Pilótafülke siklóernyősöknek?

A fordítás közzétételéhez a Gleitschirm Magazin főszerkesztője írásban hozzájárult.
(Thermik Verlag, Stelzhamerstraße 18. A-4600 Wels;
tel: ++43 (0) 7242/45224-0; fax: ++43 (0) 7242/45224-22,
( http://www.gleitschirm-magazin.com/ )
További sokszorosítás csak a szerkesztőség, és a fordító írásos beleegyezésével jogszerű!

Érdemes végiggondolni, mi lenne, ha felére lehetne csökkenteni a pilóta légellenállását. Gondolnád, hogy...

• ebben az esetben a mai teljesítményernyők¹ siklószáma 1,3-del emelkedne

• hogy a minimális merülés jó 0,1 m/s-mal javulna

• hogy 45 km/h sebességnél a merülés 0,5 m/s-mal csökkenne

• hogy az ernyő maximális sebessége 1 km/h-val növekedne.

És azt gondoltad volna, hogy...

• valóban le lehet csökkenteni a pilóta légellenállását a felére?

Nem hiszed? Akkor olvasd végig az alábbiakat, és azután alkoss saját véleményt.

A légellenállás csökkentésének négy lehetősége

A múlt nyáron néhány esős nap arra kényszerített, hogy a földön maradjak. Gondolatban viszont sokat voltam a levegőben. És mint ahogy olyan gyakran, a gondolataimat megint az foglalta le, hogyan lehetne még tovább, még magasabbra, és még messzebbre repülnünk, vagyis: hogyan lehetne légijárművünk teljesítményét megnövelni?

Már rég nem titok, hogy a siklóernyők teljesítményének fokozása a légellenállás csökkentésével lehetséges. Erre négy lehetőség adódik: a profilellenállás, az indukált ellenállás, a zsinórok ellenállása és a pilóta ellenállásának csökkentése.

1. Azt a csodaprofilt, amely felhajtóerő termelésére képes, és nincs ellenállása, még nem találták fel. És minden bizonnyal a kupolánk felülete sem lesz soha olyan szép sima, mint a vitorlázórepülők szárnya.

2. A teljesítmény fokozásának másik lehetősége az oldalviszony növelése, ezáltal az indukált ellenállás lecsökkentése. Ezt a módszert alkalmazzák is a konstruktőrök. Mégsem szeretnék most ebbe belemenni, mert az a néhány merész fesztávú prototípus általában elég bizonytalan repülési tulajdonságokkal rendelkezik.

3. A konstruktőrök a zsinórok ellenállását nagyon komolyan veszik. Az öt zsinórsor, és az oldalankénti illetve zsinórsoronkénti hat-hat tartózsinór ideje lejárt. A kis számú fő tartózsinór elágazásainak jól átgondolt kialakításával, és a diagonál- vagy V-cellák segítségével a konstruktőröknek sikerült lecsökkenteniük a zsinórhosszt.

Mi maradt még hátra a légellenállást okozó tényezők közül?

4. A pilóta!

 

 

Az ellenállást okozó pilóta

Eddig, ha a siklóernyők teljesítményének fokozásáról volt szó, a legtöbb szakcikk csak az ernyőről, annak profiljáról, a felületről, az oldalviszonyról illetve a zsinórokról tett említést. Aztán hála istennek egyre több szó esett arról is, hogyan lehetne lecsökkenteni a pilóta légellenállását. Az erre vonatkozó ötletek szinte egyidősek magával a siklóernyőzéssel, de nem voltak különösebben eredményesek, ezért alig váltak ismertté. Hogy ez miért van így, arra a következő példa ad választ.

Példa:

A ?Régi" ernyőt 1990-ben gyártották, oldalviszonya 3, siklószáma 5.

Az ?Új" ernyőt 1996-ban gyártották, profilja ugyanaz, mint a ?Régi"-é, viszont jobb a zsinórelrendezése, oldalviszonya 5, siklószáma 8.

Az 1. sz. táblázat egy számítógépes légellenállás-elemzést mutat be 40 km/h haladási sebesség esetén.

1. táblázat

Mindkét ernyővel ugyanaz a pilóta repül, ugyanabban a beülőben, ugyanolyan testtartással. Ha a pilóta ellenállása a felére csökkenne, akkor a ?Régi" ernyő siklószáma 0,7-del, az ?Új" ernyőé 1,3-del javulna. Nagyobb haladási sebesség esetén ez a különbség még feltűnőbb.

Ez azt jelenti, hogy - legalábbis elméletileg - megérett, vagy lassan megérik a siklóernyős pilótafülkék kifejlesztésének gondolata.

Az alábbiaktól okosabbak leszünk.

Nagy sebességnél a pilóta okozza a legnagyobb légellenállást

Elméletben a pilóta ellenállása nagyon könnyen kiszámítható.

Képlet:

F_R = ? ? ? ? v² ? A ? c_R

 

 

ahol

F_R = légellenállás
? = légsűrűség
v = repülési sebesség
A = vetületi felület ²
c_R = ellenállási tényező

 

 

 

A gyakorlatban persze ez egyáltalán nem ilyen egyszerű. Pilótákra vonatkozó állandó ellenállási tényező ugyanis nem létezik, és a vetületi felület sem változatlan. Amint a pilóta megváltoztatja ülő vagy fekvő helyzetét, ez a két érték is azonnal megváltozik. Ez lehet az oka annak is, hogy a szakirodalom nagyon különböző adatokat közöl, és a siklóernyő konstruktőrök zavarba jönnek, ha ilyen adatokat kérek tőlük. Vetületi felületnek 0,2 és 0,5 m² közötti értékeket kaptam, ellenállási tényezőnek pedig 0,3 és 0,9 közötti értékeket!

A képletre visszatérve a következőket tudjuk meg:

• A pilóta ellenállásának csökkentésére csak két lehetőség létezik. A vetületi felületünket fekvő helyzetben való repüléssel csökkenthetjük. A másik lehetőség, hogy a pilóta ellenállási tényezőjét csökkentjük le azzal, hogy legalább részben beborítjuk a pilótát.

• A sebesség növekedésével a pilóta ellenállása erősen megnövekszik. 50 km/h sebességnél a légellenállás több, mint hatszorosa a 20 km/h-nál jelentkező légellenállás mértékéhez képest - feltéve persze, hogy a pilóta testtartása nem változik. A síelők saját bőrükön érzik, mennyire megnő a sebességgel a légellenállásuk. Már csak ezért is érdemes indulásnál felvenniük a félig guggoló testhelyzetet, lecsökkentve ezzel a vetületi felületet, ezáltal a fékező hatású légellenállást. A nem-síelők pedig dugják ki a kezüket autópályán az autó ablakán, 120 km/h sebességnél. (A sofőr csak az egyiket!)

Még egy kísérleti eredmény: egy nyílt osztályú vitorlázórepülőgép siklószáma manapság 50 fölött van. Ha alálógatnánk egy pilótát - mint a siklóernyőknél - akkor a gépnek 108 km/h sebességnél már csak 20,5 lenne a siklószáma, 206 km/h-nál pedig 7 (pilóta lelógatása nélkül ilyen sebesség mellett kb. 30 a siklószáma).

Versenypilóta gyorsítás közben

Műszaki érdeklődésűeknek:
képzeletbeli kísérlet vitorlázórepülőre

Példa:

Tömeg: 300 kg
Súly: 3000 N

F_R = F_g / Siklószám = 60 N
F_R = ? ? ? ? v² ? A ? C_R
F_R1 (30 m/s = 108 km/h) = ? ? 1,2 ? 302 ? 0,4 ? 0,4 = 86,4 N
F_R2 (60 m/s = 216 km/h) = 345 N

Siklószám₁ (108 km/h-nál) = F_g / (F_R + F_R1) = 20,5
Siklószám₂ (216 km/h-nál) = F_g / (F_R + F_R2) = 7,4

 

 

 

Nagy sebességű repülés mellett egy siklóernyő profilja illetve a pilótafülke ellenállási tényezőjének megbecsülése:
40 km/h-nál, szokásos felületi terhelés mellett kb. 0,3 felhajtóerő-tényezővel számolhatunk.
Mivel a siklószám = C_F / C_R, ennél a sebességnél a siklószám = 6.
A teljes C_R = C_F / siklószám = 0,3 / 6 = 0,05

Mivel a profilellenállás az eredő ellenállásnak maximum 50 %-a (durva becslés alapján), a profil ellenállási tényezője a 0,05-nek csak a fele, vagyis 0,025.

A kupola profiljának fenti ellenállási tényezőjét vettem alapul a ?pilótafülke" ellenállási tényezőjének kiszámításához, de megszoroztam 2-vel (mivel lényegesen vastagabb profilt használtam), így 0,1-es ellenállási tényezőt kaptam. A 2. számú táblázatban szereplő 0,13-as érték még 30 %-kal magasabb az én (több mint óvatos) becslésem alapján kiszámított értéknél.

Profilba dugott pilóta

Az alábbi képen láthatjuk, miről is van szó. A kép elölről ábrázol egy siklóernyős pilótát. Ha összehasonlítjuk a pilóta és a siklóernyő vetületi felületét, azt látjuk, hogy az ernyő vetületi felülete majdnem tízszerese a pilótáénak. Nagy sebességnél az ernyő és a pilóta légellenállása mégis közel azonos.

Fontos szerepe van a pilóta vetületi felületének

Ebből egyszerűen kiszámítható, hogy a pilóta ellenállási tényezője kb. tízszer akkora, mint a profilé. Kézenfekvőnek tűnik, hogy a magát a pilótát egy profilba rejtsük.

A következőképpen nézne ez ki: elölről nézve a ?pilótafülke" (cockpit) ellipszis alakú, 80 cm széles és 130 cm hosszú. Könnyűnek kell lennie, készülhet például a siklóernyő anyagából. Torlónyomás tölti fel. Felülről nézve orr nélküli, szimmetrikus profil. Ahhoz, hogy nyitva tartható legyen, szükség esetén egy felfújható tartórészt lehet erősíteni a belépőéléhez - hasonlóképpen, mint a kerékpárabroncs tömlője esetében.

1. ábra
A torlónyomás által töltődő pilótafülkére vonatkozó első tanulmány

A 2. sz. táblázatban szerepelnek az összehasonlító értékek.

2. táblázat

Ha nem burkoljuk be a pilótát, akkor vetületi felülete 0,4 m², ?pilótafülkében" pedig ennek duplája: 0,8 m² . Első esetben az ellenállási tényező 0,6; a profil alakú pilótafülkéé pedig 0,13. Ez az érték jóval magasabb annál, mint ami nagy sebességű repülésnél a siklóernyő profiljára jellemző. Az óvatos becslések, és a közel kétszeres vetületi felülettel való számolás ellenére a légellenállás csökkenése a számítások szerint kb. 55%!

Az áramlási kép. Vonzó számok.
Forrás: A.C: Kormode: Aerodynamik und Flugverhalten, Motorbuchverlag, Stuttgart

A polárdiagramok, és az összehasonlító repülések még határozottabban érzékeltetik a különbséget. A pilóta fent leírt módon lecsökkentett ellenállása azt eredményezi, hogy teljesítménye a teljes sebességtartományban, de főként nagyobb sebességek esetén javul. Egy 3 km-es völgy átrepülése normál esetben szűk 4 percig tart. ?Pilótafülkében" ülő pilóta nemcsak, hogy pár másodperccel hamarabb teszi meg ezt az utat, hanem 120 méterrel magasabban is ér oda!

Eddig a száraz elmélet.

És a gyakorlat?

?A gyakorlatban az igazság másképp néz ki, főleg siklóernyőknél" - mondta egyszer valaki. Hogy a gyakorlatban hogyan alakulna egy ilyen ?pilótafülke" repülési teljesítménye, azt nem merem megjósolni. De amíg eddig eljutunk, még egy csomó más problémát is meg kellene oldanunk:
Hogyan lehet elstartolni ezzel a szerkezettel? Vagy csak repülés közben húznánk fel a ?pilótafülkét"? A mentőernyő gyorsan és biztonságosan használható lenne? Nem zavarná meg a variót a torlónyomás? Hogyan erősítenénk a szerkezetet a beülőre?
A fenti problémákon túl - melyeket én időközben megoldhatónak tartok - szerencsére jó pár előnye is van a pilótafülkének. Elég tér van a pilóta mögött. Az airbag könnyen beépíthető. Ez a torlónyomással töltődő pilótafülke az általam ismert, korábban kifejlesztett szerkezetekhez képest az elérhető teljesítményjavulást figyelembe véve messze a legkönnyedebb szerkezet, mivel nincsenek benne rudak, lemezek, vagy más merev részek.

Mások ötletei?

Más elképzelések ismertetésébe sajnos nem tudok részletesen belemenni. Ezek mindenesetre megmutatják, hogy milyen utak lettek már bejárva. A UP konstruktőrei aerodinamikai beülők segítségével, közel fekvő helyzet kialakításával próbálták csökkenteni a pilóta áramlásra merőleges keresztmetszetét.
Andy Hedinger gondolt egy nagyot, és merev pilótafülkét készített siklóernyős pilótáknak. Sikere szerénynek volt mondható. A rendelkezésemre álló szűkös információim szerint ezt a szerkezetet csak nyugodt körülmények között lehetett eredményesen használni. Ez azért volt így, mert ennek a pilótafülkének csak akkor volt kicsi a légellenállása, ha pontosan elölről érte az áramlás. Ha oldalról kapta a megfúvást, akkor erősen megnőtt a légellenállása. Ilyenkor olyan jelenség jött létre, ami a vitorlázórepülők csúsztatásához volt hasonlítható. Glissade-nak is nevezik ezt a manővert. A gép siklási teljesítményének leszállás előtt tudatos lerontására használják.

2. Ábra
A vitorlázórepülők csúsztatással rontják le a siklószámukat

A szabadalmam?

Eddig mindig arról beszéltem, hogy ez az aerodinamikai, torlónyomással töltődő pilótafülke az én ötletem. Tényleg az. Tökéletesen tudatában vagyok azonban annak, hogy nem csak, hogy lehetséges, hanem nagyon is valószínű, hogy valaki már előttem kitalálta. Én személy szerint semmilyen szerzői jogot nem tartok fenn, és örülnék neki, ha valaki időt szánna arra, hogy a gyakorlatban megvalósítsa, és beszámolna az eredményeiről a Gleitschirm szerkesztőségének.

Az integrált-beülő öt évvel ezelőtt volt divatban

A pilótafülkéknek ez a távirányítású prototípusa éppúgy zsákutcának bizonyult, mint...

... mint a siklóernyős pondró, amit 1993-ban teszteltek,
és az (ülő helyzetben) 5,6-os siklószámot 0,8-del javította.

1  A cikk 1997-ben íródott (a fordító megjegyzése)

2  áramlásra merőleges keresztmetszet (a lektor megjegyzése)