Od wydrukowania dwóch pierwszych części o tytule jak wyżej minęły już przeszło trzy lata i jest to jeszcze jedno potwierdzenie tezy, że praca inżyniera to raczej bieg długodystansowca czy wręcz maratończyka, a nie sprintera, jak w niektórych zawodach. Ponieważ grono czytelników „Projektowania i Konstrukcji Inżynierskich” przez te lata się co nie co zmieniło, a że i pamięć o materiałach wtedy publikowanych jest zapewne niezadowalająca, to aby podjąć „z marszu” kontynuację tematu niezbędne jest kilka zdań przypomnienia.
Historia dotyczy pewnego pomysłu, być może bardzo istotnego w rozwoju techniki lotniczej. Ogólnie rzecz biorąc chodzi o rozwiązanie problemu: jak zapewnić samolotom wymaganą stateczność i sterowność, a jednocześnie wygenerować na skrzydłach i usterzeniu poziomym większą niż dotychczas siłę nośną. W lotnictwie problem ten, w dobie, gdy walczymy nawet o pojedyncze procenty zużycia paliwa na każdy kilometr przeleciany przez pasażera, ma zasadnicze znaczenie.
Przez ponad sto lat rozwoju lotnictwa kładziono nacisk na poprawę osiągów samolotów, pozostawiając na boku zagadnienie, którego rozwiązanie mogłoby poprawić skokowo parametry ekonomiczne transportu lotniczego nawet o kilkanaście procent. Jaki to problem? Ano taki, że zapewnienie wspomnianej już stateczności i sterowności samolotu powoduje, że umieszczone zwykle z tyłu samolotu usterzenie poziome w czasie startu i lądowania wytwarza siłę skierowaną do dołu. A tak się nieszczęśliwie składa, że właśnie przy starcie i lądowaniu musimy tej siły wytworzyć jak najwięcej. Skrzydło wytwarza siłę, jak sama nazwa wskazuje, unoszącą samolot do góry, zaś „działalność” usterzenia redukuje sumaryczną siłę nawet o kilkanaście procent, czyli dla uzyskania siły nośnej niezbędnej do utrzymania samolotu w powietrzu musimy powierzchnię skrzydeł zwiększyć, o co najmniej owe kilkanaście procent. A te większe skrzydła więcej ważą, mają większy opór, a samo usterzenie poziome (niezbędne przecież) również waży i stwarza opór, więc w sumie samolot jest nieco odległy od ideału.
A gdyby tak – przy zapewnieniu niezbędnej stateczności i sterowności – uzyskać sytuację, w której usterzenie nie „ciśnie” w dół, lecz zgodnie współpracuje ze skrzydłami, wytwarzając sterowaną siłę skierowaną w praktycznie wszystkich użytkowych okolicznościach właśnie do góry? To jest istota pomysłu, a w praktyce pomysłów, które na pewnym etapie przerodziły się w wynalazek (wynalazki). Zagadnienie zostało „przewałkowane” na wielu stronach we wcześniejszych częściach artykułu oraz innych publikacjach. Zainteresowani, poza rocznikami „Projektowania i Konstrukcji…” sprzed lat, znajdą stosowną wiedzę choćby w internecie, pod hasłem wymyślonym przez któregoś z internautów – „skrzydełko Margańskiego”.
Startem do historii opisanej w niniejszym artykule jest uzyskanie na przełomie lat 2010-2011 decyzji o dofinansowaniu projektu dla zbudowania latającego prototypu, w którym zastosowana będzie nowa metoda. Moment ten zamykał etap rozważań teoretycznych, prób w locie modeli zdalnie sterowanych oraz prób ilościowych na różnych modelach w tunelach aerodynamicznych WAT’u, Politechniki Warszawskiej i Instytutu Lotnictwa. Jednym słowem ostateczna weryfikacja pomysłu. Dlaczego to sprawdzenie w skali 1:1 jest takie ważne? Przecież zarówno obliczenia jak i badania modelowe są uznawanymi metodami naukowymi. No tak, ale w tym wypadku ranga zagadnienia była zdecydowanie większa. Jak to ujął mój przyjaciel, uznany i poważany profesor: „wiesz, wszystko wskazuje, że to działa, że przynosi duże efekty, że jest banalnie proste, ale… Ale skoro to takie dobre to dlaczego tego jeszcze nikt dotychczas tego nie zrobił?”. Inni, tak jakby mniej życzliwi, wymyślali różne teorie głównie opierające się na stwierdzeniu, że niekoniecznie to co poprawnie działa w małej skali będzie działać równie dobrze przy wymiarach wielokrotnie większych. Wg mojej wiedzy nabytej choćby od znakomitych mentorów (są tacy), a także zdobytego przez lata doświadczenia inżynierskiego – w żadnym wypadu nie można takich wag nie uwzględniać w swoim postępowaniu i to nie tylko zawodowym. W tym wypadku problem rzeczywiście istnieje. Statycznie wszystko jest „cacy”, ale w rzeczywistych warunkach mamy do czynienia z układem dynamicznym. To zmienia zasadniczo sytuację. Ze zmianą wymiarów z grubsza biorąc siły aerodynamiczne rosną w kwadracie, masy w sześcianie, a momenty bezwładności nawet szybciej. Tak więc relacje np. między siłami aerodynamicznymi a masowymi w oczywisty sposób zmieniają się z wymiarami. Jednym słowem, kolego inżynierze i wynalazco: tak naprawdę w tym m. in. przypadku granica między sukcesem a porażką wcale nie jest przesądzona. Na dzisiejszym etapie rozwoju techniki można to oczywiście stwierdzić obliczeniowo, ale chyba skuteczniejszą metodą, i to nie tylko ze względów merytorycznych, byłoby zbudowanie latającego rzeczywistego samolotu. Tak więc budujemy pierwszy w świecie samolot o nowej filozofii spełnienia wymagań co do własności pilotażowych i osiągów.
Ze względu na skrajnie niski budżet samolot budujemy z wykorzystaniem (nieraz bardzo zmodyfikowanych) elementów i zespołów motoszybowca „Małgosia”. Nazwa samolotu wydaje się oczywista – „Małgosia II”.

Tu pojawia się oczywiste pytanie: dlaczego cztery lata? Jak zawsze – względy obiektywne, lecz również właśnie błędy, błędne koncepcje czy złudne nadzieje. Wydawało mi się np., że zdobyte dotychczas doświadczenie, zarówno to inżynierskie, jak i w organizacji różnych przedsięwzięć, będzie miało zasadnicze znaczenie w tempie realizacji projektu. Niby to prawda, ale rzeczywistość okazała się brutalna. Najpierw te sprawy niezależne. Batalia z biurokracją, w wyniku której od wstępnej decyzji o dofinansowaniu pieniądze były do realnej dyspozycji dopiero po ponad dziewięciu miesiącach… Do tego doszła konieczność osobistego zaangażowania się w realizację pośrednio związanego, ale jednak innego tematu. Dalej, niedoceniony fakt, że wymagania nadzoru lotniczego pod postacią Urzędu Lotnictwa ciągle i konsekwentnie wzrastają – to te podstawowe czynniki obiektywne. No i te własne błędy, a ściślej rzecz biorąc – błędy koncepcji realizacji. Pozwolę tu sobie to zagadnienie nieco szerzej omówić ku przestrodze kolegów twórców inżynierów.
Otóż przystępując do wykonawstwa docelowego prototypu jednocześnie rozpoczęliśmy wykonywanie modelu w skali 1:2,5 czyli raczej dużego modelu o rozpiętości ok. 3,6 m. Wydawało się, że w miarę wierne odwzorowanie w tej skali docelowego samolotu powinno pozwolić na uzyskanie własności bardzo zbliżonych do niego.

Muszę powiedzieć, że po naprawdę drobnych poprawkach wyniki prób w locie modelu przeszły nasze oczekiwania. Model latał doskonale. W odróżnieniu od klasycznej „kaczki” (samolot z usterzeniem poziomym z przodu, a nie z tyłu samolotu) samolot wykonywał loty z wychylonymi klapami i pełną akrobację, a w tym stabilny lot odwrócony.
Uskrzydlony takimi wynikami podjąłem decyzję o rezygnacji z przejściowej zabudowy na docelowym samolocie dodatkowego klasycznego usterzenia poziomego z tyłu, jak to uczyniliśmy na etapie budowy i badań pierwszych modeli latających. To był błąd, który kosztował nas około półtora roku oraz sporo pieniędzy z niezwykle skromnej kasy. Pierwotnie więc prototyp został wykonany z docelowej sprawdzonej na modelu w skali 1:2,5 konfiguracji samolotu. Został sprawdzony na stoisku do prób wytrzymałościowych według rygorystycznego, uzgodnionego z Nadzorem Lotniczym, programu prób, zaś po wykonaniu prób rezonansowych (drgania) zostały wykonane obliczenia flatterowe. No i oczywiście niezależnie od dokumentacji konstrukcyjnej i dokumentów budowy został „wyposażony” w niezbędne zatwierdzone przez urząd instrukcje i programy prób.

Próby naziemne przebiegły właściwie bez problemów, lecz przy próbach szybkiego kołowania pojawiły się problemy z utrzymaniem stabilnego położenia przedniego koła nad pasem po jego podniesieniu. Niby przy układzie „kaczki”, w odróżnieniu od układu klasycznego, jest to stan, w którym samolot toczący się na kołach jest niestateczny, ale.. Tych ale było zbyt dużo. Czy ta niestateczność nie jest zbyt wielka? Co się stanie po oderwaniu samolotu od ziemi? Czy całe usterzenie przednie nie wpadnie w niekontrolowane oscylacje? Jednym słowem – mnóstwo wątpliwości. Najlepiej, aby zjawisko nie występowało w ogóle.

A więc kolejne pomysły, przeróbki i oczywiście próby. Po iluś tam miesiącach stan samolotu (przynajmniej dla nas i zaangażowanych ekspertów) wydaje się być satysfakcjonujący. Nie znaczny to oczywiście wcale, że problem jest do końca załatwiony. Mamy oblatać samolot o zupełnie nowej konfiguracji, samolot taki, jakiego jeszcze na świecie nie było.

Partnerami w przedsięwzięciu są również – pilot doświadczalny (bezwarunkowo), no i oczywiście urzędnicy. Nabyte przez lata doświadczenie wskazuje, że wymagań zawartych w przepisach należy przestrzegać, a ich interpretację merytoryczną wynegocjować, co w tym przypadku było raczej trudne, gdyż nowość naszej konstrukcji sprawiała oczywiste problemy.

Sytuacja w temacie „pilot doświadczalny” stawała się coraz to bardziej skomplikowana, gdyż pilotów z niezbędnymi kwalifikacjami formalnymi i merytorycznymi jest w naszym kraju coraz mniej. Dość powiedzieć, że z kilku pilotów doświadczalnych pierwszej klasy, więc takich co mogą oblatywać prototypy „pierwowzory” nowych samolotów, po ostatnich dwóch katastrofach, w których zginęli piloci, w ubiegłym roku zostało zaledwie czterech.
Uwzględniając ów czynnik ludzki podjąłem w sierpniu 2013 r. decyzję przejściowego wyposażenia naszej „Małgosi” w dodatkowe usterzenie umieszczone na dwóch belkach przymocowanych do centropłata, czyli części skrzydeł będących integralną częścią kadłuba.
Patrząc z perspektywy dnia dzisiejszego była to decyzja jak najbardziej słuszna, gdyż pozwoliła na realizację pierwszego lotu stopniowo etapami, a nie „jednym skokiem”. Są to oczywiście względy merytoryczne, lecz również psychologiczne. O tym, że względy merytoryczne miały tu bardzo istotne znaczenie świadczy fakt, że dla bezpiecznego wykonania lotu przy sterowaniu „skrzydełkiem” konieczną była zmiana położenia (ok. 2,5 raza) między wychyleniem drążka sterowego, którym kieruje pilot, a klapkami sterującymi „skrzydełkiem”. Układ sterowania okazał się bowiem zbyt czuły na wychylenia drążka sterowego i nie było pewności czy nawet bardzo dobry pilot dałby sobie radę z pilotowaniem samolotu w pierwotnej postaci.

Zabudowa dodatkowego usterzenia poziomego, którą adaptowaliśmy od produkowanego przez nas szybowca „Fox”, w połączeniu z dodatkowymi próbami statycznymi i rezonansowymi, to następne kilka miesięcy, zaś dodatkowe „papiery”, czyli uzupełniające obliczenia, instrukcje i programy to znowu dodatkowa praca. W końcu pod względem formalnym to zupełnie nowy samolot. Uzupełniamy próby naziemne i samolot transportem kołowym przewozimy do Mielca! Dlaczego do Mielca? Ano dlatego, że u nas w Kaniowie koło Czechowic-Dziedzic mamy wąski pas startowy o długości 700 metrów, a w Mielcu 2500 metrów, z odpowiednią szerokością i co równie ważne – z zapleczem materialnym i organizacyjnym do prób w locie. A próbować mamy poważny samolot o własnościach wyjątkowo nieznanych. Stąd więc konieczność początkowych ćwiczeń – lotów po prostej „nisko i niekoniecznie powoli”. Atmosferę naszego pobytu w Mielcu oddają w pewnym stopniu relacje w lipcowej „Skrzydlatej Polsce” i w sierpniowym „Przeglądzie Lotniczym”.


Wracając jednak do etapu latania po prostej. Jest to chyba jedyna okazja do wstępnego poznania własności samolotu w fazie startu i lądowania, czyli raczej krytycznych faz lotu. Przed wykonaniem właściwego oblotu samolotu takich przelotów nad pasem, na wysokości od parudziesięciu centymetrów do kilkunastu metrów, wykonaliśmy co najmniej czterdzieści, próbując w nich, w kolejnych konfiguracjach wychyleń powierzchni sterowych, położenia środków ciężkości, położeń w układzie sterowania i innych. Kolejne konfiguracje były z jednej strony wstępnie zaplanowane, z drugiej zaś wynikały z poprzednich prób.

W sumie więc badaliśmy „latające laboratorium”, które miało m.in. podwójny system sterowania podłużnego (góra, dół). Było to więc badane „skrzydełko” z przodu, lecz również wspomniane klasyczne usterzenie poziome z tyłu.
Całość była sterowana dwoma drążkami sterowymi zblokowanymi dla przechyleń bocznych (lotki), lecz działającymi niezależnie dla obydwu systemów sterowania podłużnego. Lewy drążek – „skrzydełko”, prawy – konwencjonalny ster w ogonie. Oczywiście odpowiednie blokady powodują, że jednoczesne korzystanie z obu systemów w normalnych sytuacjach jest niemożliwe. Główna zasada jest taka, że używanie jednego systemu odbywa się przy blokowanym w dowolnym położeniu drugim systemie.
Tak zbudowany układ pozwala na to wspomniane właśnie stopniowanie niewiadomego. W praktyce realizowaliśmy najpierw sterowanie klasycznym usterzeniem wysokości kolejno przy różnych ustawieniach klapki sterującej płytę przednią, czyli owo „skrzydełko”, zaś dopiero w końcowym etapie przeszliśmy na całkowite sterowanie „skrzydełkiem”. Pozwoliło to stopniowo eliminować istniejące wątpliwości (np. samowzbudne wahania przedniej płyty) oraz dobrać najwłaściwsze parametry do pierwszego i dalszych lotów (położenie środka ciężkości, możliwość eliminacji hydraulicznego tłumika wychyleń, przełożenie w układzie sterowania i temu podobne). Wszystko to w ramach pewnego komfortu psychicznego, jakim było posiadanie zapasowego niezależnego systemu sterowania.

Podsumowaniem tego etapu prób w locie był pierwszy ponadgodzinny lot, w którym nasz znakomity pilot doświadczalny I klasy, a na co dzień pilot w liniach lotniczych, Jarosław Rozwód korzystał wyłącznie ze sterowania przednim usterzeniem.

W trakcie realizacji tego etapu naszej pracy badawczej uzyskaliśmy oczekiwane efekty przy konieczności dokonania tylko niewielkich zmian (właściwie tylko prognozowane zmiany przełożenia w układzie sterowania), lecz przy zdecydowanie mniejszym ryzyku niepowodzenia. Patrząc wstecz, myślę że przyjęta metoda metodycznie dobranych małych kroków była wręcz jedynym rozwiązaniem, gdyż niezależnie od faktu czy samolot w wersji wyjściowej mógłby latać, sam fakt stopniowego poznawania realnych właściwości i ustalenie w oparciu o nie dalszego postępowania (nieraz wydawałoby się – w banalnym zakresie) uchronił nas od błędów, które w skrajnym wypadku mogłyby skończyć się katastrofą.
Wniosek? Chyba oczywisty. Metoda „na skróty” nie zawsze popłaca. Jeżeli chodzi o wielkie sprawy, a w tym głównie o życie ludzkie, starań i zabezpieczeń nigdy zbyt wiele.
Co dalej? Realizujemy naszą pracę badawczą. Po rychłym (mam nadzieję) ukończeniu bieżącego etapu przy istniejącym usterzeniu z tyłu realizujemy próby z inną wersją sterowania przedniej płyty. W tym wypadku moment sterujący przykładalibyśmy bezpośrednio do niej stosownym mechanizmem, zaś sterowanie aerodynamiczne klapką byłoby systemem wyważającym samolot, no i oczywiście – systemem rezerwowym do sterowania głównego.
Zakończenie tego etapu, a więc stosowna modyfikacja samolotu i próby będą okazją do uroczystego obcięcia belek kadłubowych i likwidacji usterzenia konwencjonalnego. Według naszego stanu wiedzy zmiana ta poparta odpowiednią zmianą położenia środka ciężkości samolotu nie powinna mieć negatywnego wpływa na jego własności pilotażowe i powinna być formalnością wieńczącą dotychczasowe prace.
Mamy nadzieję, że uzyskane wyniki pozwolą na poważne dofinansowanie przez państwo (np. w programie INNOLOT) dla zrealizowania poważnej pracy badawczej, w ramach której powstanie platforma latająca dla przyszłościowego samolotu bezpilotowego klasy MALE, lecz również określone zostaną zasady projektowania (i wręcz wielkości liczbowe) niezbędne do powstania nowej generacji samolotów o zdecydowanie lepszych osiągach niż dotychczasowe. Wstępnym krokiem ku temu jest nawiązanie odpowiedniej współpracy. A ta współpraca to konsorcjum zaangażowanych w realizację tematu partnerów. Dziś to obok Parku Naukowo-Technologicznego Euro-Centrum z Katowic (naszego głównego partnera od początku) również Śląskie Centrum Naukowo-Technologiczne Przemysłu Lotniczego z Czechowic i Akademia Górniczo Hutnicza z Krakowa z zespołem profesora Uhla.
Edward Margański
Fotografie autora (chyba, że zaznaczono inaczej)
artykuł pochodzi z wydania 9 (84) wrzesień 2014