Napędy hydrauliczne, w których energia jest przekazywana za pośrednictwem cieczy roboczej, charakteryzują się stosunkowo dużą wydajnością względem masy układu, łatwością sterowania i małą bezwładnością, a przy tym są samosmarowne i niezawodne – ze względu na małą liczbę części ruchomych. Znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu i kojarzą się przede wszystkim z budową maszyn i ciężkiego sprzętu. Propozycja budowy statków powietrznych z napędem hydraulicznym dla większości inżynierów wydałaby się raczej egzotyczna.
Tymczasem właśnie takie było marzenie Karla Eickmanna, wynalazcy zamieszkałego w Japonii, który w drugiej połowie XX wieku opatentował swoje koncepcje w zakresie konstrukcji aparatów latających z napędem hydraulicznym i dziesiątki rozwiązań hydraulicznych na ich użytek. Podstawowe założenia konstrukcyjne Eickmanna znajdziemy w patencie zgłoszonym w amerykańskim urzędzie patentowym pod numerem 3,345,016. Wynalazek dotyczy koncepcji aparatu latającego, kształtem przypominającego dzisiejsze drony wielowirnikowe, w którym wirniki napędzane są silnikami hydraulicznymi. W celu zapewnienia kontroli lotu, zarówno w płaszczyźnie pionowej, jak i poziomej, każdy silnik hydrauliczny napędzający pojedynczy wirnik wyposażono w oddzielny przewód zasilający z obejściem sterowanym zaworem proporcjonalnym. Ograniczenie bądź zwiększenie przepływu cieczy roboczej w obejściu wybranych obwodów powodowało odpowiednio wzrost lub redukcję obrotów danych wirników, co miało pozwolić na pochylenie aparatu i uzyskanie ruchu postępowego w płaszczyźnie poziomej. Ograniczenie bądź zwiększenie przepływu cieczy roboczej w obejściu wszystkich obwodów jednocześnie miało umożliwić ruch w pionie. Na podobnej zasadzie poruszają się współczesne drony wielowirnikowe. Wynalazek przewidywał sprzęgnięcie wszystkich zaworów w jeden układ sterowany joystickiem. W celu zapewnienia płynniejszych manewrów aparatu latającego przewidziano dodatkowo możliwość proporcjonalnej kontroli przepływu dzięki zastosowaniu pompy ze zmiennym wydatkiem.
Był rok 1967. Eickmann zdawał sobie sprawę z praktycznej niemożliwości realizacji swoich koncepcji przy zastosowaniu dostępnych wówczas podzespołów hydraulicznych. Biorąc pod uwagę, że wynalazca prawdopodobnie miał na myśli budowę załogowych statków powietrznych, możemy sobie wyobrazić wymagane parametry takich urządzeń. Przez następne dwadzieścia lat Eickmann opatentował liczne rozwiązania w zakresie systemów hydraulicznych, w tym pomp, uszczelnień, silników. Nigdy nie udało mu się zrealizować swoich koncepcji, a jego patenty, jeden po drugim, wygasły.
Obecnie, w dobie ogólnodostępnych dronów, producenci bezzałogowych statków powietrznych poszukują innowacyjnych rozwiązań pozwalających zwiększyć ich zasięg i udźwig. Piętą achillesową dronów z napędem elektrycznym pozostaje wciąż bateria, mimo różnych postępów wciąż wykazująca się bardzo niekorzystnym stosunkiem ilości zgromadzonej energii do masy. W przypadku napędów spalinowych paliwa wykazują się kilkadziesiąt razy korzystniejszym współczynnikiem zawartości energii w jednostce masy. Napędy spalinowe zazwyczaj wymagają jednak stosowania przekładni mechanicznych, zwiększających masę i złożoność układu. Optymalnym rozwiązaniem zdaje się być połączenie zalet obydwu konfiguracji w ramach hybrydowego układu napędowego, w którym silnik spalinowy napędza generator energii elektrycznej, napędzającej wirniki. Dr Lizhi Shang, pracujący w Maha Fluid Power Research Center na Uniwersytecie Purdue (jest to największe laboratorium hydrauliczne w Ameryce), oglądając pionowzlot Workhorse SureFly, zbudowany właśnie w takiej konfiguracji, wpadł na pomysł, żeby elektrykę w takim układzie zastąpić hydrauliką. Zamiast generatora – pompa, zamiast silników elektrycznych – hydrauliczne, zamiast kabli – przewody hydrauliczne, a do tego eliminacja falowników i przetwornic odpowiedzialnych za regulację obrotów wirników. Zaletą takiego rozwiązania jest niższa masa silników hydraulicznych, które wykazują się dziesięciokrotnie lepszą gęstością mocy od silników elektrycznych. W oparciu o dostępne na rynku podzespoły Shang zbudował dron, będący demonstratorem takiego układu napędowego, w którym, ze względu na niewielkie rozmiary, do napędu pompy hydraulicznej zastosowano silnik elektryczny, zasilany przewodowo z ziemi. Lot na uwięzi nie zapewnia pełnej funkcjonalności, ale pozwala na weryfikację podstawowych założeń konstrukcyjnych i działania układu napędowego.
Dron Shang’a wykorzystuje przekładnię hydrostatyczną do rozprowadzenia energii między wirnikami, pozwalając każdemu z nich obracać się z inną prędkością. Jak wyjaśnia Shang, główną zaletą tego innowacyjnego rozwiązania jest jego niska masa, co przekłada się na większy udźwig, niższe koszty eksploatacji, większy zasięg i lepszą sterowność i manewrowość. Jego zdaniem na potrzeby transferu tej samej mocy z precyzyjną kontrolą prędkości wirnika, układ hydrauliczny może być znacznie lżejszy od elektrycznego.
Cały artykuł dostępny jest w wydaniu płatnym 5/6 (176/177) Maj/Czerwiec 2022
