Nowa koncepcja sterowania samolotem wysoko-manewrowym

Nowa koncepcja sterowania samolotem wysoko-manewrowym

  • Kierownik projektu: mgr inż. Agnieszka Kwiek, Politechnika Warszawska
  • Tytuł projektu: Nowa koncepcja sterowania samolotem wysoko-manewrowym
  • Konkurs: PRELUDIUM 1, ogłoszony 15 marca 2011 r.
  • Panel: ST8

Projekt był realizowany w latach 2011-2013 i miał na celu opracowanie nowej koncepcji sterowania samolotem wysoko-manewrowym, czyli takim, który można określić jako nadzwyczaj zwrotny. Samoloty te są zdolne do wykonywania manewrów niemożliwych dla konwencjonalnych samolotów podobnej klasy. Przykładami takich obiektów są myśliwce F-16, F/A 18 Hornet, MIG29 czy Su-27. W celu zapewnienia nadzwyczajnych zdolności manewrowych stosuje się jedną ze specjalnych konfiguracji skrzydła. Może to być na przykład skrzydło pasmowe (rysunek 1.A). Skrzydło takie wyposażone jest w tzw. napływ między kadłubem a krawędzią natarcia zasadniczej części skrzydła. Jego zadanie polega na generowaniu wirów krawędziowych, które powodują znaczny wzrost siły nośnej samolotu. Rysunek 1.B prezentuje samolot F/A 18 Super Hornet, na którego skrzydle pasmowym widać powstawanie wspomnianych wirów, natomiast rysunek 1.C przedstawia symulację wirów krawędziowych powstających na samolocie rozważanym w ramach tego projektu. Większość współczesnych samolotów wysoko-manewrowych ma konwencjonalne usterzenie poziome, co zwiększa długość samolotu, a tym samym również jego moment bezwładności. W niniejszym projekcie rozważane było zastosowanie ruchomych, pochyłych płyt brzegowych, które zastępowały stery (Rysunek 2). Rysunek 3 prezentuje wizualizację przepływu wirowego otrzymanego z komputerowych analiz aerodynamicznych prowadzone w ramach projektu.

Rysunek 1. A) skrzydło pasmowe; B) Fot. C. Galiński, wiry krawędziowe na F/A 18 Super Hornet; C) Wizualizacja wirów krawędziowe na rozważanej konfiguracji


Rysunek 2. Rozważana koncepcja sterowania samolotem wysoko-manewrowym

W 2012 roku wyniki otrzymane w ramach badań zostały zaprezentowane na międzynarodowej konferencji w Brnie „Research and Education in Aircraft Design”, a praca ta została oceniona jako najlepsza w kategorii „doktoranci” podczas konkursu organizowanego w studenckiej sesji.

Większość samolotów wysoko-manewrowych ma zastosowania militarne, więc szczegółowe informacje na ich temat są zazwyczaj tajne. Można jednak takie samoloty stosować również do celów cywilnych, czego przykładem jest turystyka kosmiczna. Obecnie można polecieć na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS), niedługo zaś będą możliwe tzw. loty suborbitalne. Podróż na Międzynarodową Stację Kosmiczną jest bardzo kosztowna i stać na nią tylko milionerów. Tymczasem istnieje spora grupa entuzjastów, która zainteresowana jest wizytą w kosmosie, ale nie posiada wystarczających środków do opłacenia wizyty na ISS. Rozwiązaniem tego problemu mogą być właśnie loty suborbitalne, czyli takie, podczas których pojazd porusza się po torze ruchu (trajektorii) nieotaczającym Ziemi dookoła, lecz zbliżonym kształtem do paraboli. W trakcie lotu przekraczana jest granica między atmosferą ziemską a przestrzenią kosmiczną. Pasażerowie mają możliwość przebywania przez kilka minut w stanie nieważkości oraz zaobserwowania kulistego kształtu Ziemi.

Rysunek 3. Wizualizacja przepływu wirowego wokół modelu z wychylonymi płytami brzegowymi.

Ze względu na znaczącą zmianę warunków otoczenia, najlepszym sposobem realizacji takiego przedsięwzięcia wydaje się stworzenie układu dwóch samolotów, z których jeden, napędzany silnikiem odrzutowym, wynosiłby na dużą wysokość drugi, napędzany silnikiem rakietowym – tzw. rakietoplan. Na wysokości około 15 km rakietoplan byłby zrzucany z nosiciela. Wtedy uruchamiano by jego silnik, pracujący podczas fazy stromego wznoszenia, a następnie wyłączany, dzięki czemu możliwe będzie przejście do lotu balistycznego. Samolot matka wracałby na lotnisko, a rakietoplan rozpoczynałby kluczowy etap podróży – przekraczanie granicy przestrzeni kosmicznej. Ostatnie zadanie rakietoplanu to bezpieczny powrót na Ziemię bez użycia silnika, tak zwanym lotem ślizgowym. Poszczególne etapy misji prezentuje rysunek 2. Taką koncepcję turystycznej misji kosmicznej zastosowała firma Scaled Composites, która zbudowała i wypróbowała pierwszy turystyczny rakietoplan kosmiczny.

Rysunek 4. Profil misji dla turystycznego lotu suborbitalnego

W trakcie fazy powrotu rakietoplanu na ziemię wskazane jest wytwarzanie bardzo dużej siły aerodynamicznej, aby wyhamować opadanie i nie przekroczyć granicy prędkości, dla której pojawiają się problemy z aerodynamicznym nagrzewaniem konstrukcji. Zastosowanie układu skrzydła pasmowego daje taką możliwość, gdyż wytwarzane przez nie wiry zwiększają w sposób kontrolowany zarówno siłę nośną, jak i opór aerodynamiczny.

Rysunek 5. Aranżacja kabiny rakietoplanu

Rakietoplan mógłby zabierać na pokład dwóch pasażerów i pilota, a wyglądałby tak jak na rysunku 5.

Opiekunem naukowym projektu jest prof. nzw. dr hab. inż. Cezary Galiński, pracownik Instytutu Lotnictwa i Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Swoje zainteresowania zawiązane z lotnictwem oraz modelarstwem łączy z pracą naukową. Dotychczasowe badania, które prowadził dotyczyły najczęściej systemów bezpilotowych, w tym mikrosamolotów i entomopterów. Interesuje się również niekonwencjonalnymi konfiguracjami samolotów, takimi jak układ skrzydła połączonego czy latającego skrzydła.


mgr inż. Agnieszka Kwiek

W 2011 roku obroniła pracę magisterską na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej na kierunku Lotnictwo i Kosmonautyka, specjalność Statki Powietrzne. Obecnie kontynuuje naukę na studiach doktoranckich na wspomnianym wydziale. W ramach prac dyplomowych rozwijała wcześniej opisaną koncepcję samolotu wysoko-manewrowego jako rakietoplanu do turystyki kosmicznej. Interesuje się aerodynamiką, kosmonautyką, a w szczególności systemami transportu kosmicznego. Od 2005 roku jest członkiem Studenckiego Koła Astronautycznego (SKA), a w roku akademickim 2008/2009 pełniła funkcję vice prezesa. W swoim dotychczasowym dorobku ma udział w wielu konferencjach naukowych, w tym międzynarodowych, podczas których prezentowała wyniki swoich badań.