Anglický UAV (Unmanned Aerial Vehicle - autonomní bezpilotní prostředek) „ZEPHYR“
a také ještě trochu k HELIOSU z NASA

Protože bezpilotní prostředky, bez ohledu na připravovanou regulaci například letekomodelářských činností, jsou velmi progresivně se rozvíjející skupinou létajících strojů, zveřejňujeme krátký příspěvek o jednom z nich. Oč se jedná?

Anglická společnost QinetiQ s cílem být vedoucím poskytovatelem obranných a bezpečnostních systémů, byla založená roku 2001, jakožto součást instituce Defense Evaluation an Research Agency (DERA) společně s QinetiQ North America (QNA) divizí v USA. V dubnu roku 2008 následovaly divize v Evropě, Středním Východě a v Australii. Mají širokou náplň činností související s jakoukoliv bezpečností nebo životním prostředím. Mimo jiné autonomní bezpilotní systémy.

Boeing vybral v rámci US Defense Advanced Research Project Agency DARPA) Vulture air vehicle programme společnost QinetiQ s jejím úspěšným bezpilotním prostředkem „Zephyr“ k inovaci jejich programu pro stvoření dlouhodobě létajícího stroje těžšího vzduchu.

Cílem Vulture programu je nosnost 1 000 liber(cca 450kg), s 5Kw výkonem pro vlastní poslání a s 99%-ní pravděpodobností udržení se na stále pozici ve zvolené výšce několika desítek kilometrů. Obecně se jedná o vývoj autonomních (nezávislých) bezpilotních systémů s vysokou provozní spolehlivostí.

Oč jde v případě Zephyru? Jedná se o několikafázový vývoj autonomního( tj. ne dálkově ovládaného) bezpilotního prostředku, který začal s testováním v roce 2006.

První stroj měl rozpětí 12m a hmotnost 27kg. Dokázal se udržet v atmosféře Země ve výšce 27 000 stop( cca 8km) po dobu 6 hodin.

Druhý stroj z roku 2007měl rozpětí 16 a později 18 m a hmotnost cca 30kg. V srpnu roku 2007 dosáhl výšky 58 355 stop( cca 17,5km) a doby letu 54 hodin. V roce 2008 v červenci to bylo již 82 hodin 37 minut ve výšce cca 60 000 stop( 18 km). To je nejlepší světový výkon dosažený autonomním bezpilotním prostředkem.

Řízení tohoto létajícího stroje je pomocí autopilota a komunikace se satelitem. Ke stavbě bylo použito, jak jinak, karbon fibrových materiálů. Během dne, za slunečního záření, je let uskutečněn pomocí solární energie poskytované amorfním silikonovým potahem(folií) nosné plochy, který není tlustší než list papíru. V noci je příkon získáván ze lithium-sulphurových baterií dobíjených za dne sluneční energií.

V podstatě se jedná u všech třech dosud postavených variant o obří model s obdélníkovým půdorysem nosné plochy značné štíhlosti, poháněný dvěma vrtulovými pohonnými jednotkami s elektromotory, který je startován z rukou několika pomocníků. Profily křídla mají tloušťku v rozmezí asi 12 až 13% s prohnutím alespoň 3,5%(to je můj odhad z obrázku).

Rekordní pokus z července loňského roku byl zahájen při teplotě 45^oC, což jsou podmínky kdy je již vzduch dost nepříjemně „mazlavý“ a Reynoldsovo číslo proto ne tak vysoké, jak by si provozovatelé přáli. Ale zase tam, na základně v poušti Nového Mexika, svítí slunce intenzivně, takže účinnosti solárních panelů mohly být při startu vyhovující pro poskytnutí potřebného výkonu na vrtulích, který se mohl pohybovat kolem 2KW. Stoupavost u tohoto stroje,s tak malým zatížením nosné plochy, mohla být při tom v rozmezí 5,8 až 6,1 m/s.

V dostupných podkladech jsem nenašel žádné informace o konstrukci nosné plochy. A ani o pohonných jednotkách. Létat dlouho ve velkých výškách, kde je teplota molekul vzduchu zbývajícího zde z celkového obalu Země totiž dost vysoká, není jednoduché a vyžaduje to zvláštní přístup. Asi jako na poušti odkud stroj startoval. Z obrázku je však zřejmé, že prvotním zájmem byla co nejnižší hmotnost stroje. Do jaké míry na úkor pevnosti a tuhosti se zřejmě ještě ukáže v budoucnu, až zatížení obdobného křídla vlivem 450kg užitečného zatížení stoupne.

S prve uvedenými informacemi, podle nás, jistě souvisí pokusy NASA s obrovským bezpilotním prostředkem řízeným ze Země a určeným pro lety ve velkých výškách a po dlouhou dobu. Byl to stroj zvaný „Hélios“, který byl přinejmenším čtvrtým v řadě takových bezpilotních letadel s pevnými křídly. Prvním byl „Pathfinder“ s rozpětím 28,5m. Druhým „Pathfinder +“ s rozpětím 36,3m a třetím „Centurion“ o rozpětí 61,8m.

„Hélios“ s rozpětím 74m, hmotností 1600 liber(cca 675kg) dosáhl na Hawai 13.8.2001 výšky 97 000stop(cca 29,5km). Byl to stroj bez ocasních ploch s obrovskou štíhlostí nosné, plochy poháněný osmi elektromotory o celkové výkonu 12KW. Nosná plocha obdélníkového půdorysu byla ke koncům geometricky kroucena a byla mimo přední části(viz foto) pokryta solárními články. Energie v hodnotě 42KW pro pohon, napájení umístěných přístrojů a pohon v noci byla získávána ze Slunce z jeho zářivé energie a pomocí výkonných oboustranných solárních článků. Byl projektován na nepřetržité několikaměsíční lety.

Podrobnější informace o těchto všech strojích je možné nalézt v knize J.Lněnička-Lidé a letadla (rok 2002), kde jsem si také troufl připomenout nebezpečí poškození či úplného zničení letadla s tak štíhlou nosnou plochou (31) při letech v nízkých vrstvách atmosféry kdy se vyskytuje značná turbulence. To se bohužel také 26.6.2003 po cca 30 minutách letu stalo a neuvěřitelný bezocasý stroj se zřítil u Hawaie do Pacifiku.

Tento nešťastný a poslední let můžete vidět na připojených čtyřech fotografiích z archivu NASA. Po prvním varování, zřejmě při průletu silným vzestupným proudem, se rapidně zvětšilo vzepětí a nastalo krátké třepotání konců křídla. To se uklidnilo a stroj pokračoval dál v letu. Po dalších asi 30 minutách vlétl zřejmě do dalšího silného a ostře ohraničeného vzestupného proudu – viz druhý obrázek a vzepětí křídla se prudce zvětšilo natolik, že stroj ztratil nejen stabilitu, ale znovu vzniklé mnohem intenzivnější třepotání konců(všimněte si nakroucení do kladných úhlů náběhu, které je zjevné i na obrázku) způsobilo, jak to znají i mnozí letečtí modeláři, nárůst rychlosti s přechodem do strmého sestupného let a pak došlo ke zničení nosné plochy a pádu do oceánu. Hodně zbytků bylo posbíráno, ale prototyp systému palivových článků nabíjených přes den a poskytujících energii v noci byl v moři ztracen. Další pokračování programu je plánováno na léta 2013 až 2015.

Přesto, že legenda letectví jménem Paul Mc Cready použil skvěle svých znalostí z létání a měl k dispozici potřebný team a zejména finance, nedocenil zřejmě křehkost konstrukce, lépe řečeno dostatečnou tuhost křídla takové štíhlosti a tvaru, když se snažil dosáhnout co nejmenší hmotnosti. Možná, že to zatím dost dobře se známým systémem získávání energie ze Slunce, nejde. Na posledním obrázku je Paul Mc Cready v popředí Heliose a ukazuje řez hlavním nosníkem křídla. Ten byl kruhového průřezu se zesílenými stěnami nahoře a dole a z kombinací materiálů uhlík, kevlar a nomex(ohnivzdorný). Na zachycení zatížení křídla krutem v kombinaci s ohybem a střídavým namáháním značnou frekvencí to zřejmě nestačilo. Je to velká škoda.

„Zephyr“ společnosti QinetiQ je tedy jakýmsi úspěšným pokračováním mnoha předchozích pokusů v kategorii autonomních bezpilotních prostředků určených pro dlouhodobé lety ve výškách několika desítek kilometrů. Dovolujeme si mu popřát, aby si při podobné příhodě, pokud již ji nemá za sebou, dokázal zachovat celistvost konstrukce.