Redbull hangár

Redbull hangár

2011. december 5., hétfő

Az alkalmazott tudományok háza – Látogatásom a grazi Joanneum egyetem repülőmérnöki tanszékén

II. rész – A JXP projekt

Szöveg és fotók: Gabriella

A riport első részében csak a felét olvashattátok a Bruno Wieslerrel (a repülőmérnöki tanszék vezetője) készített interjúmnak. A tanszék kiemelt projektjéről is beszélgettünk: pilóta nélüli repülőgépük, a JXP fejlesztéséről. Wiesler úr beszélt a repülőgép céljáról és a vele kapcsolatos további terveikről, majd később Martin Haider – aki a projekt felelőse – mesélt érdekességeket a tervezéséről is.

Bruno Wiesler (fotó: FH Joanneum)

Gabriella: Wiesler úr, tudna mondani részleteket a JXP projektről és annak céljáról?
Bruno Wiesler: A JXP a Joanneum Xperimental Platform (Joanneum Kísérleti Platform) rövidítése. Célja részben az, hogy a hallgatók magasszintű elméleti ismereteket szerezzenek és az is, hogy ezeket képesek legyenek alkalmazni egy projekt keretein belül is. Mert ha csak elméleti tudással rendelkeznének, nem tudnák, hogy mi hiányzik, de amikor építenek valamit, azonnal látják. Úgy vélem, ez nagyon-nagyon érdekes a tanulók számára. Végzünk építési és tervezési munkákat a CAD rendszerben (Computer Aided Design = számítógépes tervezési rendszer) és nagyon jó, ha már számítógépen látjuk, de onnan még egy-két év mire megépül. Először azt gondolja az ember, hogy már kész, de túl kell jutni minden akadályon. Szerintem ez az igazi tanulási folyamat.

G: Mire fogják használni ezt a drón repülőgépet?
BW: Civil alkalmazásokra, mert úgy vélem, hogy a katonai lehetőségek már le vannak fedve pilóta nélküli gépekkel és egyáltalán nem akarunk versenyezni másokkal ezen a területen, de úgy érzem, a civil repülésben hiány van UAV-kból. Lehetne használni mentőakciókban, állatok számlálására, vagy vándorlási útvonalaik követésére például Afrikában, de sporteseményeken is lehetne alkalmazni, ezáltal érdekes kameraszögeket biztosítva. Kisebb sporteseményekre gondolok, ahol nincs pénz arra, hogy helikoptert béreljenek. Egyébként az a célunk, hogy egy középkategóriás autónál ne legyen drágább.

G: Milyen technikai felszereléseket terveznek rá?
BW: Mindennel rendelkezik majd, amivel egy nagy gép, repülésvezérlő rendszerrel is fel lesz szerelve, automatikusan tudja követni a repülési útvonalat, így alapesetben nem lesz szükség rádiókapcsolatra. Lesz hasznos terhe, például kamerák, amelyek lehetnek infrakamerák is eltűnt emebrek kutatásához. Terhelhetőségét maximum 3 kg-ra tervezzük. Akkumulátorral és elektromos motorral is elléátjuk, szóval „zöld” repülőgép lesz. Emellett a napsugárzást is szeretnénk használni, ami további energiát biztosítana.

G: Hogyan áll jelenleg a projekt?
BW: Valójában a JXP program egy család, amelybe egy kisméretű quadrokopter (négyrotoros helikopter) is beletartozik. Ennek előnye, hogy benti kísérleteket is végezhetünk vele, tehát teljesen független az időjárási körülményektől. Van egy másik kis repülő eszközünk is, 70 c-es szárny fesztávval, így a szabadban, Graz környékén is tudunk egy kicsit tesztelni,. Ez a gép teljesen automatikusan repül, mert van rajta repülésvezérlés és már a nyilvánosságnak is bemutattuk. A következő lépés a nagy JXP lesz 7 méteres (!) szárny fesztávval, amelyet a laboratóriumunkban építünk meg és remélhetőleg már ebben a szemeszterben elkészül. Azért csak reméljük, mert a kutatás-fejlesztés üteme, különösen ebben a speciális, egyetemi környezetben, nem látható annyira tisztán előre, mint az iparban. A bemutató egyébként a Grazi reptéren lesz.

G: Említette, hogy egyik céljuk a JXP-vel, hogy olcsó legyen. Mik a távoli terveik a repülgéppel? Eladni a terveit egy repülőgépgyárnak?
BW: Meglátjuk, hogy hogyan tudjuk majd kezelni az egészet. Pillanatnyilag a bérbeadását is fontolgatjuk. Ha megépítjük, létrehozhatunk egy céget a kölcsönzéséhez, így ha valakinek egy-két napra szüksége van a gépre, kibérelheti egy egész csapattal. Szóval akár kereskedelmi alapokra is helyezhetjük a dolgot.

JXP-S prtotípus (fotó: FH Joanneum)

A tervezés első lépései

Az egytemi látogatásim során találkoztam Martin Haiderrel is, aki az egész JXP projektért felel és repülőgép tervezést tanít. Tájékoztatott a projekt aktuális szakaszáról és a tervezés érdekes részleteiről. (A technikai paramétereket a poszt végén találjátok.)

Martin Haider: A JXP azon az elgondoláson alapszik, hogy építsünk egy távirányítással vezérelhető pilóta nélküli repülőgépet. Ennek egy kutatási platformon belül kell megvalósulnia és bizonyos tömegű hasznos terhet is tudnia kell szállítani. Ez lehet bármilyen érzékelő rendszer, kamerák vagy mérőeszközök. Alkalmazási céljait illetően felmerült, hogy például sporteseményekről is készíthetne légi felvételeket. Szóval egyszerűen kamera platformnak is használhatjuk, csúcsminőségű kamerákkal feslzerelve.
Pár éve azzal a fő céllal hoztuk létre ezt a programot, hogy a repülőmérnöki tanszék ülönböző kurzusait és előadásait kombinálni tudjuk egy projekten belül. Így amit a hallgatók megtanulnak az órákon, azt alkalmazni tudják a projektben egy bizonyos feladatot elvégezve. Próbáljuk lefedni azon tényezőket, amelyek fontosak egy repülőgép építésénél, például, hogy milyen a konceptuális tervezési szakasz (amely ezen projekt esetében 3 évvel ezelőtt volt). Ebben a fázisban meghatározzuk a repülőgép fő rendeltetését, a hasznos teher tömegét, az össztömeget, mert ennek természetesen van határa, egy modell repülőgép nem lehet 20 kg-nál nehezebb. Ezután következik a többi szempont: hitelesíteni az egész repülőgép platformot, amelynek meg kell felelnie minden szabálynak – ezt a folyamatot a hallgatóink szintén megtanulják az előadásokon. A tervezési követelményeket szintén meg kell határozni, ezeket az egész repülőgépre alkalmazzuk. A konceptuális tervezés végén lesz náhány vázlatod, amelyeken szerepelnek a főbb jellemzők, mint például az általános aerodinamikai tulajdonságok. Ez egyébként egy nagyon alapvető kérdéssel kezdődik: forgószárnyas (rotoros/helikopter) vagy merevszárnyú gépet szeretnék? Mi az utóbbi mellett döntöttünk.

G: Ez közös döntés volt a hallgatókkal?
MH: Abszolút. A képzés során csak az alapötletet és a súllyal kapcsolatos követelményeket adjuk meg a hallgatóknak, és nekik az a feladatuk, hogy előálljanak a legmegfelelőbb tervezési koncepcióval.

G: Mik voltak az előnyei a merevszárnyú gépnek?
MH: A legnagyobb előnye az, hogy könyebb használni. Ha nem ül pilóta a gépben, sokkal komplikáltabb egy távirányítású helikoptert használni és ebben az esetben sok szerkezeti súlyra is szükség van az egész kormányzáshoz, meg mindenhez. Arra is rájöttünk, hogy a lassú repüléshez is (ami az egyik szempont) jobban passzolna egy merevszárnyú gép. Emelett a képzés során inkább a merevszárnyú gépek aerodinamikáját vesszük, a helikopterek csak kis részét képezik a tananyagnak. Az is kiderült, hogy jobb egy többé-kevésbé hagyományos gépet építeni. A másik alapkérdés az volt, hogy önállóan fel és leszálló repülőgépet akarunk-e és hogy valamiféle katapultot szeretnénk-e vagy egyszerű futóművet. Eldöntöttük, hogy sima konfiguráció és futómű legyen. Szóval ezek az alapvető pontok és természetesen a következő kérdés: legyen-e meghajtási rendszer és ha igen, akkor milyen: elektromos vagy üzemanyaggal működő? Mi az elektromos megoldást választottuk, mert egy kisebb repülőgépnél hatékonyabb, ha akkumulátora van és elektromos motorja. Aztán megfogalmaztuk az alapkövetelményeket. Az eredmény az volt, hogy egy 20 kg össztömegű, 3 kg hasznos teherrel bíró repülőgéphez 5 m-nél nagyobb szárnyfesztávra van szükség, úgyhogy már láttuk, hogy ez egy igen nagyméretű modell repülőgép lesz. A fesztáv végül 7 m lett, ami több mint a duplája egy átlagos modell repülőgép méretének. Ezzel lezárult a koncepcionális tervezési szakasz.
A fő céljainkat többé-kevésbé meghatároztuk, az előzetes tervezés volt a következő lépés, ami a legmarkánsabb tervezési fázis. El kell végezni az összes kalkulációt és ehhez szükség van minden megszerzett tudásodra: az aerodinamikai alapokra, amelynek során a szárnyat tervezed meg valamint azt a platformot amit használni fogunk, hogy hogyan is néz majd ki valójában  szárny, hogy milyen lesz szárnyszelvény és szárnyrész. Ez egyike a geomatriai részleteknek, és meghatározza a szárny teljes geometriáját is. A hallgatóknak szüksége volt jó pár hónapra ahhoz, hogy elkészüljenek az előzetes tervezéssel, adatokkal, kalkulációkkal. Szóval elméletben már repült a gép, legalábbis a számítógépen, ezután meg kellett határozni az összes felületet, hogy mire van szükség például a fő szárnyhoz. Ezek után meg kellett tervezni a géptörzset, majd egy specifikus terv keretében ki kellett találni a géptörzs optimális formáját a lehető leglassabb repüléshez. Szóval ezek voltak azok a kérdések, amelyekkel szembesültünk és persze a farokrész konfigurációra is kell egy részletes koncepció a horizontális és vertikális stabilizátorokkal és hogy milyen szárnyrészre, szárnyszelvényre van szükségünk a farokrészhez ha radarunk vagy magassági kormányunk van. Szintén ki kellett gondolni az összes irányítófelületet és azok méretét, hogy pontosítsuk az egész koncepciót és összegyűjthessük at összes szükséges adatot. Aztán ott voltak azok a rendszerek is, amiket be kellett építenünk a gépbe; volt egy komplett meghajtási rendszerünk, amely magában foglalja a fő energiaforrást, amely a JXP esetében akkumulátorokat jelent. Ennek persze vannak előnyei és hátrányai is. Ha akkumulátort választasz, nem vesztesz súlyt repülés közben, míg ha az üzemanyag meghajtás mellett döntesz, a tank kiürül mire leszállsz. Az akkumulátor alkalmazásának másik előnye, hogy nem probléma ki- és bekapcsolgatni a motort, amikor csak akarod. Egy motoros vitorlázógép esetében fontos, hogy ha találsz termikeket (felfelé szálló meleg légáramlatokat), leállíthatod a motort, így kicsit több időre teszel szert, tehát messzebre tud repülni a géped, de egy akár helyben is tud körözni. Ezt nem tudod megtenni egy üzemanyag meghajtású géppel.

A JXP-S építése (fotó: FH Joanneum)

Hová helyezzük a stabilizátorokat?

A további rendszerek közt a vezérlési rendszerre is szükséged van, amelynek része egy elektromechanikus motor, a szárnyra van rögzítve a farokrészen. Ezeket is megfelelően meg kell tervezni vagy rengeteg alkatrészt kell vásárolni egy harmadik féltől. A JXP javarészt  hagyományos távirányítású modell alkatrészek felhasználásával készült. Ez egy nagyon érdekes rész hallgatóink számára, mert a bármely boltban kapható távirányítású modell felszerelés használatával, sosem kapsz igazi technikai adatokat, amit tudományos környezetben használni lehetne. Ha nagyon precíz szimulációkat és számításokat végzünk, méréseket is kell alkalmazni. Így amellett, hogy megvásárolod az összes alkatrészt, tesztberendezésekkel is rendelkezned kell: próbapadokkal, amelyeket felszerelsz az alkatrészekre, lefolytatod a teszteket, kinyered az adatokat. Emellett ellenőrizni kell a rendszerek működését és megbízhatóságát is. Ez az előzetes tervezés egyik része. A beépítendő műszerekhez természetesen szükséged lesz kommunikációs és adatáviteli rendszerre is, a földi távirányító eszköz és a gép között. Ez legegyszerűbb esetben csak a távirányítót és az gépen elhelyezett jelfogót jelenti. Ha igazán hossszú távra küldöd a gépet, akkor beépítesz egy GPS jelet továbbító adót a biztonság kedvéért. A repülőgép nagyon lassan halad és hozzávetőlegesen ugyanazt a sebességszöget kapod, mint amikor a műhold nagyon messze van egy bizonyos sebességnél.

G: Vannak már infrakamerák a modellen? Wiesler úr említette, hogy ez is a tervek része.
MH: Része lesz a hasznos tehernek. Ez egy különálló tervezési feladat. Igazából akkor kell megtervezni, ha a kamerának külön energiaforrásra, adatkapcsolatra, vagy fedélzeti adatrögzítő részre van szüksége, netán egy külön antennára, ami jeleket továbbít a földre. Úgy döntöttünk, hogy hasznos teher nélkül konfiguráljuk a repülőgépet, mert először meg akartunk győződni, hogy képes-e repülni a gép enélkül, mert a hasznos teher egy teljesen külön rendszer. Így eredetileg nincs külön energiaforrás, külön adatátviteli rendszer, semmi sincs rajta. De megvan a helye egy maximum 3kg-os hasznos tehernek és azzal bármit kezdhetünk.

G: Ha eddigi munkáját veszi a JXP-vel, tudna említeni olyan dolgot a tervezés terén, ami prolémaként/nehézségként/kihívásként jelentkezett a hallgatók vagy az Ön számára?
MH: Az első dolog, amit maximálisan figyelembe kellett vennünk már az előzetes tervezési szakaszban, már a legelején, hogy ez egy olyan repülőgép lesz, aminek nagyon lassan kell repülnie. Ez nagyon nehéz döntés volt aerodinamikai értelemben, mert egy kicsit mindig könyebb gyorsan reptetni egy gépet, mivel a stabilitás nagyrészt a sebességből ered. Minél lassabban halad a gép, annál kisebb a stabilitás és a biztonságosság határa is csökken. És ha a gép nagyon lassú, nagyon magas lesz az állásszöge és „bólógatni” kezd, kimozdul oldalirányba vagy billegni fog, egyszóval nagyon instabil lesz.

Az egyetem Saab Draken vadászgépe Joachimmal (a gépről még több fotót talátok a poszt végén)

G: Ez az a jelenség, amit repülőnapon láthatunk, amikor a szóló bemutató pilóták nagyon lassan haladnak el a közönség előtt, felhúzva vadászgép orrát? Ilyenkor láthatóan nagyon nehéz uralniuk a gépet.
MH: Pontosan. Ilyenkor a gép eléri aerodinamikai határait. Egy modern vadászgép, mint például az Eurofighter, nagyon fejlett repülésvezérlési rendszerrel rendelkezik, és esetükben láthatunk 30 fokos állásszöget, de ha egy régebbi típust veszünk, mint például a Saab Draken (ami nekünk is van itt az egyetemen) annál elképzelhetetlen, hogy ekkora állásszöggel repüljön. Ha mégis megpróbálná ezt egy pilóta, azonnal katapultálnia kellene, mert lehetetlen stabilan repülni ezzel az szöggel. A repülésvezérlési rendszereknek részei a szenzorok, a kontrollfunkciók, a hidraulikus rendszerek és a digitális repülésvezérlési számítógépek, amelyek nem csak a botkormány kezelésében segítik a pilótát, a repülő irányítását is támogatják. A JXP nem rendelkezik ilyen digitális repülésvezérlési rendszerrel. Szóval amit leginkább ki kell hozni a repülő aerodinamikai tervezéséből, az a repülő formája, a legstabilabb variáns, amit meg tudsz alkotni. Ha megvannak  a lassú repülés követelményei, akkor nagyon alacsony számaid lesznek, így a légáramlás nem lesz olyan stabil a szárny körül, mint nagy sebességnél. Szóval nagy különbség, hogy 80km/h-val haladsz vagy 30 km/h-val. Ez a JXP átesési sebessége, a legalacsonyabb, amivel repülni tud. Ez azt jelenti, hogy nagy szárnyfelületre van szükség, mert alacsony sebességnél nagy súlyt kell elbírnia. Ezt nagy állásszöggel lehet elérni, mert így lehet a legnagyobb felhajtóerőt produkálni a szárnynál, de nagyon óvatosnak kell lenni az állásszöggel, mert a gép könnyen elvesztheti stabilitását. Így a konfigurációnál felmerült a kérdés: mit tehetek azért, hogy a legnagyobb stabilitást érjem el 30km/h-nál? Az egyik dolog amit tettünk az volt, hogy a gép horizontális stabilizátorát közvetlenül a propeller mögött helyeztük el. Amikor a szárnyat egy szabad légáramlat éri, nagyon lassú lesz a gép,az elől elhelyezkedő propeller nem okoz diszturbanciát, mert azt hátul helyeztük el a farokrészben. Szóval a szárny többé kevésbé mindig álló levegőben van és a legfontosabb, hogy ha a gép nagyon kis sebességgel repül, akkor a biztonság kedvéért ott van a horizontális stabilizátor, ami kicsit kisebb méretű, mint a szárny. A limitált állásszög nem fontos a fő szárny esetében, mert az sokkal veszélyesebb, ha a horizontális stabilizátor áll le. Ha elveszted a horizontális stabilizátort, akkor a gép felett is az irányítást. És ez a probléma. Ezért a motort közvetlenül a horizontális stabilizátor elé helyeztük el, így akármekkora is a sebesség, mindig előre tudjuk tolni a gázgart, és a propeller keltette légáramlást pontosan a horizontális stabilizátorhoz vezettük, így a sebesség mindig nagyobb a horizontális stabilizátornál és ez a felület mindig kellően megemeli a gépet ahhoz, hogy irányítani tudjuk. Ez az egyik része a konfigurációnak, amit nagyon ki kell találni. Mármint hogy ha nagyon alacsony sebességgel halad a gép, hogyan tudod azt biztonságosan irányítani. Ez egyike a legfontosabb kérdéseknek.
A másik az volt, ahogy azt már említettem is, hogy sok olyan alkatrészt használtunk fel, ami normál távirányítású repülőgépmodellekhez való, amelyek nincsnek hitelesítve biztonságos környezetben történő professzionális használatra. Ez persze azt jelenti, hogy magad kell tesztelned a rendszert és ezzel sok időt töltöttünk. Egy speciális próbapadot is kellett építenünk a motorok és a propellererek számára, amelyen azt is vizsgáltunk, hogy mekkora tolóerőt képesek előállítani. Meg lehet becsülni, hogy milyen motor és propeller szükséges egy 20 kg-os modell repülőgéphez, de tudományos úton is a végére lehet járni ennek egy próbapadot építve, ahol meg lehet teremteni ugyanazokat a körülményeket, mint egy igazi repülőgépnél. Még a szabad légáramlás sebessége is szimulálható. Ennek különböző variánsainál, eltérő tolóerőt produkál a propeller. Itt nagyon pontos számításokat kell végezni, az így összegyűjtött adatokat későbbi kalkulációkhoz is lehet majd használni a repülőgép tervezésénél.

Még mindig a JXP-S (fotó: FH Joanneum)

A részletek megtervezésének fázisa, a gyártás és a tesztek

MH: Ezután a harmadik és véleményem szerint a legszéleskörűbb tervezési szakasz következik, a részletek megtervezése (amibe Joachim is be volt vonva), ahol minden részletes kalkulációnak, a felhasználni kívánt anyagok erősségének, és a könnyűszerkezetes építési elméletet alkalmazásának biztosítania kell a lehető legkönnyebb szerkezetet, ami ellenáll a repülés alatt előforduló legmagasabb nehézségi erőnek. Így már megvan minden biztonsági faktor. Ez nagyon időigényes.
A részletek megtervezésének szakasza után a gyártás következik, majd ismét a tesztelés. A tesztek végeztével remélhetőleg elvégezhetjük a első repülést, amit pillanatnyilag 2012 februárjára tervezünk. Jelenleg nagyon sok munkánk van a gyártással és karácsonyig rengeteg tesztet hajtunk végre a meghajtási rendszerrel, amelyek alacsony hőmérsékleten történnek majd. Szükségünk lesz egy nagy légkondicionált kamrára is, amiben a teszteket végezzük. Az egész rendszert lehűtjük -20 Co fokra és ugyanazt a tesztet futtatjuk le, amit normál körülmények között, hogy megvizsgáljuk az akkumulátorok tartósságát. Ezzel a repülőgép hatótávolságát is meg tudjuk határozni. Ha veszünk egy bizonyos külső hőmérsékletet, tudnunk kell hogy ebben kibír-e másfél órát az aksi. Ez nagy különbség, amivel számolni kell és mivel az akkumulátorokat szintén a boltban vásároltuk, nincs arra vonatkozó adat, hogy mi történik velük, ha a külső hőmérséklet 0 fok alá zuhan. Meg kell bizonyosodni afelől, hogy a repülőgép minden alkatrésze és rendszere biztonságosan üzemel.

G: Meg tudná becsülni, hogy a projektnek hány százalékát végezték a hallgatók eddig?
MH: Körülbelül 80 %-át, a maradék 20% az eredmények megbeszélésével telt. Mindig adódnak olyan ötletek menet közben, amelyeket utólag meg kell vitatni.

Jövőbeni tervek a JXP-vel

G: Körülbelül félúton járnak a projekttel?
MH: Az első fő szakasz akor fejeződik be, amikor megtörténik az első repülés. Ezután egy tesztrepülési fázis következik, amikor meg kell bizonyosodnunk róla, hogy minden rendben megy, a repülőgép irányítható és működtethető amennyire kell. Csak ezután kezdhetünk el gondolkodni azon, hogy eladjuk-e a gépet vagy annak rendszereit, esetleg nyitunk-e harmadik fél felé. Ezután felszerelhetjük a kívánt hasznos terhet és végezhetünk némi kutatómunkát, valamint tesztrepüléseket a kamerával. De azt hiszem, hogy pillanatnyilag a teljes projekt 25%-ánál tartunk. Ha az első repülés jól megy, akkor leszünk 33%-nál, a tesztrepülési szakasz végeztével 66%-nál, mert még sok minden alakulhat rosszul ebben a fázisban. Ha a prototípus még egyben lesz a tesztrepülési szakasz végén, akkor végül tényleg eladhatjuk és bevonhatunk a JXP-vel kapcsolatos munkába cégeket is harmadik félként. A projekt fejlesztése nem fejeződik be, ha bevonunk másokat is, egy speciális terhet beépítve a repülőbe. Szóval csak akkor készülünk el, ha ez a teljes projekt befejeződik. Akkor lesz 100%-os.

A JXP repülőgép általános leírása: pilóta nélküli, távirányítású, merevszárnyú, motoros vitorlázó repülőgép, elektromos meghajajtási rendszerrel, összehajtható propellerrel a hagyományos fel- és leszálláshoz, kifejezetten lassú repüléshez tervezve.

Maximális felszállási tömeg: 19 kg
Hasznos teher: 3 kg
Teljesítmény: 1,8 kW
Egyhajtóműves, toló-konfiguráció
Akkumulátor kapacitás: 16,5 Ah
Üzemidő: 1,5 h
Függőleges felszálási sebesség: 33 km/h
Függőleges utazósebesség: 52 km/h
Hossz: 2,8 m
Szárnyfesztáv: 7,1 m
Magasság: 1,3 m
Szárnyszög: 18-

A következő részben olvashattok egy másik érdekes repülőgép, a quadrokopter fejlesztéséről, az alkalmazott matematika és fizika fontosságáról, az avionika jelenéről és jövőjéről, valamint megismerhetitek a professzorok véleményét a híres Air France járat katasztrófájáról és a pilóta nélküli utasszállító repülőgépekről.

Még több kép a Draken vadászgépről:





Nincsenek megjegyzések:

Megjegyzés küldése