Staronový pohon letadel

Jak již to tak bývá v lidské povaze a tím i lidské historii, vrací se některé myšlenky i po dlouhé době zpátky a to tehdy, když uzrály podmínky pro jejich návrat. Toho si ale musel vždy někdo všimnout a naroubovat je na nová stromořadí jak jen to uměl nejlépe.

To je i případ elektropohonu letadel těžších vzduchu, který byl odložen, pokud s ním bylo vůbec uvažováno, ad acta v devatenáctém století. Uplatnil se pouze u letounů lehčích vzduchu-řiditelných balonů a vzducholodí. U těch až do dneška. Pro ilustraci – byla to v srpnu roku 1884 francouzská vzducholoď „La France“, která vykonala, za bezvětří, během 23 minut několika kilometrový let rychlostí cca 20km/h, když elektromotor o výkonu 8HP(cca 5,8KW) se 400kg baterií poháněl dvoulistou vrtuli o průměru 7m, která rotovala 40x až 60x za minutu. Proti silnějšímu větru však byl i tento pohon bezzubý. Ale prokázal správnost této cesty.

Pak možná došlo k více pokusům s elektropohonem na zeměkouli a to i v leteckém modelářství. Zřejmě prvním úspěšným pokusem mohl být let modelu „Radio Queen“ plk. Taplina v roce 1957 v Anglii, vybaveného pohonnou jednotkou o výkonu 240W a 8 000 ot/min se 30-ti Ag-Zn články, který s hmotností 4kg vystoupal do výše cca 10m. V roce 1959 to byl F. Militky v Německu s modelem „Silentius“ o hmotnosti kolem 120g a později jiná verze o hmotnosti 150g. Motor o výkonu 2W při 14 000 ot/min poháněl pomocí reduktoru 1 :15 vrtuli o průměru 320mm a model s nízkým zatížením nosné plochy tak mohl vykonat dvacetiminutový let. To byl obrovský skok kupředu. Ten se ještě znásobil, když se kolem roku 1970 začaly objevovat Ni-Cd baterie, které mohly být mnohokrát dobity.

Dnes je elektrický pohon modelů rozšířen zásadním způsobem. K dispozici jsou již motory o výkonech i kolem 15KW, a je otázka kdy nahradí pohony spalovacími motory, i když malé modelářské turbiny s výkony umožňujícími provozovat 30 kg těžké modely(v podstatě bezpilotní prostředky) jsou již využívány.

Obdobně je tomu i u skutečných letadel kde jsou výkonnější turbíny používány pro pohon na příklad jednosedadlových větroňů.

Mezitím však Američan Paul Mc Cready, po úspěších s létajícími stroji poháněnými lidskou silou postavil a úspěšně odzkoušel v roce 1975 letadlo poháněné energií ze slunce, když získal z 3 920 solárních článků výkon 541W. To stačilo k dosažení výšky 4km. V roce 1980 uletěl „Gossamer Penguin“ se subtilní pilotkou Janice Brown vzdálenost větší než 4km za 14min21s. V roce 1981 uletěl z Francie do Anglie na „Solar Challenger“ pilot R.Ptacek vzdálenost 261km za 5h23min při cestovní rychlosti 64km/h. První lety byly uskutečněny pouze s Ni-Cd články a později s více než 16 100 solárními články zabudovanými do vhodných povrchů letadla pro příjem sluneční energie.

A pak přes „Pathfindera“ se 36m rozpětí a „Centuriona“ se 62m rozpětí v roce 1998 přichází „Hélios“ v roce 2001 s rozpětím 75,3m, se 60 000 solárními články(za 9mil USD), které při účinnosti 22,5% dodaly 14 motorům s vrtulemi o průměrech 1,7m příkon 30KW.

Následuje několik projektů s letadly na elektrický pohon pro nonstop oblet Země. Mají se uskutečnit v těchto letech.

A jak to vypadá například s elektropohonem větroňů s vhodnými články, motory a vrtulemi jinde a u nás, protože kvůli tomu jsem všechno dosud psal.

Připomenu německou firmu Lange Aviation a její produkt „Antares 20A“, který mnozí našinci znají. Jeho jedna z fotografií je zde.

Je to celokompozitový větroň o rozpětí 20m, s nosnou plochou 12,6m2 a štíhlostí 32, s maximální letovou hmotností 660kg. Maximální klouzavost je udávána hodnotou 56 a nejmenší klesavost 0,5m/s. Nejmenší rychlost letu pak 73km/h. Stoupání 4,4m/s do cca 3 000m, za bezvětří.

Pohonnou jednotku tvoří elmotor EM 42 pro napětí 190-290V a proud 160A, s kroutícím momentem 216Nm. Ten poskytuje příkon 42KW při 1 500ot/min pro přímo poháněnou vrtuli o průměru 2m, jejíž účinnost je 75%. Použité baterie jsou typu Li-Ion-SAFT VL41M schopné až 1 500 násobného nabití. Jedno nabíjení celé sady trvá asi 9h a je možné na něj uskutečnit několik startů. Baterie mají životnost při předpokládané intenzitě provozu 8 – 11 let. Tento létající stroj vypadá nádherně i zblízka. Jeho cenu a komerční úspěchy, ale neznám.

A jak to je asi u nás?

V leteckém modelářství je značné množství elektromotorů schopných pohánět modely letadel do velkých výšek a značnými rychlostmi. K dispozici jsou celkem běžně motory o výkonech od několika wattů do cca 8KW. Jsou pro ně i regulátory, baterie i vrtule. S rostoucím výkonem však začínají být potíže s plynulým ovládáním motorů.

Takže nad asi 5KW výkonu se mohou vyskytovat obtíže se spolehlivostí použijeme-li dostupné, zejména tuzemské, ovládací prvky. Situace se však poměrně rychle zlepšuje a to i ve výběru a spolehlivosti baterií. Čínských výrobců, jejichž produkty jsou u nás dostupné, je skoro nepřehledně. Jestli jim některé země poskytly vyspělejší technologie než zatím známe, nevím.

Vrtule jsou plastové, kompozitové a také stále ještě dřevěné. V poslední době se objevily na trhu velmi dobře zpracované bukové vrtule jejichž průměry dosahují až 1m.

Protože jsme jedinci myšlenkově trochu neposední pokusili jsme se aplikovat široké modelářské zkušenosti na letadla skutečná. Nebyli jsme první, tak to udělal již i Paul Mc Cready před více než 30 lety. Stále se nám vracela jednoduchými výpočty neodmítnutá reálná možnost aplikace dostupných motorů, regulátorů a vrtulí o výkonu cca 5KW na UL větroni. Vycházelo to na cca 13m rozpětí a letovou hmotnost do 250kg.

Z obrázku jsou patrné hlavní rozměry a tvary jednoho z našich návrhů větroňů včetně napočítaných výkonů a potřebných příkonů pohonné jednotky. Nosná ploch by mohla být o něco menší, dejme tomu cca 9,5m2. To však vyžaduje klapkový profil, což trochu komplikuje stavbu i cenu. Na tom obrázku jsou dvě varianty nosné plochy. Levá polovina křídla je bez vztlakové klapky a vyžaduje proto profil s maximálním součinitelem vztlaku 1,5-1,6. Což zase není tak úplně jednoduché, i když ne nemožné. Varianta zachycená na pravé polovině počítá s klapkou a to zřejmě štěrbinovou. Tu je třeba vhodně zavěsit, aby mohla být využita také jako aerodynamická brzda při přistání.

Na dalším obrázku je takovýto stroj načrtnut. Nosná plocha je zde vybavena takovou klapkou. Maximální součinitel vztlaku může zde být trochu nižší, což umožní lepší pronikavost za letu a vhodně vychýlená klapka také lepší vlastnosti v kroužení. Větroň vybavený nosnou plochou se vztlakovou klapkou bude mít také menší nároky na výkon pohonné jednotky při startu.

Do dalšího obrázku jsem si dovolil načrtnout uspořádání přední části takovéhoto větroně(jenom se mně nelíbí ten pilot, mohl by se trochu zhubnout a nebýt tak ošklivý).

Pak jsem ještě zhotovil úplně předběžný odhad hmotností jednotlivých částí tohoto stroje. Vyšlo to asi následovně:

1. VOP – plocha 1m2 ; sandwich potahu o celkové tlouštce 7mm(2x uhlík. tkanina 90 a 1x skleněná tkanina 90) ; uložení ; závěsy ; součet vynásoben 1,15 .. výsledek 5,8kg
2. KŘÍDLO – plocha 8m2 ; sandwich potahu o celkové tloušťce 9mm(2x uhlík. tkanina 160, 1x sklo 160 a 1x uhlík 90) ; závěsy ; páky ; táhla ; nosníky ; spojka křídla ; součet vynásoben 1.15 …. výsledek 62kg
3. TRUP – sandwich skořepiny o celkové tloušťce 7mm(2xuhlík. tkanina 160 a 1x uhlík.tkanina 90), řízení ; výztuhy ; sedačka ; přístroje ;podvozek ;pohonná jednotka ; součet vynásoben 1,1…. výsledek 97kg.

Prázdný letoun cca 165kg.

Pilot 75 až 100kg.

LETOVÁ HMOTNOST 240 až 265kg.

Zatížení nosné plochy 228 až 252 N/m2.

Teď ještě profily nosné plochy - příklad od pana ing Janovce-JYk17 pro střed křídla a JYk12 pro okraj křídla. Jejich obrysy jsou na dalším obrázku.

Jak si jistě někdo povšiml jsou tu dva trochu rozdílné druhy profilů.

Oba dva JY jsou předurčeny pro vestavbu vztlakové klapky. Mají lepší klouzavost a lepší pronikavost ve větrném počasí. Navíc vztlaková klapka při výchylce kolem 80^o dolů funguje jako účinná aerodynamická brzda. Mimo to při menších výchylkách kolem své neutrální polohy zrychluje nebo zpomaluje let.

Naproti tomu profil LHK se vztlakovou klapkou nepočítá, protože může létat trochu pomaleji než oba předchozí. Vyžaduje proto instalaci výsuvných nebo jiných aerodynamických brzd alespoň na horních stranách obou polovin křídla. Má poněkud horší klouzavost a pronikavost ve větrném počasí. Hodí se více pro polétání v klidnějším počasí v okolí letiště.

Pokud by se zvedla vlna nesouhlasu s návrhem větroně uvedeným nahoře můžeme nabídnout jinou variantu s menší plochou a poměrně jednoduchými tvary tak jak je uvedeno na dalším obrázku.

Takových podobných, a možná i lepších, návrhů je možné z různých zdrojů opatřit více. Problémem je zatím ovládání pohonné jednotky. To se však jistě podaří v krátké době napravit a větroně s tichým letem budou i tady stoupat brzy k obloze.

Nakonec ještě malá galerie Antaresa z Friedrichshafenu v roce 2005.

Prameny:

• K.Lhoták - Balon,křídla,vrtule ; 1948
• Aeromodeller Annual 1960-61
• H. Brus – Solarmodellflug ; 1991
• O.Wennmacher – Elektroflug-Getriebe ; 1996
• J.Lněnička – Lidé a letadla ; 2002
• Lange Aviation web. stránky ; 2007