5. Koncepcja płatowca z obracanym kadłubem

5. Koncepcja płatowca z obracanym kadłubem

Dr hab.inż.arch.,prof. nadzw.P.Wr. Janusz Rębielak
Politechnika Wrocławska
KONCEPCJA STRUKTURY I MODEL NUMERYCZNY
PŁATOWCA Z OBRACANYM KADŁUBEM
Praca zawiera krótki opis koncepcji budowy płatowca wraz z
wizualizacjami modeli numerycznych definiujących kształty struktur
przestrzennych projektowanego systemu. Głównym celem proponowanej
konstrukcji jest dążenie do uzyskania szerokiego zakresu prędkości lotu
płatowca, w tym głównie znacznej prędkości przelotowej, wyposażonego w
napęd o niewielkiej mocy. Modele numeryczne struktury przestrzennej
samolotu wykonano za pomocą języka programowania Formian.
CONCEPT OF STRUCTURE AND NUMERICAL MODEL OF A PLANE
WITH ROTATED FUSELAGE
The paper presents short description of a concept of an airframe together
with visualizations of its numerical models defining spatial structure forms
of the designed system. The main purpose of the proposed structure is the
endeavour to obtain a large range of the flight speed, in particular of high
cruising speed, by an airframe equipped with propulsion of relatively low
power. Numerical models prepared in the programming language Formian
of the airplane spatial structure are prepared by means of a programming
language Formian.
1. WSTĘP
1.1. Przyczyna, przedmiot i zakres pracy
Autor od bardzo dawna pasjonuje się lotnictwem, a w przeszłości budował nawet amatorsko
lotnie i wiroszybowiec. Pierwsza lektura w tym zakresie [5] spowodowała stały do niedawna
kontakt z podstawowym polskim czasopismem lotniczym jakim jest „Skrzydlata Polska” oraz
także sporadycznie z zagraniczną prasą poświęconą technice lotniczej. Praca naukowa i
dydaktyczna umożliwiają autorowi jedynie śledzenie tej techniki jedynie z dystansu.
Prawdopodobnie każda osoba zainfekowana w młodości „bakcylem lotniczym” nosi się z
zamiarem zbudowania samolotu według swojego własnego pomysłu. Autor należąc do tego
grona jest przekonany, że codzienne obowiązki z pewnością nie pozwolą mu na realizację
takiego zamiaru w dającej się przewidzieć przyszłości dlatego postanowił przedstawić jedynie
ideę takiego samolotu. Narzędzia stosowane przez autora w pracy naukowej, dotyczące
budowy modeli numerycznych różnorodnych form struktur przestrzennych, mogą być także
użyte w projektowaniu konstrukcji lotniczych, co zostało przedstawione na przykładzie
proponowanej konstrukcji płatowca. Mając świadomość wielu ograniczeń funkcjonalnych,
technologicznych i konstrukcyjnych autor zdecydował się na zaprezentowanie tej koncepcji
lotniczej konstrukcji przestrzennej używając odpowiednio przygotowanych modeli
numerycznych proponowanych rodzajów takiego systemu.
Modele numeryczne przestrzennych systemów konstrukcyjnych zostały opracowane w języku
programowania Formian [1-4]. Podstawą teoretyczną tego języka programowania jest tzw.
formex algebra, której pomysłodawcą jest Prof. Hoshyar Nooshin. Kolejne wersje tego języka
programowania są stale opracowywane przez Prof. H. Nooshina i jego zespół pracujący w
Space Structures Research Centre na University of Surrey w Wielkiej Brytanii. Zastosowanie
języka Formian ułatwia i przyśpiesza proces projektowania konstrukcji przestrzennych
posiadających niekiedy bardzo skomplikowane kształty i zbudowanych z dużej liczby
różnorodnych elementów składowych. Modele numeryczne poszczególnych struktur o niemal
dowolnych postaciach mogą być definiowane za pomocą odpowiednich parametrów dzięki
czemu kształty analizowanych struktur mogą być stosunkowo szybko, łatwo i w sposób
płynny dostosowywane do zmieniających się często wymogów projektowych.
Programy definiujące modele numeryczne proponowanych struktur są dość złożone i długie.
Dlatego w niniejszej pracy przedstawiono jedynie ich odpowiednio przekształcone
wizualizacje, będące wynikiem wykonania tych programów. Modele numeryczne opracowane
za pomocą języka Formian mogą być transportowane do wielu innych programów
komputerowych i mogą być podstawą do przeprowadzenia wielu złożonych analiz
proponowanych form konstrukcji przestrzennych.
2. WERSJA PODSTAWOWA PŁATOWCA Z OBRACANYM KADŁUBEM
2.1 Założenia podstawowe oraz przykładowa postać konstrukcji przestrzennej
Amatorskie konstrukcje lotnicze są najczęściej realizowane minimalnym nakładem środków
finansowych. Jednostki napędowe stosowane w takich aparatach latających mają zwykle
niewielkie moce, a przestrzenie dostępne do startu i lądowania mają również niezbyt duże
wymiary. Te ograniczenia zmuszają do poszukiwania niekonwencjonalnych rozwiązań
innych, niż używane w profesjonalnych technologiach np. krótkiego startu i lądowania.
Prezentowana idea konstrukcji samolotu została wcześniej pomyślana przez autora, z
oczywistych względów, dla napędu w postaci silnika tłokowego ze śmigłem pchającym
umieszczonym z tyły kadłuba. W niniejszym artykule przedstawiono tą ideę dla płatowca z
napędem odrzutowym zlokalizowanym również na końcu kadłuba. Schematy dwóch
podstawowych konfiguracji proponowanego aparatu latającego przedstawiono na Rys. 1.
a
b
Rys. 1. Widoki perspektywiczne dwóch głównych konfiguracji podstawowej wersji
konstrukcji płatowca o tzw. obracanym kadłubie, a) konfiguracja do startu i lądowania, b)
konfiguracja do przelotu z większą prędkością
Proponowany aparat ma postać jednopłatowca z centralnie umieszczonymi skrzydłami, Rys.
1a. W tylnej części kadłuba nie ma on konstrukcji statecznika pionowego natomiast
specyficzny rodzaj takiego statecznika, przenikającego przestrzeń kadłuba, znajduje się w
jego części przedniej. Niewielkie zamontowane na nim dodatkowe stateczniki – nominalnie
poziome – mogą być użyte jako powierzchnie sterowe do stabilnego oraz w pełni
kontrolowanego procesu startu i lądowania tak nietypowej postaci aparatu latającego.
Powierzchnie te niekoniecznie muszą się tam znajdować jednak w prezentowanych
przykładach rozmieszczono je celowo dla lepszego zobrazowania poszczególnych
konfiguracji przestrzennych. Stateczniki pionowe są umieszczone symetrycznie po obu
stronach każdego skrzydła, znajdują się w jednakowych odległościach od kadłuba i są
wyposażone w powierzchnie sterowe. W konfiguracji poziomej, Rys. 1a, wybrane rodzaje
tych powierzchni mają pełnić rolę steru kierunku. Wzdłuż krawędzi spływu skrzydła znajdują
się również podobne powierzchnie pełniące role lotek oraz steru wysokości. Podwozie
główne jest umieszczone w przestrzeni stateczników i planuje się jego teleskopowe
wysuwanie do pozycji roboczej, właściwej do startu. Po starcie osie kół tego podwozia
powinny znaleźć się płaszczyźnie centralnej każdego skrzydła w celu prawidłowego
rozmieszczenia mas całej konstrukcji. Po osiągnięciu odpowiednich parametrów lotu samolot
po przechyleniu na jedno ze skrzydeł zostaje obrócony o kąt 90o wzdłuż jego podłużnej osi
poziomej przyjmując pozycję tzw. „przelotową” pokazaną na Rys. 1b. W konfiguracji
„przelotowej” płatowiec ma układ „kaczki” i dwa płaty nośne, które w uprzedniej
konfiguracji „startowej” były statecznikami pionowymi. Zabieg ten będzie możliwy do
przeprowadzenia dzięki odpowiedniej konstrukcji tych „stateczników” oraz odpowiednio
zaprojektowanej kabiny, której schemat ideowy pokazano na Rys. 3.
Poprzez obrót całego płatowca wokół jego osi podłużnej nie ulega zmianie jego opór
dynamiczny, ale istotnie zmniejsza się powierzchnia nośna dzięki czemu może on uzyskać
znacznie większą prędkość przelotową niż w konfiguracji tzw. „startowej”. Ponadto przy
zastosowaniu silnika o względnie niedużej mocy długość startu i lądowania może być
niewielka ponieważ prędkość oderwania również może być nieduża, ale zakres różnych
prędkości lotu może być znacznie większy niż tego samego płatowca w konfiguracji
„startowej”. Dążenie do uzyskania takich charakterystyk było przyczyną rozpoczęcia
poszukiwań morfologicznych w tym zakresie konstrukcji lotniczych. Schematy ogólne
przykładowej formy płatowca pokazano na Rys. 3. Wizualizacje odpowiednich faz obrotu
całego płatowca, w sekwencjach głownie co 15 o, pokazano na Rys. 4.
Taką postać konstrukcji całego płatowca można rozważać jedynie w przypadku odpowiedniej
konstrukcji kabiny pilotów i pasażerskiej oraz skutecznego i zawsze niezawodnego
sterowania wszystkimi urządzeniami samolotu. Współczesne technologie stosowane w
lotnictwie, szczególnie technika „fly by wire” może ułatwić praktyczne zastosowanie
proponowanej koncepcji płatowca z tzw. „obracanym kadłubem”. Przesłanki natury
konstrukcyjnej uzasadniają przypuszczenie, że koncepcja ta może być także urzeczywistniona
pomimo braku zastosowania tej zaawansowanej technologii, jakkolwiek w tym przypadku
stopień skomplikowania układów mechanicznych i innych może być znaczny. Konstrukcja
kabiny może być niezależna od konstrukcji kadłuba i musi umożliwiać jej obrót o kąt 90o
wzdłuż osi podłużnej tego kadłuba, Rys. 3. Należałoby dążyć do tego, aby podczas procesu
obracania kadłuba o ten wymagany kąt załoga i pasażerowie pozostawali w zasadzie w
klasycznej konfiguracji pionowej, która w tym przypadku jest określana mianem „startowej”.
Postulat ten jest możliwy do zrealizowania chociaż jego spełnienie będzie wymagać
zastosowania drogich i skomplikowanych, urządzeń przez to ciężar samej kabiny może być
dość spory. Oprócz wymagań technicznych dotyczących niezawodności procesu sterowania
należy uwzględniać wiele innych takich, jak np. odkształcenia kabiny ciśnieniowej co z kolei
musi spowodować odpowiednie jej połączenie z konstrukcją półskorupową kadłuba lub
zastosowanie wewnątrz urządzeń umożliwiających swobodną zmianę pozycji załogi. Oznacza
to, iż nie jest konieczne stosowanie podwójnej konstrukcji kabiny i kadłuba w tej strefie.
a
b
Rys. 2. Konfiguracje części dziobowej podstawowej wersji konstrukcji płatowca o tzw.
obracanym kadłubie, a) konfiguracja do startu i lądowania, b) konfiguracja do przelotu
Rys. 3. Schematy podstawowej wersji konstrukcji płatowca o obracanym kadłubie
W przypadku wszystkich wariantów proponowanego rozwiązania należy pamiętać, że ich
prezentacja w niniejszej pracy ma charakter teoretyczny i dotyczy ogólnych zagadnień
morfologicznych związanych z kształtowaniem poszczególnych wersji konstrukcji płatowca
wraz z wizualizacjami odpowiednich modeli numerycznych bez precyzyjnego określenia
poszczególnych detali i ich wzajemnych powiązań konstrukcyjno-funkcjonalnych.
b
a
d
c
e
f
Rys. 4. Widoki kolejnych etapów obrotu płatowca o proponowanej konstrukcji
3. PRZYKŁADY INNYCH FORM PŁATOWCA Z OBRACANYM KADŁUBEM
3.1 Pierwsza przekształcona postać wersji podstawowej
Kabiny pilotów niektórych rodzajów samolotów mają niezależną konstrukcję w postaci
kapsuły umożliwiającą szybkie oddzielenie tej części od kadłuba w przypadku nagłej
konieczności ewakuacji załogi. W tym przypadku można nie stosować foteli wyrzucanych.
Całość konstrukcji samolotu, a w rozważanym przypadku, jego kadłub jest zawsze podczas
lotu poddawany znacznym obciążeniom dynamicznym. Dlatego jego konstrukcja najczęściej
stanowi integralną całość. Koncepcja zaprojektowania części kadłuba tak, aby mogła się ona
obracać wzdłuż jego osi podłużnej nawet o niewielki kąt jest zawsze obarczona ryzykiem
wynikającym z wprowadzenia dwóch niejako niezależnych części jednego z podstawowych
składników konstrukcji samolotu. Pewne względy uzasadniają przypuszczenie, iż wykonanie
części dziobowej jako ruchomego składnika konstrukcji kadłuba może być z powodzeniem
zrealizowana i praktycznie prawidłowo funkcjonować. Konstrukcja stref brzegowych takich
dwóch części powinna być odpowiednio zaprojektowana i musi być wyposażona w zespoły
dodatkowych instalacji umożliwiających sprawne funkcjonowanie płatowca w każdej sytuacji
i w każdych warunkach atmosferycznych. Jeśli będą spełnione wszystkie tego typu warunki
to część dziobowa, zawierająca kabinę i podstawowe wyposażenie nawigacyjnoelektroniczne, może funkcjonować w sposób pokazany poglądowo na Rys. 5 i na Rys. 6.
a
b
Rys. 5. Podstawowe konfiguracje drugiej wersji konstrukcji płatowca o obracanym kadłubie
a
c
b
d
Rys. 6. Schematy wybranych sekwencji obrotu proponowanej konstrukcji płatowca
Do jednej z instalacji o kluczowym znaczeniu będzie z pewnością należeć bardzo wydajna
instalacja antyoblodzeniowa rozmieszczona wzdłuż krawędzi styków dwóch części
ruchomych tak zaprojektowanego kadłuba płatowca.
3.2 Druga przekształcona postać wersji podstawowej
Analizując dotychczas zaprezentowane formy płatowca można zauważyć, że z postaci
jednopłatowca w konfiguracji „startowej” po obrocie wzdłuż osi podłużnej o kąt prosty
przyjmuje w konfiguracji „przelotowej” postać właściwie dwupłatowca. Proponowana
koncepcja płatowca o obracanym kadłubie może być zastosowana w taki sposób, aby w
każdej z tych podstawowych konfiguracji przyjmować postać jednopłatowca, co w
poglądowy sposób pokazano na Rys. 7 oraz na Rys. 8.
b
a
Rys. 7. Konfiguracje startowa i przelotowa przekształconej formy płatowca
a
c
b
d
Rys. 8. Przykładowe konfiguracje samolotu z ukośnymi formami skrzydeł
Na Rys. 7 pokazano odpowiednio zmodyfikowaną postać pierwotnie proponowanej
konstrukcji płatowca. W tym przypadku obrotowa kabina znajduje się w wewnętrznej
przestrzeni kadłuba o ciągłej konstrukcji na całej swej długości. Istotą tej modyfikacji jest
zastąpienie dwóch stateczników pionowych, pojedynczo przenikających każde ze skrzydeł,
dwoma płatami typu „delta” umieszczonymi nad i pod kadłubem w tylnej jego części.
Podwozie główne będzie chowane w przestrzeni dolnego płata pionowego w konfiguracji
„startowej”, Rys. 7a. Koła podwozia przedniego i głównego znajdują się w jednej linii, a w
przestrzeni każdego z większych płatów należy rozmieścić chowane konstrukcje
dodatkowego podwozia. Wszystkie te elementy należy tak rozmieszczać również z innymi
składnikami, aby masy te były rozmieszczone odpowiednio symetrycznie. Konfigurację
„przelotową” tej postaci płatowca pokazano na Rys. 7b. Jest oczywiste, że ta postać, w
konfiguracji „startowej”, może mieć także stateczniki poziome umieszczone na końcach
płatów głównych tak, jak pokazano to uprzednio na Rys. 5 i Rys. 6.
Płatowiec o formie pokazanej na kolejnych częściach Rys. 8 jest wyposażony w skrzydła
skośne i rozmieszczenie elementów podwozia będzie podobne do tego, które należy
zaprojektować dla formy samolotu pokazanej na Rys. 7. W tym przypadku przednia część
kadłuba, zawierająca kabinę załogi, ma możliwość obrotu o kąt prosty w stosunku do
pozostałej części konstrukcji samolotu. Formy bezogonowców projektowane i stosowane od
dawna do wielu celów [5,6], charakteryzując się pewnymi ograniczeniami, wykazują wiele
cech szczególnie istotnych dla konfiguracji tzw. „startowej”.
UWAGI KOŃCOWE
Przedstawione w pracy wizualizacje dotyczą amatorskich koncepcji kształtowania konstrukcji
płatowca, adaptowane do wymogów technologicznych napędu odrzutowego. Są one zapisem
komputerowym wizji autora odnośnie kształtowania konstrukcji samolotu wyposażonego w
silnik o niewielkiej mocy, mogącego korzystać nawet z przygodnych lotnisk oraz mogącego
charakteryzować się szerokim zakresem prędkości lotu. Istnienie ruchomej części nosowej
samolotu naddźwiękowego Concorde może w pewnym stopniu uzasadnić celowość
chociażby dyskusji nad praktyczną przydatnością proponowanej koncepcji płatowca o tzw.
obracanym kadłubie. Autor mając świadomość wielu ograniczeń technicznych
proponowanych form konstrukcji takich płatowców opracował ich odpowiednie modele
numeryczne. Wiele ze wspomnianych ograniczeń może nie być branych pod uwagę w
przypadku projektowania aparatów bezzałogowych. Modele numeryczne przygotowano w
języku programowania Formian. Na przykładach proponowanych koncepcji płatowca
pokazano kolejne możliwości jego praktycznych zastosowań.
4.
LITERATURA
[1] Nooshin H. Disney P. Yamamoto C.: Formian, Multi-Science Publishers, Brentwood,
Essex, 1993.
[2] Nooshin H. Disney P.: Formex Configuration ProcessingI, International Journal of Space
Structures, Vol. 15, No 1, 2000, s. 1-52.
[3] Nooshin H. Disney P.: Formex Configuration ProcessingII, International Journal of
Space Structures, Vol. 16, No 1, 2001, s. 1-56.
[4] Nooshin H. Disney P.: Formex Configuration Processing III, International Journal of
Space Structures, Vol. 17, No 1, 2002, s. 1-50.
[5] Praca zbiorowa, redakcja – Glass A.: Konstrukcje lotnicze Polski Ludowej, Wydawnictwa
Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1965.
[6] Schick W. Meyer I.: Tajne projekty Luftwafe, Tom 1, Samoloty myśliwskie 1939-1945,
Wydawnictwo Zysk i S-ka, Poznań, 2002.