Konference diplomových prací 2007 Ústav konstruování, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT v Brně 5. – 6. června 2007, Brno, Česká republika
DESIGN ULTRALEHKÉ HELIKOPTÉRY / DESIGN OF ULTRALIGHT HELICOPTER Pavel Čoupek –
[email protected] / student
ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá návrhem designu a základním koncepčním uspořádáním ultralehké helikoptéry. V práci jsou zohledněny i zásadní technické a ergonomické faktory, které přímo ovlivňují jak tvar centrální gondoly, tak i celkovou prostorovou dispozici stroje. Práce není zamýšlena jako reálný projekt pro sériovou produkci, ale snažím se v ní nastínit možný budoucí vývoj konstrukce kategorie ultralehkých vrtulníků. ABSTRACT This diploma works handles with design and basic conceptual layout of an ultralight helicopter. Work concerns basic technological principles and ergonimical factors, which directly influence both shaping of the central gondola and overall space arrangement of the machine. This work isn’t intended as a real project for batch production, I tried to sketch out possible future developement in construction of ultralight helicopters in general. ÚVOD Tato diplomová práce navazuje na mou analytickou práci, ve které se zabývám vznikem a historií moderních vrtulníků, jejich konstrukčním řešením a v neposlední řadě také jejich designem a ergonomií. Tuto práci jsem řešil v rámci předdiplomového projektu. V mém diplomovém projektu se zabývám návrhem designu ultralehké helikoptéry. Tento úkol řeším s ohledem na dnešní technické a technologické možnosti v oblasti leteckých technologií velice progresivně. Vnitřní technické celky jsem použil z již dnes běžně vyráběných strojů, čímž jsem získal základ stroje, který jsem dále tvarově upravil tak, abych vyzdvihl jeho netradiční koncepci a podpořil tím toto netradiční tvarové řešení. Cílem mé práce, je navrhnout netradiční a tvarově neotřelé řešení designu stroje, který by svou koncepcí a uspořádáním jednotlivých konstrukčních celků působil velice dynamickým a expresivním dojmem. Designérský návrh je sice navržen s ohledem na technické a technologické možnosti dnešní letecké výroby, přesto ale nemůže posloužit přímo pro výrobu nového funkčního stroje. Poslouží spíš jako alternativa a ukazatel směru, kterým by se mohl ubírat vývoj kategorie ultralehkých vrtulníků.
ak. soch. Miroslav Zvonek,
[email protected]/ supervisor
KAPITOLY ČLÁNKU Cíle projekt Mým cílem bylo navrhnout netradiční ultralehký vrtulník a využít při tom veškerých dnes dostupných moderních materiálů a konstrukčních řešení. Navrhnout netradiční létající stroj je velice obtížný úkol a dostávají se při tom do přímého konfliktu technologické, technické a designérské požadavky. Mým úkolem je skloubit všechny tyto technické a estetické požadavky tak, aby v konečném výsledku vznikl stroj, který bude celkově vyvážený a bude z něj čitelná souhra funkce s formou. Nejdůležitější bylo zvolit správné konstrukční uspořádání stroje tak, aby odpovídalo všem parametrům, které jsem si od tohoto projektu sliboval. Po nastudování technických podkladů a zvážení všech výhod a nevýhod různých koncepcí, jsem dospěl k závěru, že mým požadavkům nejlépe vyhovuje koncepce ultralehkého stroje s koaxiálním nosným rotorem.
Vrtulník Hiller s koaxiálním nosným rotorem, ze kterého jsem při návrhu vycházel [8]
Vrtulník Kamov s koaxiálním nosným rotorem 10]
Návrh tvarování Samotnému návrhu diplomového projektu předcházel projekt předdiplomový. Na tomto projektu jsem se pokusil nastínit hlavní myšlenku a konstrukční uspořádání, kterému jsem se chtěl dále věnovat a rozvinout jej na projektu diplomovém.
Diplomový projekt - vize ultralehké helikoptéry
Koncepci centrální gondoly vejčitého tvaru s integrovanou pilotní kabinou jsem ponechal, ovšem tento celek jsem ustavil do částečně vzpřímené polohy tak, abych dosáhl vyššího uložení nosného rotoru. Abych zajistil potřebnou stabilitu takto postaveného stroje, vybavil jsem trupovou gondolu stabilizačními křídly, které jednak stabilizují vrtulník v dopředném letu a po přistání fungují jako součást přistávacího zařízení. Do konců těchto stabilizátorů jsem integroval polozapuštěný kolový podvozek. Třetí kolo se nachází v přední části trupové gondoly.
Předdiplomový projekt - vize ultralehké helikoptéry
Na tomto projektu jsme si ovšem uvědomil určitá technická úskalí tohoto řešení. U mého předdiplomového projektu jsem narazil na několik konstrukčních celků, které by za určitých okolností mohly způsobovat potíže technického a ergonomického charakteru. Proto jsem se rozhodl uspořádání stroje pro diplomový projekt podle těchto poznatků upravit.
Diplomový projekt – celkový pohled
Další velkou úpravou, bylo nahrazení kapotované věže nosného rotoru klasickou otevřenou konstrukcí rotorové hlavy, které je v praxi již běžně používána. Díky tomu, se z čisté studie stal základ konstrukce, která by po dalším nutném vývoji a mírných úpravách byla schopna praktického použití u sériového stroje.
Základní koncepce stroje Při návrhu stroje jsem se snažil vnést do jeho konstrukce inovativní prvky a využít netradiční koncepce nosného systému. Dále jsem se rozhodl, využít veškerých výhod moderních pohonných jednotek a kompositních materiálů, což mi umožnilo celou skořepinu stroje jemně aerodynamicky tvarovat a optimalizovat tak její tvar v souladu s ostatními technologickými celky stroje. V konečném důsledku, jsem tak mohl propůjčit této netradiční konstrukci předpoklady vysokého výkonu při minimální hmotnosti, tudíž vysoké hospodárnosti provozu. Konstrukci jsem se snažil navrhnout velice kompaktní. Tím jsem se snažil minimalizovat prostor nutný pro hangárování stroje a nenáročný transport.
Diplomový projekt – zadní partie stroje
Technické řešení stroje Ultralehká helikoptéra. Jedná se o letoun s rotující nosnou plochou. Nosný rotor je v letu trvale poháněn vlastní pohonnou jednotku. Hmotnost je pro kategorii ultralehkých strojů omezena na 380 kg. Kvůli tomuto omezení jsou tyto stroje v praxi konstruovány jako jednomístné.
Rotorový systém S ohledem k určení stroje jsem se rozhodl v konstrukci využít koaxiálního protiběžného nosného rotoru. Ten má oproti klasickému jednomotorovému systému s vyrovnávací vrtulkou výhodu v tom, že není třeba vyrovnávat momenty vzniklé na takto uspořádaném nosném systému. Koaxiální rotor totiž sám žádné přídavné momenty nevyvozuje. Takto koncipovaný rotorový systém je navíc velice kompaktní a oproti jednomotorovému uspořádání navíc účinnější. Pro můj stroj jsem navrhl koaxiální nosný rotor s přímo řízenou rotorovou hlavou se dvěma listy na každém rotoru. Průměr nosných rotorů je 5000 mm. Řízení rotorové hlavy je zajištěno dvojitou deskou cykliky a standardním přepákováním, jaké využívá firma Kamov u svých strojů. Pohonná jednotka Jako zdroj propulsní síly, jsem se rozhodl použít dnes již běžně používaného spalovacího turbohřídelového motoru o jmenovitém výkonu 100KW. Tento pohon vyniká minimální hmotností a vysokým výkonem. Pohonná jednotka je složena z jedné axiální spalovací turbíny a soustavy reduktorů. Samotná turbína je axiálního typu s vícestupňovým kompresorem a dvojitým volným turbínovým kolem uloženým ve výstupní trysce.
Diplomový projekt – celkový „rentgenový“ pohled
Určení stroje Rozhodl jsem se navrhnout ultralehkou helikoptéru, která je určena pro rekreační provoz na malých klubových letištích. Stroj je jednomístný a je navržen tak, aby pilotovi zaručil maximální možný požitek z volného letu. Netradiční koncepce uspořádání rotoru a kabiny navíc podtrhuje sportovní charakter tohoto stroje.
Výfuková soustava Výfuková soustava turbohřídelových pohonů je pevně daná a naladěna na optimální výkon. Proto je vedení výfukových plynů řešeno optimálním způsobem tak, aby spaliny odcházeli z motoru s co možná nejmenším odporem. Spaliny těchto motorů dosahují teploty kolem 800 stupňů C. Spaliny o takto vysoké teplotě mohou v případě delšího proudění po povrchu konstrukce poškodit nosnou konstrukci stroje, která je v tomto případě samotná skořepina. Proto je důležité zajistit snížení jejich teploty a důsledně je odvést mimo drak stroje. Toho je v případě mé konstrukce dosaženo tak, že výstupní část výfukového potrubí je směřována důsledně mimo drak
stroje. Snížení teploty spalin jsem dosáhl umístěním chladiče spalin na výstup výfukového potrubí. To funguje na principu mísení horkých spalin s okolním vzduchem ve speciálně tvarovaném chladiči výfukových plynů.
Překryt pilotního prostoru je řešen jako jednodílný výlisek polykarbonátu, který je elektricky odklápěcí směrem vzhůru
s
Diplomový projekt –„rentgenový“ pohled na pilotní prostor Diplomový projekt –„rentgenový“ pohled
Palivová soustava Turbopohon má vyšší spotřebu paliva, než pístový motor o stejném jmenovitém výkonu. Proto je třeba použít větších palivových nádrží. Vrtulník má celkem tři palivové nádrže. Hlavní nádrž se nachází v zadní části trupové gondoly a další dvě vedlejší jsou umístěny v aerodynamických stabilizátorech. Nosná skořepina Za základ a hlavní nosnou část celého stroje jsem si vybral jednolitou samonosnou skořepinovou konstrukci, provedenou z uhlíkových kompositních materiálů. Základní tvar pro tuto konstrukci jsem volil tvar vejce. Je to jeden z nejideálnějších tvarů. Dosahuje vysoké pevnosti celé struktury při zachování nízké hmotnosti a také má výborné aerodynamické vlastnosti. Do takto tvarované skořepiny jsem umístil veškerá vnitřní ústrojí. Tato skořepina je zhotovena laminováním do negativní formy. Základním materiálem konstrukce, jsou vysokopevnostní uhlíkové a aramidové tkaniny, mezi které je vložena voštinová komůrková výztuha. Tyto tkaniny jsou za pomocí vakua prosyceny vysokopevnostní pryskyřicí a následně vytvrzeny v peci za stálého vakuování. Takto zhotovená skořepina má velmi vysokou pevnost při minimální hmotnosti. Pilotní prostor Pilotní prostor je umístěn v přední části trupové gondoly. Zadní část trupu, kde je umístěna pohonná jednotka a palivový systém, je od pilotního prostoru oddělena protipožární přepážkou. Ta chrání posádku v případě nehody. Pilotní prostor obsahuje pouze části letové avioniky a ovladače řízení. Spodní část tohoto prostoru tvoří hlavní nosná skořepina.
Aerodynamické stabilizátory Vzhledem k tomu, že helikoptéra s koaxiálním nosným rotorem nepoužívá ocasní rotor, tak jsem tuto část zcela vynechal a místo klasických aerodynamických stabilizátorů na ocasním nosníku použil pouze menší aerodynamické plochy po stranách stroje, které vrtulník částečně stabilizují při dopředném letu. Přistávací zařízení Jelikož jsem chtěl dodržet maximální aerodynamickou čistotu stroje, rozhodl jsem se použít tříkolový podvozek, u kterého vystupuje vždy pouze jedna polovina kola z trupu. Tento podvozek je uložen pružně a vybaven hydraulickými tlumiči. Přední kolo je navíc pro pojíždění řízeno. Řízení Rotorová hlava je ovládána elektroimpulsním systémem řízení. Tudíž zde není mechanická vazba mezi ovladači v pilotním prostoru a deskou cykliky. Tuto mechanickou vazbu nahrazují elektrické servopohony rotorové hlavy, které ovládají dvojitou desku cykliky a tím zajišťují řízení stroje. Letové výkony Vrtulník je navržen pro sportovní létání, z toho důvodu není třeba, aby stroj dosahoval vysokého dostupu, doletu a vysoké obratnosti. Na druhé straně musí dosahovat slušné dynamiky, aby si pilot mohl vychutnat sportovní zážitek z volného letu. Proto jsem s ohledem na tyto skutečnosti navrhl tyto provozní parametry. Maximální rychlost 200Km/hod. Maximální dostup 6000m nad hladinou moře. Maximální dovolený provozní násobek +4 G, -2 G
Užitečná hmotnost je stanovena na 150 Kg. Tyto provozní parametry zajistí vysokou dynamiku letu při rozumných nárocích na zkušenost pilota.
Závěr Návrh konstrukce létajících strojů je značně komplikovaná záležitost. Pro úspěšné zvládnutí návrhu takové konstrukce, je třeba znalostí z mnoha oborů, ať už je to řešení aerodynamiky, výpočty a návrhy skořepinových konstrukcí, řešení pohonného ústrojí a samotného nosného systému. Toto vše není v silách jediné osoby a v reálném vývoji se na jediném projektu podílejí desítky odborníků z různých oblastí. Proto jsem použil pro základ mého vrtulníku prvky, které se již v běžném provozu vyskytují a na jejich základě jsem navrhl celkový design a konstrukční uspořádání tohoto stroje. Asi nejdiskutovanějším prvkem mé konstrukce je samotná trupová gondola, kterou jsem pojal velice netradičním způsobem a díky tomuto prvku jsem dosáhl mnou požadovaný posun v tvarování. Díky tomu jsem mému stroji vtiskl nezaměnitelný vzhled. Ten má v sobě spojovat dynamický charakter stroje, s netradičně pojatým konstrukčním uspořádáním. Tento můj návrh samozřejmě není v této fázi připraven na výrobu funkčního letounu. Jeho konstrukce by se musela upravit s ohledem na konkrétní technické řešení a dále optimalizovat pro dosažení patřičných aerodynamických charakteristik. Spíše jsem se snažil naznačit vývoj, jakým by se mohla konstrukce ultralehkých strojů ubírat v příštích letech a to vše s ohledem na konkrétní technologie, které jsou již dnes v leteckém průmyslu běžně užívány.
akademickému sochaři Ladislavovi Křenkovi, ArtD. za jejich cenné rady, připomínky a podněty, kterými mi pomáhali v průběhu celé práce na mém diplomovém projektu. Dále pak bych rád poděkoval všem pedagogům a externím vyučujícím oboru průmyslového designu ve strojírenství, kteří mi ochotně pomáhali v průběhu mého studia. Závěrem děkuji všem mým přátelům, za jejich psychickou podporu a zajímavé postřehy k mé diplomové práci. LITERATURA [1] Svoboda Václav; Vrtulníky; Praha; Naše Vojsko 1979. [2] Odehnal Zdenek; Vrtulníky a soudobý boj; Praha; Naše Vojsko 1959. [3] Ing. Mikulka Jan; Konstrukce Vrtulníků prozatímní skripta 1; Vojenská akademie Antonína Zápotockého 1993. [4] Ing. Mikulka Jan; Konstrukce Vrtulníků prozatímní skripta 2; Vojenská akademie Antonína Zápotockého 1993. [5] www.helicycle.com [6] www.missiles.ru [7] avia.russian.ee [8] www.hiller.org [9] www.kulikovair.com [10] www.rotor.com [11] www.aerospace-technology.com
PODĚKOVÁNÍ Především bych rád poděkoval, vedoucímu mé práce panu akademickému sochaři Miroslavovi Zvonkovi, ArtD. a panu
[12] www.vrtulnik.cz
