić jego niezawodność, która istotnie wpływa na jakość obsługi klienta i koszty utrzymania pojazdu.

Otwarte przewody doktorskie

Rozprawa zawiera wyniki uzyskane w ramach projektu MOSUPS PBS1/A6/14/2012 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.