Wizja pielęgnowana w mym umyśle, a po wielu latach zmaterializowana: widok „kaczki” lecącej z minimalną prędkością, z przednim płatem ustawianym względem opływającego powietrza tylko o tyle, ile potrzeba do zachowania równowagi.

Edward Margański

Etap I
Na firmamencie gwiazd wśród konstruktorów lotniczych, pojawił się w początkach lat 70–tych 30-latek Burt Rutan ze swoim samolotem o nazwie VariEze. Samolocik zbudowany był w sposób amatorski, w dość nietypowym układzie „kaczki”. Cechował się nieprzeciętnymi osiągami, a głównie prędkością maksymalną i zasięgiem. Sława samolotu i konstruktora potwierdzona m.in. rekordem świata (zasięg 2635 km osiągnięty w kategorii samolotów o masie mniejszej niż 500 kg) spowodowały, że konstruktorzy amatorzy na całym świecie zbudowali ponad 400 sztuk takich samolotów.

Powstanie ulepszonej wersji Long-Ez (ponoć 1500 sztuk wykonali wg planów oraz z zestawów konstruktorzy amatorzy) oraz innych modeli wywodzących się z idei VariEze zdawało się potwierdzać głoszone przez Burta Rutana poglądy jakoby w ciągu najbliższych kilku-kilkunastu lat większość samolotów będzie budowana właśnie w układzie „kaczki”.

Sam układ znany jest od zarania lotnictwa gdyż właśnie w takim bracia Wright zbudowali swój samolot. Został on uznany pierwszym samolotem silnikowym, na którym człowiek dokonał sterowanego lotu. Gwoli wyjaśnienia – układ „kaczka” jest to taki układ konstrukcyjny samolotu (lub szybowca), w którym usterzenie wysokości usytuowane jest przed skrzydłem wytwarzającym siłę nośną (odmiennie niż jest to w znanym nam układzie klasycznym, w którym usterzenie wysokości umieszczone jest za skrzydłem).

Wśród zalet układu wymienia się głównie fakt, że siła nośna skrzydeł jest w nim wspomagana przez siłę nośną, jaką wytwarza usterzenie umieszczone z przodu. Dzieje się tak, ponieważ dla zachowania stateczności układu (samolotu) środek ciężkości usytuowany jest zdecydowanie bardziej z przodu względem skrzydeł niż w konwencjonalnych maszynach. Aby skompensować moment (siła nośna skierowana do góry za środkiem ciężkości) pochylający do dołu nos samolotu, usterzenie z przodu musi wytwarzać siłę skierowaną do góry. Praktyka wykazała, iż w określonej konfiguracji (położenie środka ciężkości, wielkość, usytuowanie i kąt zaklinowania usterzenia przedniego względem skrzydeł) układ jest stateczny, zaś przez fakt, iż zarówno siły na skrzydła, jak i na usterzenie „ciągną do góry”, ma duże perspektywy, jeśli chodzi o możliwość zastosowań.

Zatrzymajmy się na chwilkę dla oceny znaczenia faktu, że siły na skrzydła i usterzenie „współdziałają ze sobą”. Jak bowiem jest w klasycznym samolocie? Jako „pomoc naukową” przypomnijmy widok lądującego Boeinga, Airbusa, czy jakiegoś tam innego. Moment przed dotknięciem kołami ziemi. Wychylone klapy, zadarty do góry nos dla uzyskania niezbędnego kąta natarcia i pytanie: jaką siłę (ile procent aktualnego ciężaru samolotu) muszą w tym momencie wytworzyć skrzydła? Okazuje się, że ok. 110-115 %, gdyż obok ciężaru samolotu muszą skompensować skierowaną w dół siłę (owe 10-15 %) wytworzoną przez usterzenie wysokości dla utrzymania równowagi podłużnej w tym stanie lotu.

W sumie: wrzód na sumieniu konstruktora. W stanie lotu (lądowania), w którym zależy nam na wytworzeniu jak największej siły nośnej, dla utrzymania samolotu w powietrzu musimy się godzić z faktem, że usterzenie, które przecież waży i stawia opór aerodynamiczny nie pomaga w wytworzeniu tej siły, a wręcz przeszkadza. 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. Powyższe jest oczywiście uwzględniane choćby w obliczeniach tzw. biegunowej równowagi, ale bez wypunktowania tego faktu, traktowanego jako swego rodzaju „zło konieczne”.

W szybowcach oraz w samolotach „z długim ogonem i wąskimi skrzydłami” rzecz nie ma większego znaczenia, ale już dla samolotów pasażerskich, czy samolotów bojowych jest już o co się bić. Prognozowana przez Rutana ofensywa „kaczek” wydawała się mieć sens. Razem z moimi kolegami z biura konstrukcyjnego OBR w Mielcu zafascynowaliśmy się nową ideą. Na deskach kreślarskich po godzinach (i nie tylko) zaczęły powstawać „kaczkoloty” rodem z Polski. A skoro zaczęły powstawać, to pojawiły się dogłębniejsze analizy układu oraz pytania. Pierwsze, z tych podstawowych – dlaczego dziś (początek lat 70-tych) na świecie nie lata żadna „kaczka” z certyfikatem, czyli z dopuszczeniem do zarobkowej eksploatacji – wydawało się być skwitowane stwierdzeniem, że już przecież pojawiają się takie, czego dowodem – następne konstrukcje Rutana, lub choćby powstający właśnie Starship firmy Beechcraft. Starship rzeczywiście powstał, był certyfikowany i produkowany seryjnie lecz okazał się jedyną do dziś „kaczką” z certyfikatem.

Inne pytania były trudniejsze. Zaraz, zaraz... Faktycznie, siły na usterzenie i skrzydła skierowane są do góry, ale przecież aby samolot był stateczny usterzenie z przodu musi być opływane przez powietrze pod większym kątem natarcia niż ma to miejsce w przypadku skrzydeł. Tym samym, oderwanie strug powietrza spowoduje, że spadek siły nośnej nastąpi wcześniej na usterzeniu niż na skrzydłach, które przecież wytwarzają gros całkowitej siły nośnej. Efektem pozytywnym, który „kaczkomani” wszędzie głoszą, jest fakt, że samolot nie przeciąga się, czyli opuszcza nos przed utratą siły nośnej na skrzydłach. Zdecydowanym negatywem jednak, o czym wielbiciele „kaczek” zdają się „zapominać”, jest fakt, że skrzydło nie może wtedy wytworzyć pełnej siły nośnej, jaką z racji swojej wielkości mogłoby wytworzyć, gdyż owo opuszczanie nosa skutecznie tę możliwość eliminuje. Sytuacja jest o tyle trudniejsza, że ze względu na warunki zachowania stateczności na skrzydłach nie możemy zastosować klap. Problem w tym, że ich wychylenie byłoby w efekcie równoznaczne z rzeczywistym zwiększeniem kąta natarcia skrzydeł, a więc z utratą stateczności przez samolot.

Powyższe jest wyjaśnieniem bardziej kompleksowego pytania. Dlaczego „kaczki” tak wspaniale prezentujące się w zakresie parametrów, takich jak prędkość maksymalna i zasięg, są gorsze niż przeciętne samoloty w zakresie małych prędkości, a głównie w długości startu i lądowania? Nie wchodząc w tym miejscu w dalsze szczegóły należy jednak podkreślić dwie inne cechy „kaczek”. Dobrą i złą. Zaletą układu jest możliwość wyraźnie korzystniejszego rozplanowania całej konstrukcji, inaczej mówiąc – zbudowania samolotu bardziej zwartego, o lepszym wykorzystaniu przestrzeni wewnętrznej, lżejszego i sztywniejszego. Wadą jest fakt, że w świetle coraz bardziej rygorystycznych wymagań co do właściwości pilotażowych samolotu, coraz trudniej w tym układzie własności te uzyskać.

W wymiarze światowym „kaczki” nie zdominowały lotnictwa i pozostały na etapie co prawda licznych, lecz jednak konstrukcji eksperymentalnych. Burt Rutan zaczął się zajmować innymi samolotami i jego sława rosła (i dalej rośnie), zaś ówczesny 30-to latek, czyli autor niniejszego artykułu, w swych analizach doszedł do wniosku, że „kaczki” w aktualnej postaci to jednak „droga donikąd”.

Korzyścią z owej przygody z „kaczkami” była konieczność wyjścia poza wyniesione z politechniki wzory i zasady, i przeanalizowanie „tak po chłopsku”, od strony fizyki zjawiska zasad zapewnienia stateczności i sterowności samolotu.

Z rozważań tych wynikało, że w żadnym wypadku przednie usterzenie nie powinno być zabudowane na stałe do samolotu, lecz powinno zmieniać swe usytuowanie względem przepływających strug powietrza i że zmiany te (głównie kąta natarcia) powinny być realizowane przez jakiś mechanizm wg raczej skomplikowanych zależności. Jawiły się tu do zrealizowania powyższego jakieś komputery i inne dodatkowe urządzenia. Jednym słowem, „wstrzeliłem się” w ogólny trend, gdyż w owym czasie zaczęły powstawać, lub już o nich myślano, samoloty ze „sztuczną statecznością”. Powstawały F-16 i F-18, a myślano już o Rafaelach, Grippenach i Eurofighterach, czyli samolotach właśnie z usterzeniem z przodu, lecz wychylanych przez system (sterowany co prawda przez pilota, lecz realizowany i zarządzany przez skomplikowane systemy informatyczno – mechaniczne). „Za wysokie progi na nasze nogi”...

Na podsumowanie tego etapu powstała wizja pielęgnowana w mym umyśle, a po wielu latach zmaterializowana. Widok „kaczki” lecącej z minimalną prędkością, z przednim płatem ustawianym względem opływającego powietrza tylko o tyle, ile potrzeba do zachowania równowagi.


EM-10 Bielik podczas prób

Etap II
Wracam po latach (rok 2002) na lotnisko w Mielcu. Tym razem z gotowym do kolejnych prób naziemnych, odlotu i prób w locie, zaprojektowanym przez nas i zbudowanym samolotem. Samolotem nie byle jakim, gdyż nie licząc M-15 (inna klasa), trzecim w naszym kraju samolotem odrzutowym.

W czasie prób kołowania i podlotów ujawnia się problem. Dla podniesienia przedniego koła trzeba rozpędzić samolot do zbyt dużej prędkości. Przyczyna jest dość prozaiczna. Za krótkie podwozie przednie (zaadoptowane z samolotu Seneca) i w konsekwencji za mały kąt postojowy, czyli kąt natarcia skrzydeł przy toczeniu się samolotu po pasie startowym.

Siły pionowe działające podczas rozbiegu na „Bielika”

Był to dla mnie okres kolejnych przemyśleń. Myśl, która prześladowała w nocy. W czasie bezsennych nocy. Jak podnieść ten cholerny dziób? Skrzydła przy tym ułatwieniu prawie nie dają siły nośnej i praktycznie cała siła, która może podnieść ów dziób to siła wytworzona przez usterzenie poziome, skierowana oczywiście w dół. A że aby podnieść ów dziób trzeba obrócić samolot względem osi kół podwozia głównego (samolot toczy się dopiero po ziemi), zaś ta oś znajduje się w tego typu samolotach bardzo blisko owego usterzenia więc musi to być siła znaczna. Jak podnieść? Może tak po prostu chwycić za nos i podnieść? Jak podnieść?! A jakie warunki ta podnosząca siła ma spełnić? Ano musi być sterowalna, czyli zależna od woli pilota, i musi być niezależna od tego, co się z samolotem dzieje, a więc przede wszystkim niezależna od kąta natarcia, pod jakim samolot jest opływany przez powietrze, jego konfiguracji (wychylenia klap, czy sterów), a być może i prędkości.

Model Bogdana Chachlowskiego z zainstalowanym „skrzydełkiem”

Jak wytworzyć taką siłę? Może w nosie zainstalować silnik rakietowy? Odrzutowy? Właściwie tak. Pomijając trudności techniczne to mogłoby działać. No, ale czy stopień skomplikowania konstrukcji uzasadnia takie rozwiązania? Chyba nie. A gdyby tak tę siłę wytworzyć w sposób aerodynamiczny? Kolejna porcja przemyśleń i wreszcie... Ależ tak! Potrzeba w nosie samolotu, wzorem „kaczki”, zainstalować dodatkową powierzchnię wyważająco – sterującą, lecz w odróżnieniu od owej „kaczki” powierzchnię tę zawiesić na osi obrotu, usytuowanej tak, jak chorągiewka na dachu (może być kurek na szczycie wieży ratuszowej), czyli przed środkiem parcia sił aerodynamicznych, powstających na owej powierzchni! Tak zawieszona powierzchnia nie wytwarza oczywiście żadnej siły nośnej, gdyż powstanie takowej powoduje (jak w tej chorągiewce) powrót do położenia równowagi, gdzie siła ta jest zerowa. Ale gdy na owej osi obrotu przyłożymy stały, lecz sterowny przez pilota moment? Na osi obrotu, czyli miejsca wspólnego wspomnianej już powierzchni i całego samolotu pojawi się siła. Siła stała, zależna od woli pilota (jak trzeba, to do góry) niezależna od kąta natarcia samolotu, jego prędkości i konfiguracji. Eureka! Przełom w lotnictwie!

Model Bogdana Chachlowskiego z zainstalowanym „skrzydełkiem”

Możemy praktycznie w dowolnym miejscu samolotu wytworzyć siłę aerodynamiczną, której powstanie i zmiana nie wpływa na stateczność samolotu. Problem „zjadania” siły nośnej skrzydeł przez ujemną siłę na usterzeniu poziomym – rozwiązany. Czy aby na pewno? Dla inżyniera tego typu wątpliwości rozstrzygnąć może tylko eksperyment. Jaki? Najszybszy, najprostszy i …najtańszy.

Etap III
W tym wypadku obiektem badań stał się zdalnie sterowany model samolotu naszego kolegi Bogdana Chachlowskiego. Pięknie latający akrobacyjny model w układzie delta lecz z dodatkowym usterzeniem poziomym i rozpiętości skrzydeł ok. 1 m był do naszej dyspozycji. Pierwszy etap eksperymentu. W modelu instalujemy „skrzydełko” (tak nazywaliśmy dodatkową powierzchnie sterującą), z osią obrotu parę centymetrów przed przewidywanym położeniem wypadkowej siły nośnej, przez nią wytwarzanej. Skrzydełko, o powierzchni rzędu 12% powierzchni skrzydeł, wyważamy tak, aby jego środek masy był nieco za środkiem obrotu, cały model doważamy tak, żeby zachować wyjściowe położenia środka ciężkości, ostateczna kontrola i… w powietrze! Niby własności modelu nie powinny się zmienić ale… niepokój pozostaje.

Schemat sposobu wytworzenia w przybliżeniu stałej sił na „skrzydełku”

Model startuje, leci, lata i ląduje. Wynik eksperymentu ogłoszony przez Bogdana pilotującego model: Nic się nie zmieniło, model stateczny, sterowny, akrobacje kręci jak kręcił, zresztą sami widzieliście. No to następny etap. Wytwarzamy moment, a więc siłę. Model ulega drobnej modyfikacji. Na osi obrotu instalujemy rolkę o średnicy rzędu 2 cm. Po rolce otacza się przymocowana doń nitka przedłużona 50-60 cm odcinkiem gumy modelarskiej. Guma nawijana jest z drugiego końca na kołowrót (taka odmiana elekromechanizmu sterowanego radiem). Cały mechanizm pozwala wytworzyć moment w przybliżeniu stały, w zakresie wychyleń skrzydełka, i regulowany zdalnie od zera do wielkości odpowiadającej przyłożeniu siły równej 15% ciężaru modelu, w środku parcia sił aerodynamicznych, wytwarzanych przez skrzydełko. Emocje przed tą próbą zdecydowanie większe niż przed poprzednią. Start z momentem na osi skrzydełka równym zero, wznoszenie. Zwiększenie momentu i… nic. Model nadal lata tak samo jak uprzednio. No, niezupełnie. Przy lądowaniu modelu ster wysokości nie jest wychylony do góry jak uprzednio (dla wytworzenia siły pionowej w dół), lecz wręcz nieco wychylony w dół. A więc? Sukces! Wszystkie siły do góry. Na przednim skrzydełku, gdyż jest to zdefiniowane naciągnięciem gumy, na skrzydłach, co wynika z definicji, no i na usterzeniu, co wynika z jego konfiguracji (zaklinowanie statecznika, wychylenia steru utrwalone po wylądowaniu gdy elektromechanizm pozostał w tym samym położeniu co przy przyziemieniu).

Rozkład sił pionowych działających tuż przed przyziemieniem

Co dalej? Następne eksperymenty, poparte już wielkościami liczbowymi i wykresami. Wszystko dzięki życzliwości profesora Aleksandra Olejnika i jego zespołu badawczego.

Podczas badań w WAT. Zdjęcia modeli zawieszonych w przestrzeni pomiarowej tunelu aerodynamicznego

Schemat układu pomiarowego tunelu areodynamicznego do badania charakterystyk w opływie symetrycznym

W tunelu aerodynamicznym Wojskowej Akademii Technicznej zostały przebadanych trzy modele o różnych konfiguracjach, najpierw „społecznie”, w ramach „czystej pasji badawczej”, a potem w ramach „grantu” finansowanego przez Ministerstwo Nauki. W ramach owej „pasji badawczej” badania były kontynuowane w tunelu aerodynamicznym Politechniki Warszawskiej. Najpierw badany był tam model odrzutowego samolotu Bielik wyposażony dodatkowo w skrzydełka, a potem dwa inne modele badawcze. Dla wynalazcy szokiem były wykresy, które wyszły z komputerów zintegrowanych ze swymi tunelami. Jedna sprawa to coś wymyślić, wyobrazić sobie jak to działa, a zupełnie co innego – zobaczyć tę kartkę wysuwającą się z drukarki. Kartkę, na której widać wykresy w całości potwierdzające to, co się sobie wyobrażało. Tam abstrakcja, tu rzeczywistość.

Co z owych wykresów wynika? Przede wszystkim to, co leży u podstaw pomysłu. Skrzydełko wytwarza żądaną siłę (oczywiście w rozsądnych granicach), przy braku wyraźnego, czy wręcz zauważalnego wpływu na wyjściową stateczność, o czym świadczy przebieg momentów pochylających dla różnych sił wytwarzanych przez „skrzydełko” na wykresie zależności tych momentów w funkcji kąta natarcia. Krzywe te są praktycznie równoległe do siebie i to w zakresie znacznie wybiegającym poza użyteczne kąty natarcia. Z tych wykresów, a także z kontynuowanych równolegle badań paru zbudowanych modeli wynika również, że:

• uzyskujemy znaczący przyrost siły nośnej;
  
  
• skracamy rozbieg samolotu niewspółmiernie więcej, niż wynikałoby to z przyrostu siły nośnej;
  
  
• stosunek siły nośnej do siły oporu samolotu, czyli tzw. doskonałość, niewiele się zmienia w praktycznych zastosowaniach;
  
  
• 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.

Rysunki do zgłoszenia patentowego

Oczywiście nie ma róży bez kolców. Po pierwsze, problemem technicznym jest, aby szybko a nawet bezzwłocznie zmieniać ów stały, sterowalny moment (gdyż jest to warunek niezbędny aby system można było stosować nie tylko do wyrównoważenia, lecz również do sterowania). Drugim bardzo poważnym problemem jest konkretne rozwiązanie techniczne tego wytwarzania stałej, lecz sterowalnej siły czy momentu. W skali modelu jest to wręcz banalne: wystarczy guma czy sprężyna o zmiennym naciągu, czy mechanizm magneto-dynamiczny, zrealizowany z pomocą przyjaciół z firmy ATM (dziękuję Tomku) w jednym z modeli. W skali rzeczywistego samolotu o masie nieraz bardzo wielu ton problem zdecydowanie przestaje już być banalnym. Jest to problem, lecz jednocześnie wyzwanie dla kolejnych wynalazców. Badanie, rozmyślanie, dyskusja, lecz w końcu trzeba pomysł uformalnić, czyli zgłosić do urzędu patentowego. Wybiegając w przyszłość: już po siedmiu latach uzyskujemy patent wystawiany na panów Edwarda Margańskiego i Włodzimierza Mysłowskiego.

Edward Margański

Czytaj także:

Horten HX-2

Skrzydło na nowo wynalezione: najnowsze koncepcje budowy płatowców

Samoloty z usterzeniem przednim na przykładzie wybranych patentów oraz konstrukcji; cz. 1

W Polsce mamy pole do innowacji