INNOWACYJNA METODA STEROWANIA STATKIEM POWIETRZNYM

INNOWACYJNA METODA STEROWANIA STATKIEM POWIETRZNYM 21 stycznia 2012 r. w warszawskim Muzeum Techniki PKiN odbyło się spotkanie poświęcone innowacyjnej metodzie sterowania statkiem powietrznym. Spotkanie poprowadził mgr inż. Edward Margański. NARODZINY POMYSŁU Inspiracją do przyszłego wynalazku były poczynania Burta Rutana twórcy m.in. samolocików VariEze czy Long-EZ. W owym czasie (a więc w latach 70.) wraz z kolegami fascynowaliśmy się poglądami przez niego głoszonymi i projektowaliśmy własne samoloty w układzie kaczka. Układ ten eliminuje jedną z najważniejszych wad układu klasycznego: usterzenie poziome podczas lotu na dużym kącie natarcia musi generować siłę nośną skierowaną w dół. A siła ta nie jest bagatelna: 10 15% siły nośnej na skrzydłach. O tym, że konstruktorzy lotniczy tak naprawdę wstydzą się tego problemu, świadczy asekuranckie założenie, że usterzenie poziome nie jest powierzchnią nośną i tak w ogóle nie uczestniczy w wytwarzaniu siły nośnej. Natomiast usterzenie w układzie kaczki w tym samym przypadku generuje siłę nośną do góry, a więc pomaga skrzydłom zamiast im przeszkadzać. Kiedy zajmowaliśmy się projektowaniem własnych kaczkolotów, zaczęły nas nurtować wątpliwości. Dlaczego w tamtym czasie nie było ani jednej certyfikowanej konstrukcji w tym układzie? Dopiero w latach 80. powstał Beechcraft Starship, który stał się wyjątkiem potwierdzającym regułę. Gdzie jest haczyk?! Odpowiedź okazała się prosta i paradoksalnie wynikała z innej zalety układu kaczki : niemożliwość wejścia w korkociąg. Usterzenie kaczki musi być zamontowane pod większym kątem, niż skrzydło. W efekcie gdy samolot zwiększa kąt natarcia, przeciągnięcie na usterzeniu nastąpi wcześniej, niż na płacie. Jednak z tego wynika, że samolot nie osiągnie maksymalnego C Z! W dodatku na kaczce praktycznie niemożna zastosować klap, które zwiększają efektywny kąt natarcia i czynią samolot niestatecznym. Co prawda, Starship ma klapy, ale cały problem ograniczono (bo nie rozwiązano do końca) kosztem komplikacji całego układu: zastosowano usterzenie o zmiennym kącie skosu. Nasze rozważania doprowadziły do konstatacji, że kąt ustawienia przedniego płata powinien być zmienny i realizowany wg dość skomplikowanych zależności. W owych latach pojawiły się pierwsze samoloty ze sztuczną statecznością i wydawało nam się, że jest to jedyna metoda zbudowania idealnej kaczki. Jednak o stworzeniu takiego systemu w owym czasie nie mieliśmy co marzyć. Problem został więc odłożony do szuflady, z której wyszedł ok. 30 lat później. Wtedy okazało się, że problem można rozwiązać i to bardzo prosto. Przełomowym momentem dla rozwiązania problemu okazał się rok 2002, kiedy doszło do prób odrzutowego Bielika. Już w trakcie próbnych rozbiegów okazało się, Siły działające na Bielika podczas rozbiegu że samolot nie chce podnieść nosa i robi to dopiero po osiągnięciu znacznej prędkości. Jedną z przyczyn było zbyt krótkie podwozie (zaadaptowane z samolotu Seneca), a w związku z tym mały kąt postojowy. Po drugie, odległość usterzenia poziomego od kół podwozia głównego była dość mała, wobec czego siła na usterzeniu poziomym dawała niewielki moment. 1

W tym czasie nie raz przemknęła mi przez głowę myśl: jak podnieść ten cholerny dziób? Doszedłem do wniosku, że siła podnosząca go powinna być zależna tylko od woli pilota, a więc kąt natarcia, konfiguracja samolotu czy prędkość lotu nie powinny na nią wpływać. Takie wymagania spełniłby silnik odrzutowy czy rakietowy zamontowany w dziobie, ale ze względu na stopień skomplikowania konstrukcji nie miałoby to racji bytu. Najlepiej, żeby ta siła była generowana aerodynamicznie a więc znów pojawia się koncepcja dodatkowej powierzchni nośnej, jak w kaczce. Tyle, że siła działająca na usterzenie kaczki nie spełnia żadnego z warunków wymienionych wcześniej. Po kolejnej porcji przemyśleń wpadłem na pomysł, który jest istotą omawianej koncepcji. JAK TO DZIAŁA? Wyobraźmy sobie kurek na wieży kościelnej, który jak wiadomo obraca się zawsze dziobem pod wiatr. Siła aerodynamiczna działająca na niego jest zawsze równa zeru: gdyby było inaczej, wytworzyłaby moment obracający kurka do położenia równowagi. Oczywistym warunkiem poprawności działania, a więc stateczności układu, jest umieszczenie osi obrotu przed środkiem parcia. A gdyby na jego osi przyłożyć stały moment siły, niezależny od prędkości i kierunku wiatru? Kurek zacząłby się obracać aż do chwili, gdy moment siły aerodynamicznej, już różnej od zera, zrównoważyłby moment przyłożony na oś obrotu. To położenie stanie się położeniem równowagi, a siła aerodynamiczna, jak łatwo udowodnić, będzie stała (w pewnym zakresie prędkości). Jej wartość to oczywiście iloraz przyłożonego momentu i odległości między środkiem parcia a osią obrotu. Oczywiście, powszechnie znany przypadek zerowej siły i zerowego momentu jest szczególnym przypadkiem sytuacji, którą opisałem. Co gdyby rolę takiego sterowalnego kurka pełniła dodatkowa powierzchnia, obrotowo zamocowana do dzioba samolotu? Otrzymalibyśmy możliwość generowania stałej siły, w zakresie prędkości użytkowych niezależnej od kąta natarcia i prędkości lotu a o to chodziło. Okazuje się, że to działa: na zdjęciach poklatkowych ze zrealizowanego filmu widać model w układzie kaczka (dodatkowe usterzenie wysokości z tyłu jest zablokowane), w którym przedni płat służący zarówno do wyważania, jak i do sterowania jest wychylony dokładnie o taki kąt, jaki jest niezbędny do utrzymania równowagi w dowolnym stanie lotu. W tym przypadku jest to lot z prędkością bliską minimalnej i rzeczywiście widać, że kąt natarcia przedniego płata jest istotnie mniejszy, niż płata głównego odwrotnie, niż w klasycznej kaczce. Model ze swobodnym skrzydełkiem na dużym kącie natarcia Koncepcja ma jeszcze jedną, bardzo ważną cechę: nie wpływa na stateczność samolotu służy jedynie do sterowania. To można łatwo wytłumaczyć: o stateczności decyduje pochodna momentu aerodynamicznego względem kąta natarcia. Jeżeli do nosa samolotu przyłożymy stałą siłę w stałej odległości od środka ciężkości (a więc stały moment), pochodna ta nie zmieni się. Innymi słowy, samolot bez skrzydełka musi sam w sobie być stateczny. 2 PIERWSZE PRÓBY Jestem zdania, że eksperyment choćby najprostszy, ale przemyślany jest zwykle więcej wart, niż teoretyczne dywagacje np. co ma wpływ, a co można pominąć. Zgodnie z tą filozofią trzeba było po prostu sprawdzić koncepcję w praktyce. Jak? Najprościej, najszybciej i najtaniej, jak to tylko możliwe. W tym przypadku eksperyment został przeprowadzony na modelu zdalnie sterowanym, zbudowanym przez Bogdana Chachlowskiego; zdjęcia tego modelu zamieszczono powyżej. Jak widać, był to model w układzie delta, ale z dodatkowym usterzeniem poziomym, napędzany silnikiem zamontowanym do statecznika pionowego. Rozpiętość modelu wynosiła ok. 1 m. Samolot latał bardzo ładnie i mógł kręcić akrobację.

Koncepcję sprawdzaliśmy, oczywiście, krok po kroku. W pierwszym etapie do przedniej części kadłuba zamocowaliśmy skrzydełko (tak nazwaliśmy dodatkową powierzchnię sterująco-wyważającą, będącą sercem całej koncepcji), o powierzchni ok. 12% powierzchni skrzydeł. Oczywiście, skrzydełko było zamocowane obrotowo. Środek ciężkości skrzydełka musiał znaleźć się nieco za osią obrotu, wobec czego doważyliśmy je. Wyważyliśmy też cały model tak, aby położenie środka ciężkości nie uległo zmianie. Ostatnia kontrola i w powietrze. Niby własności modelu nie powinny się zmienić, ale zawsze pozostaje niepokój. Model startuje, lata przez chwilkę i ląduje. Bogdan pilot ogłasza werdykt: Nic się zmieniło; lata, jak latał, akrobację kręci, jak kręcił; sami widzieliście. Pierwsza przeszkoda wzięta! Skoro tak, to przechodzimy do etapu drugiego przyłożenia do skrzydełka stałego momentu. W tym celu do skrzydełka zamontowaliśmy linę gumową (50-60 cm długości) zakończonej kawałkiem nitki, owiniętej wokół ułożyskowanej rolki średnicy ok. 2 cm. Drugi koniec gumy był przywiązany do modelarskiego kołowrotu (rodzaj serwomechanizmu). Ten prosty mechanizm zapewnił nam w przybliżeniu Mechanizm wytwarzania stałego momentu w ponownie zmodyfikowanej delcie stały, ale sterowalny moment działający na skrzydełko. Maksymalna wielkość momentu odpowiadała sile nośnej w przybliżeniu równej 15% ciężaru modelu. Tym razem emocje przed startem były większe. Start z momentem na osi skrzydełka równym zero, wznoszenie, zwiększenie momentu i nic. Model nadal lata tak samo jak uprzednio. Różnicę zauważamy dopiero po lądowaniu: ster wysokości jest wychylony o ok. 3 w dół, a po lotach bez przykładania momentu wychylenie wynosiło ok. 18 do góry. A trzeba dodać, że z cech serwomechanizmu wynika, że ster zostaje tak wychylony, jak przed przyziemieniem. Co to oznacza? Skoro równowaga w obu przypadkach była zachowana, to skrzydełko z przyłożonym momentem generuje siłę nośną do góry. A więc sukces! Wszystkie trzy powierzchnie generują siłę nośną do góry: skrzydełko, gdyż wynika to z naciągu gumy; skrzydło z definicji; usterzenie poziome, co wynika z jego usytuowania i geometrii, w tym z wychylenia steru. Wybiegając nieco w przyszłość na innym modelu (pokazanym obok) zastąpiliśmy gumę mechanizmem magnetodynamicznym, stworzonym z pomocą pracowników firmy ATM. BADANIA TUNELOWE Delta po pierwszej modyfikacji ze swobodnym skrzydełkiem Siły działające na samolot na dużym kącie natarcia Model z mechanizmem magnetodynamicznym Kolejne eksperymenty pozwoliły nie tyko na sprawdzenie, że pomysł działa, ale też na uzyskanie wartości liczbowych i wykresów. Mam na myśli badania w tunelach aerodynamicznych Wojskowej Akademii Technicznej, (dzięki życzliwości prof. Aleksandra Olejnika i jego zespołu), a później także Politechniki Warszawskiej. Najpierw badania były realizowane dzięki pasji badawczej, ale z czasem udało się uzyskać finansowanie ich z grantu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. W sumie przebadano trzy modele; dwa z nich, o nietypowych kształtach, przedstawiono poniżej. Trzecim był zmodyfikowany model Bielika. 3

Dwa z trzech modeli obiektów badań tunelowych w tunelu WAT Wspominałem o emocjach, jakie przeżywaliśmy przed oblotami delty Bogdana. Nie każdy wie, że badania tunelowe też mogą być emocjonujące. Może nie tyle same badania, ale interpretacja wyników. Proszę sobie wyobrazić, co czuje wynalazca, kiedy widzi wysuwający się z drukarki wykres potwierdzający to, co wcześniej sobie wyobrażał. Tam abstrakcja a tu rzeczywistość. Wcześniej widzieliśmy, że model lata poprawnie, a pilot nie zgłasza żadnych różnic w pilotażu a teraz widzimy wykres momentu pochylającego, gdzie widać niemal równoległe do siebie krzywe, odpowiadające różnym przyłożonym momentom. Na dowód, wykres ten przedstawiono poniżej. Brak wpływu skrzydełka na stateczność to jeden z najważniejszych wniosków z badań. Inne, uzyskane zarówno w tunelach, jak i podczas prowadzonych równolegle prób w locie modeli RC (już nie tylko delty ) to: uzyskujemy znaczący przyrost siły nośnej; skracamy rozbieg samolotu niewspółmiernie więcej, niż wynikałoby to z przyrostu siły nośnej; doskonałość aerodynamiczna niewiele się zmienia w praktycznych zastosowaniach; Wykres Cm Y (α) dla różnych prędkości i konfiguracji skrzydełka (swobodne lub obciążone stałym momentem) samolot powinien się zdecydowanie łatwiej wyprowadzić z ewentualnego korkociągu; zastosowanie skrzydełka powoduje, że samolot korzystniej reaguje na podmuchy, czyli w istotny sposób tłumi ich efekty. Nie mieliśmy też, co warto podkreślić, problemów z flatterem czy drganiami PIO. Te wątpliwości nieraz zgłaszali sceptycy. A więc w modelach wszystko działa. JAK STEROWAĆ SKRZYDEŁKIEM? Zachęcające wyniki dotychczasowych eksperymentów skłaniały do myślenia o pełnowymiarowym samolocie wyposażonym w skrzydełko. Aby to jednak było możliwe, trzeba było raz jeszcze rozwiązać dwa problemy: Jak generować stały moment działający na skrzydełko? Jak bezzwłocznie zmieniać wartość tego momentu, aby umożliwić sterowanie samolotem? Oczywiście, w naszych modelach obydwa problemy były już rozwiązane, ale w sposób modelarski. Bądź co bądź, trudno wyobrazić sobie samolot np. transportowy, w którym przez cały kadłub biegnie sznur gumowy. Trzeba więc było wymyślić mechanizm spełniający powyższe wymagania, a jednocześnie lekki, mało skomplikowany, tani i ogólnie elegancki. Dobrze by było, żeby sam mechanizm 4

nie był całkowitą nowinką, lecz opierał się na rozwiązaniach sprawdzonych w wieloletniej eksploatacji. Pozornie problem jest banalny. Można bazować na sprężynach, istnieją też różne serwomechanizmy hydrauliczne, pneumatyczne czy elektryczne (w tym szczególnie obiecujące elektryczne siłowniki stałomomentowe). Jednak gorzej z realizacją: mechanizm okazywał się albo zbyt skomplikowany, albo zbyt ciężki, albo zbyt mało elegancki. Każdemu czegoś brakowało. Co prawda, mój przyjaciel Zygmunt Górski opracował świetny dźwignik hydrauliczny o bardzo małych oporach tarcia (co wynikało ze znakomicie pomyślanych uszczelnień mechanicznych), ale to tylko jeden element układanki. Niemniej nie zrezygnowaliśmy z niego może się przydać, jeśli chcielibyśmy np. skompensować efekt wychylenia klap. Mijały miesiące i lata, a nadal pozostawało aktualne stwierdzenie z początkowego etapu prac: że taki mechanizm to pole dla interdyscyplinarnej współpracy wynalazców i konstruktorów, nie tylko z branży lotniczej. Innymi słowy: coś trzeba wymyśleć. Aż w końcu pojawił się pomysł tak prosty, że niemal oczywisty: sterowana klapka związana ze skrzydełkiem, przypominająca klapki wyważające czy flettnery na sterach samolotów. Taka klapka musi w jak najmniejszym stopniu zmniejszać siłę nośną, a jednocześnie wytwarzać jak największy moment względem osi obrotu skrzydełka. Uznałem jednak, że różne kombinacje geometryczne pozwolą na uzyskanie akceptowalnego efektu. Przy okazji muszę się pochwalić, że od listopada 2009 r. to rozwiązanie jest chronione patentem, przyznanym mi i mojemu wspólnikowi, Włodzimierzowi Mysłowskiemu. Przykłady możliwych rozwiązań sterowania skrzydełkiem PRÓBY STEROWANIA SKRZYDEŁKIEM Pomysłem podzieliłem się z Bogdanem, który już po kilku dniach przedstawił koncepcję mechanizmu sterowania klapkami. Jak widać na poniższej fotografii, żadna wielka filozofia. Oś skrzydełka wykonana jest z rurki, wewnątrz której biegnie pręt skrętny, przenoszący napęd z serwomechanizmu na popychacze klapek. Sam serwomechanizm jest osadzony na osi skrzydełka i stanowi jego częściowe wyważenie masowe. 5

Sterowanie klapkami skrzydełka w modelu Propozycja układu sterowania klapkami w pełnowymiarowej konstrukcji Delta po trzeciej modyfikacji; pod skrzydełkiem widoczne popychacze napędu klapek 6 W samolocie pełnowymiarowym napęd klapek może być zrealizowany równie prosto: osadzając wewnątrz osi skrzydełka popychacz napędzający dźwignie powiązane z popychaczami klapek Przy okazji widać, że sterowane powierzchnie są znacznie bliżej drążka sterowego, niż w układzie klasycznym, co pozwala na wyraźne uproszczenie układu sterowania. Ale zanim do tego dojdzie, znów trzeba sprawdzić pomysł w praktyce. A więc kolejna modyfikacja modelu. Jak zwykle, początkowo stosujemy sterowanie dwa w jednym : do startu i lądowania klasyczny ster wysokości, a na większej wysokości testujemy skrzydełko. I tym razem loty od samego początku potwierdziły, że wynalazek działa, jednak musieliśmy nieco korygować wielkość skrzydełka. Nie trwało to długo już po kilku lotach mogliśmy zablokować ster w wylatanym położeniu i przejść na nowy system sterowania. Co prawda, mieliśmy pewne przygody z modelami, ale nie wynikały one z badanego systemu sterowania. Po prostu, model musiał startować z pasa betonowego (wskutek sporej prędkości minimalnej), a to z modelarskiego punktu widzenia jest sztuką samą w sobie. W rezultacie musieliśmy zastosować rzadko spotykane w modelach RC hamulce kół. Podsumowując: nowa metoda jest niezwykle prosta w realizacji i wykorzystuje do tego celu sprawdzone wieloletnią praktyką szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne; ze względu na krótki czas reakcji może służyć do sterowania modelu, a nie tylko jego wyważania; nie ma problemów z realizacją lotu odwróconego; dzięki różnym wariantom konstrukcyjnym możliwym jest dowolne kreowanie sił na sterownicach pilota zarówno ci do ich wielkości, jak i gradientów. MAŁGOSIA-II, CZYLI SKALA 1:1 Po zakończeniu prób modelu z klapkami dysponowaliśmy już nie tylko ciekawą koncepcją, ale w miarę dojrzałym i stosunkowo nieźle przebadanym rozwiązaniem. Jednak prace nad nim nie zostały zakończone ale jak wszystko, wymagają pieniędzy. Kolejne rozmowy z kolejnymi potencjalnymi inwestorami przynoszą umiarkowane efekty. Program potrzebuje momentu przełomowego: oblotu samolotu (pilotowanego przez człowieka na pokładzie) z nowym systemem sterowania. Samolot taki, dopuszczony przez nadzór i posiadający właściwe cechy pilotażowe, może pokazać zalety całego pomysłu. Po prostu, demonstrator technologii. Takim demonstratorem miał być samolocik dwumiejscowy, w kategorii zbliżonej do JAR-VLA (czyli samolotów ultralekkich), napędzany 100-konnym silnikiem.

Budowa samolotu też kosztuje, ale można na nią pozyskać pewne środki: 200 tysięcy euro. Dla szarego człowieka to wielka kwota, ale z punktu widzenia budowy samolotu bardzo niewiele. Żeby ciąć koszty, zdecydowałem się pociąć samolot. Mam na myśli motoszybowiec Małgosia, zbudowany przeze mnie na bazie Foxa. Taki kanibalizm może dać dobre rezultaty, co już wcześniej sprawdziłem; m.in. przedprototyp Swifta powstał przy wykorzystaniu elementów Kobuza. Odpada konieczność projektowania i wykonywania wielu drugorzędnych elementów, nie trzeba wykonywać foremników czy kopyt to wszystko jest, stoi w hangarze. Szkoda samolociku, na którym spędziłem kilkaset miłych godzin w powietrzu, ale może on się odrodzić w innej konstrukcji, która oprócz polatania sobie pozwoli mam nadzieję na znaczący krok w dziedzinie awiacji. Na dzień dzisiejszy budowa Małgosi-II trwa. Kształt samolociku już widać, o czym świadczą poniższe zdjęcia, wykonane dosłownie dwa dni przed spotkaniem. Małgosia-II, czyli demonstrator technologii 7

CO DALEJ? Chyba żaden badacz nie powie, że badania są w 100% ukończone zawsze jest coś, czego nie można było sprawdzić wcześniej. Jeśli chodzi o próby w locie, chcemy skupić się na dwóch modelach Bielika. Pierwszy już istnieje i jest napędzany silnikiem tłokowym, natomiast drugi ma być napędzany modelarskim silnikiem odrzutowym o ciągu 18 kg. Jednocześnie odrzutowy Bielik ma posłużyć do badań w wielkim tunelu aerodynamicznym T-3 w Instytucie Lotnictwa (o średnicy przestrzeni pomiarowej równej 5 m). Planujemy też sprawdzenie koncepcji skrzydełka do sterowania w kanale odchylenia a więc jako ster kierunku. Ale to nie jest priorytetem najważniejsze jest zbudowanie latającego samolotu, czyli Małgosi-II. Nasze zamierzenia sięgają też dalszej przyszłości a więc gdy demonstrator udowodni, że Dwa z naszych modeli doświadczalnych: śmigłowy Bielik i delta metoda działa i zapewni zainteresowanie inwestorów. Wtedy przyjdzie czas na konstrukcje użytkowe, których koncepcje, co oczywiste, powstają. A pole do popisu jest spore. Zastosowanie skrzydełka pozwala budować samoloty w układzie kaczki, a więc o lepszym wykorzystaniu objętości kadłuba oraz z jego tylną częścią nie obciążoną koniecznością zabudowy usterzenia. Można to wykorzystać do budowy bardziej optymalnego samolotu transportowego jedno- lub wielosilnikowego. Można też to rozwiązanie wypróbować na samolocie komunikacji regionalnej z napędem odrzutowym lub turbośmigłowym z dwoma silnikami, z których każdy napędza poprzez sprzęgło (jak w rowerze czy śmigłowcu) swoje śmigło lub wentylator. Taki napęd zastosowali z powodzeniem Anglicy w samolocie Fairey Gannet w latach 50. A może skrzydełko to jest ten przełomowy wynalazek uzasadniający poniesienie gigantycznych kosztów na opracowanie następcy Boeinga-737 czy Airbusa-320? Jednosilnikowy samolot transportowy, klasy PC-12 Dwusilnikowy samolot transportowy Dwusilnikowy samolot dyspozycyjny Czy tak mógłby wyglądać następca Boeinga-737 i Airbusa A-320? Opracowanie tekstu: Paweł Ruchała SMIL Opracowanie graficzne: Paweł Ruchała, Adam Dziubiński SMIL Ilustracje: Edward Margański 8