|

Az aszimmetrikusan változtatható nyilazási szögű szárnyak története

A változtatható nyilazási szögű szárnyak mára széles körben alkalmazott megoldásnak tekinthetők, ám ez nem jelenti, hogy a nyilazási szög változtatásának ez lenne az egyetlen módja. Az ismert megoldás mellett nagyjából fél évtizede folynak kísérletek egy másfajta, érdekes elrendezéssel, mely jelentős előnyöket biztosíthat. Ez lenne az aszimmetrikusan változtatható nyilazási szögű szárny (oblique wing), mely a mai napig ígéretes lehetőségeket rejt mind a szub-, mind szuperszonikus repülési tartományokban, illetve az alacsony sebességű repüléskor. Lássuk tehát, miképp foglalkoztak e szárnymegoldással és hol tartanak ma a kutatók.

A Boeing egyik teherszállító oblique flying wing koncepciója.

A Boeing egyik teherszállító oblique flying wing koncepciója. ,

Mire is jó?

Alapvetően minden új elrendezés ugyanazt a célt szolgálja: növelni a hatékonyságot. Az elterjedt, változtatható nyilazási szögű koncepció esetében két darab, csap körül elforduló félszárnyat alkalmaznak, míg az aszimmetrikus nyilazási szögű szárnyaknál egyetlen szárnyat használunk. Ez egyben egy bekötést is jelent, ami kapásból súlycsökkentő megoldás. A kulcsszó pedig éppen ez, a szerkezeti tömeg körül kell körbenéznünk, ha a dolog egyik legvonzóbb oldalát szeretnénk megérteni.

A repülőgépek szárnyát többféle terhelés is éri, ezeket lebonthatjuk különböző irányú nyírásokra, hajlításokra és csavarásra. A gond csak az, hogy mivel a szárnymechanizációt csak egy forgási csomóponton keresztül lehet megoldani, így az erők átadása a félszárnyakról a törzsre szintén ezen keresztül történhet. Na mármost el lehet képzelni, hogy mekkora erők ébrednek olyan szárnyakon, melyekkel az egész harci repülőgépet emeljük, ez a több irányú, több tonnás terhelés pedig erre a forgáspontra terhelődik. A mai variaszárnyú gépeknek éppen ez az Achilles sarka, mivel a megerősítés akkora tömegnövekedést jelent, hogy a nyilazási szög változtatásából adódó előnyök jó részt el is olvadnak.

A főbb terhelések összevetése.

A főbb terhelések összevetése. (Mcs – csavarónyomaték, Mh – hajlítónyomaték, Fy – felhajtóerő, Grg- repülőgép tömege) ,

Az oblique wing esetében ezekkel nem kell számolni, mivel a két félszárny egyetlen egységet alkot, a bekötése pedig nem merev. Ebből következően a szárnyfelületre ható légerők közül csak a függőleges komponenst (felhajtóerőt) adja át repülőgép törzsére, valahogy úgy, mintha a szárnyon „lógna” a repülőgép törzse. Ezt általában gömbcsuklós (esetleg fogaskerekes) bekötéssel oldják meg, mely a leghatékonyabb a terhelésátadás és a szabad mozgás szempontjából.

A gyökerek

A megoldás mai eredményei R. T. Jones munkásságához köthetőek, de már a második világháború idején is folytak kísérletek, főleg német oldalról.

Az első ismert obilque wing terv a Blohm & Voss P 202 volt, mely Richard Vogt agyából került a rajzasztalra. 1938 és 1945 között összesen 33 ilyen szárnyelrendezésű gépet álmodott meg, ezek közül volt a legjobbnak tekinthető a P202. Az egy hajtóműves, gázturbinás vadásznál a szárny nyilazásának növelésére a hangsebesség körüli áramlási viszonyok megjelenése miatt volt szükség, melyet akkoriban kezdtek csak megérteni a mérnökök. A BMW 003-as gázturbinás sugárhajtóművel felszerelt vadászból persze nem lett semmi, pedig két 30 milliméteres és egy 20 milliméteres gépágyúval felszerelve, a már említett előnyökkel elméletben jó vadász lehetett volna. Természetesen csak elméletben, mert a problémák itt is megjelentek (mint a szárny divergencia vagy a stabilitási problémák).

A német dupla szárnyú oblique wing terv

A német dupla szárnyú oblique wing terv ,

A háború előrehaladtával már felismerték a hangsebesség felé közeledve jelentkező légellenállás változást, így az ezt áthidaló megoldások egyre fontosabbak lettek – a szárny nyilazása előtérbe került. A Messerschmitt a P1101 terveiben sokféle megoldást kipróbált, ezek között pedig volt aszimmetrikus nyilazási szögű megoldás is, sőt, egyik verzióban kettőt is kapott volna. Természetesen ezek az ollószárnyú gépek nem valósultak meg, de a felhalmozott tudás hasznosult – egy másik kontinensen.

Amerikai szárnyalás

A háború után az amerikaiak az oroszokhoz hasonlóan vittek mindent, ami nem volt túl mélyen lebetonozva Németországban, így ezek a tervek és a mérnökök is mentek a tengerentúlra. Azonban nem valami teljesen újat vittek oda, az USA mérnökei akkorra már szintén foglalkoztak ezzel a szárnymegoldással. Az egész elképzelés mentorának R.T. Jones (1910-1999) tekinthető, aki a NACA egyik legzseniálisabb koponyája volt.

R.T. Jones

R.T. Jones ,

Csapata már 1946-ban bemutatott egy modellt, mely 40°-os szárnynyilazásig nem mutatott komoly eltérést egy egyenesszárnyú repülőgép tulajdonságaihoz képest, 50° körül még kielégítően viselkedett, de 60° után instabillá vált.

1951 után publikálta is eredményeit, melyben bemutatta az ideális nyomáseloszláshoz szükséges szárnyprofilt és alaprajzot. Vizsgálata szerint az ellipszis alakú szárny bizonyult a leghatékonyabbnak, az ellenállás minimalizálásához szükséges egyenletes nyomáseloszlást a nyilazási szög változása folyamán ezzel a formával lehetett a leghatékonyabban biztosítani. A NASA 1958 folyamán az Ames 11 láb (3.35 méter) hosszú szélcsatornájában vizsgálta a megoldást, ahol a hagyományos, két félszárnyból álló rendszerrel vetették össze. Végeredményben pedig az jött ki, hogy az oblique wing esetében transzszonikus sebességeknél jelentősen kisebb a légellenállás.

Természetesen ekkorra már máshol is foglalkoztak a dologgal, Angliában a Handley Page kezdett tanulmányokat egy kétszeres hangsebességre képes OFW (obique flying wing) létrehozására. Ez egy 150 utas szállítására képes, lényegében változó nyilazási szögű csupaszárny lett volna, mely nagyjából 50-100 százalék hasznosteher-növekedést jelentett volna a korabeli gépekhez képest. Felszálló súlya valahol 350 000 font (158 757.33 kilogramm) körül lett volna, négy hajtóművét a szárny alá, az utasokat a szárnyban helyezték volna el. A szárnyat a nyilazási szög 25° és 75° közötti változtatására tervezték, a fesztáv így nagyjából 100 és 300 láb (30 és 91 méter) között változott volna. A számítások szerint a jósági foka (felhajtóerő/légellenállás aránya) 10-11 lett volna szuperszonikus tartományban és valahol 24 magasságában szubszonikus repülés idején (30°, Mach 0.34).

A terv megvalósítását végül több dolog is hátráltatta. Egyrészt a repülőgép túl nagy lett volna, másrészt túl sok részegységet kellett volna tizedfok pontossággal egymáshoz képest elmozgatni. Az utasok a repülés ideje alatt nem előrefelé ültek volna, és túl sokat sem láthattak volna, mivel az üvegezés megoldása is nehézkes lett volna. A dolog így a tervezőasztalon maradt, de nem felejtődött el.

A Handley Page utasszállító repülőgép terve (a Sycamore név nem megerősített, csak néhány dokumentumban szerepel)

A Handley Page utasszállító repülőgép terve (a Sycamore név nem megerősített, csak néhány dokumentumban szerepel) ,

Folytatás

Kis kihagyás után az ötlet 1970 után került újra vizsgálat alá. Itt már a hatékonyság, a gazdaságosság iránti igény hozta újra elő, mint lehetőséget, elsősorban a polgári repülés és a teherszállítás terén. Ebben az évtizedben indult meg az ATT (Advanced Transport Technology) tervezet is, mely az új generációs teherszállítók megalkotását célozta. A tervezők pedig az első időkben lényegében minden lehetőséget megvizsgáltak, így az OFW is több előzetes tervbe bekerült.

Mind a Boeing, mint a Lockheed kihozta saját OFW tervét, de ezek az előzetes tervezésen egyik esetben sem jutottak túl. Habár az ellenállás csökkenése adta előnyök igen csábítóak voltak, minden esetben a stabilitási és más, nem tisztázott jelenségek miatt inkább elálltak az alkalmazásuktól.

A flottának kidolgozott OFW terv.

A flottának kidolgozott OFW terv. ,

A katonai alkalmazásról sem mondtak le, a flotta különösen érdeklődött a megoldás iránt, mivel a hatótávolság növelése mellett az elrendezés maga egy óriási előny lehetett volna, egy ilyen gép helyigénye gyakorlatilag fele lehetett volna egy hagyományos harci repülőgépének. Az ATF programon (melynek végeredménye lett az F-22A) belül a flotta számára készült verzió látható az ábrán.

Az ICBM hordozó terv

Az ICBM hordozó terv ,

Születtek egészen érdekes tervek is, például a 7. ábrán látható ballisztikus rakéták hordozására képes eszköz terve. Ennek különlegessége, hogy két rögzített szárnyhelyzetet képzeltek el rá, 90°-os elfordulással. Fel és leszállás esetén egyenesszárnyú, míg nagy sebesség esetén hosszirányban helyezkedett volna el a szárny, de csak terv maradt, sosem épült meg ez sem.

Valódi szárnyalás

Mint látható, tervek születtek szépen sorban, de megvalósítani egyiket sem sikerült. A NASA azonban folyamatosan foglalkozott a dologgal, így 1976-ban előálltak egy valóban repülőképes, de még távirányítású kísérleti repülőgéppel, ez lett az OWRA. A demonstrátor képes volt o° és 45° között változtatni a szárny nyilazási szögét, megépítéséhez főleg kompozit anyagokat használtak a könnyű javíthatóság érdekében, így az összköltsége a programnak alig 200 000 dollár volt (akkori árfolyamon).

ow_08

A hosszas szélcsatorna tesztek után az első repülésére 1976. augusztus 6-án került sor, ekkor 24 percet töltött a levegőben, de ekkor még csak 15° volt a maximális nyilazási szög és a 90 csomós sebességet sem lépték át vele. Ekkor derült ki, hogy a súlypont kicsit túl távolt volt a felhajtóerő támadáspontjától, így némileg módosítottak a vízszintes vezérsík elhelyezésén, mely után még két repülést végzett, mindkettő nagyjából 20 percig tartott. A repülések az Edwards légibázison történtek, a megszokott kiszáradt tómeder fölött. A kis repülőgépet sikeresnek minősítették, mivel bizonyította, hogy vezérlőrendszerével képes a stabil repülésre, mely előfeltétele volt a következő lépésnek, az ember vezette kísérleti repülőgép megépítésének.

A kecses szépség

Az Ames-Dryden-1 (AD-1) lett a NASA egyik legnagyobb lépése az OFW kutatása terén. Mikor elhatározták, hogy egy ember vezette prototípust is építenek, a cél a gazdaságosság volt, így kis sebességre és alacsony magasságra tervezték meg. A szerkezetet költségkímélés céljából a lehető legegyszerűbbre készítették, így merev futóműveket és minimális műszerezettséget kapott, valamint katapultülést sem építettek be. Az egyszerű szerkezet miatt a maximális terhelhetőségét +8 és -4 g közé maximalizálták, de a repülések alatt a +4 és a -2 g értéket nem léték át. A szárny bekötési csomópontját viszont +/- 25g elviselésére alakították ki, ráadásul a szárny nehezebb is lett nagyjából 10%-kal, mint azt tervezték, így a 200 font (90.72 kg) tolóerejű TRS-18-045 gázturbinás sugárhajtóművek tolóerejét kénytelenek voltak ugyanennyivel megnövelni. A hajtóművek amúgy még így is erősnek bizonyultak, alapgázon is 50 font (22.67 kg) tolóerőt adtak, ami megegyezett az AD-1 jósági fokával, így egyiket le kellett állítani, mikor leszálláshoz ereszkedtek.

Az AD-1 valahol a sivatag felett

Az AD-1 valahol a sivatag felett ,

A magas felhajtóerő/légellenállás-arány miatt a NASA mérnökei között többen javasolták, hogy a gépet transzszonikus sebességtartományban is kipróbálják, ez azonban már behúzható futókat, fedélzeti oxigénrendszert és teljesen elforgatható vezérsíkokat igényelt volna, így elvetették az elképzelést. Igazság szerint nem is volt erre szükség, mivel az AD-1 program egy alacsony költségű és kockázatú vállalkozás volt, melynek fő célja annyi volt, hogy demonstrálják az OFW robotpilóta nélküli könnyű vezethetőségét.

Az első repülésre 1979. december 21-én került sor, ekkor még csak egy alig öt perces elemelkedést kíséreltek csak meg. A második repülés már 45 percig tartott és 10 000 láb (3048 méter) magasságig emelkedtek, a gép gurulópróbák folyamán tapasztalható oszcillációja nagy magasságban nem jelentkezett. Az első szárnynyilazási szög változtatására 1980. április 2-án került sor, ekkor 15° volt az elmozdítás, majd fokozatosan egyre növelve az értéket 1981. április 24-én 130 csomós sebességnél végre a 60°-os állást is kipróbálhatták. Ekkor már jelentős vibráció jelentkezett, így a maximális sebességet ebben maximalizálták ehhez a szárnyálláshoz. A teszteket összesen 15 pilóta végezte, ennek során különféle állásszögeken vizsgálták a gép viselkedését, valamint leszálltak 45°-os szárnyállással is. Összesen 79 repülést végeztek, melyek között több alkalommal szerkezeti módosítást is végeztek.

Végeredményben az AD-1 program sikeres volt, a mérnökök szerint jobb vezérlőrendszerrel a repülési tartományt jelentősen kiszélesíthették volna. A pilóták javaslatot tettek az optimális szárnyelrendezés haditengerészeti járőrgépeken történő alkalmazására is.

A DARPA figyel

A NASA eredményei nem kerültek hasznosításra, sokáig úgy tűnt, az OFW is csak egy marad az ígéretes, de gyakorlatra nem igazán alkalmas lehetőségek között. Ezt változtatta meg a DARPA 2006-ban indult kutatása, mely már egy valódi OFW X-Plane megalkotását célozza. Az első lépcsőben 10.3 millió dolláros megrendelést a Northrop nyerte el, nekik kell egy technológiai demonstrátort megalkotniuk, melyhez a következő pénzügyi évben újabb 13.5 milliót csaptak. Itt már egy lopakodó jellemzőkkel rendelkező, függőleges vezérsík nélküli, hangsebesség feletti repülőgépet képzelt el a megrendelő, melynek bizonyítani kell a megfelelő stabilitást különféle terhelési esetek mellett – tekintve, hogy fegyverzetet is szeretnének a belsejébe pakolni. A tesztrepüléseket elkezdték, de sokat még nem tudni, tekintve, hogy titkos katonai programról van szó.

A jövő jelene

Az oblique wing elrendezés tehát folyamatosan újra és újra előkerül, így érdemes szem előtt tartani, mint lehetséges elrendezési lehetőséget. Mára a felhasznált anyagoknak és a számítástechnika fejlődésének köszönhetően újra számításba lehet venni, ahogy azt tették például az előrenyilazott szárny esetében. Mivel előnyei az UAV építés során sokkal jobban kihasználhatóak (nem gond a személyzet elhelyezése, magas szintű vezérlőrendszer megléte, stb.) így jó eséllyel újra előkerül. Bármi is lesz a sorsa a jövőben, a korábbi munkák nem vesztek kárba, a repülés egy igazi érdekességgel gazdagodott létezésüknek köszönhetően.

—–
Szerző: Dénes

Források

http://www.hitechweb.genezis.eu/obliquewing.htm
http://www.desktop.aero/library/whitepaper/OFW_WP_Ch1_v0711.html
http://www.corbisimages.com/stock-photo/rights-managed/RR027594/rt-jones-with-airplane-model
http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/photo/OWRA/HTML/EC76-6048.html
http://www.nasa.gov/centers/ames/home/index.html
A summary of a half-century of oblique wing research – M. J. Hirschberg and D. M. Hart, CENTRA Tachnology Inc.

Fórum hozzászólások

There are no comments in the forum topic that is associated with this post.