Létat jako pták...

MICHAL HAMŠÍK  |  Technika
Létat jako pták...

Touha létat je stará snad jako lidstvo samo. Člověk odjakživa záviděl ptákům a pokoušel se je napodobovat. Historie letectví je plná různých křídel z peří, mávavých strojů a dalších roztodivných zařízení. Pak však přišly létající stroje lehčí vzduchu a po nich letadla s pevným křídlem. Mohlo by se zdát, že člověk našel k létání svou vlastní cestu, ale stále ještě máme k přírodě daleko. Jako ptáci zatím zdaleka nelétáme. Možná je však na obzoru řešení. Bohužel na obzoru už několik let stále stejně vzdáleném.

Již během druhé světové války přišli vědci při výzkumu tryskového pohonu na to, že k dosažení vysokých rychlostí je zapotřebí použít šípového křídla. Ale letadla se šípovým křídlem zase nemohou létat pomalu. Každá rychlost si žádá jinou konfiguraci. Obdobně je tomu s výškou – stíhačky pro boj ve velkých výškách měly zpravidla prodloužená křídla pro dosažení dostatečného vztlaku v řídkém vzduchu, ale zase nedosahovaly takových výkonů v přízemním letu. Zkrátka se ukázalo, že není možné navrhnout univerzální konstrukci, která by byla ideální pro každé podmínky. Letadla dostala alespoň vysouvací vztlakové klapky, sloty apod., což pomáhá především při startu a přistání.

Bouřlivý poválečný vývoj letecké techniky našel částečné řešení. Objevilo se několik konstrukcí letadel s měnitelnou geometrií křídel, kdy pro pomalejší let byla křídla napřímena, při zvýšení rychlosti se sklopila dozadu do šípového tvaru.Typickými příklady jsou třeba letouny F-14 Tomcat, PANAVIA Tornado nebo MiG-23, ale i obrovské strategické bombardéry B-1 a Tu-160.

Pozdější letadla však tuto koncepci opět opustila, a to z důvodu vyšší hmotnosti a velké mechanické složitosti těchto řešení, a především kvůli celkové změně požadavků a strategie letecké války, kdy na prvním místě už nebyla rychlost, ale neviditelnost pro detekční prostředky protivníka (stealth) a u stíhaček manévrovatelnost.Konstruktéři si však stále uvědomují, že příroda je pro nás nedostižným vzorem.

Stačí pozorovat dravce, jenž s minimálním vynaložením energie pomalu krouží nad krajinou, aby při spatření kořisti složil křídla i tělo do kompaktního tvaru a jako blesk z čistého nebe zaútočil. A co mořští a tažní ptáci, kteří vzhledem ke své malé velikosti dokážou překonat obrovské vzdálenosti bez zastavení? Pozoruhodné je také přistání ptáků, zastavujících pomocí křídel z vysoké rychlosti až na nulu.

Létat jako pták...

Technici kopírují přírodu

To všechno bylo pro letadla až dosud nerealizovatelným snem. S nástupem nových technologií a materiálů se však zdá, že budoucnost letectví může být právě v kopírování těchto přírodních vzorů. Letadla, měnící za letu tvar, jsou v angličtině nazývána „morphing aircraft“. Je jasné, že v našem militantním světě se této myšlenky chopili především vojáci, kteří také mají na výzkum nejvíce prostředků. Co takhle průzkumné letadlo pomalu kroužící nad územím nepřítele, které se jako mávnutím kouzelného proutku změní v rychlý útočný letoun?

Nebo malé bezpilotní letounky velikosti ptáků, pohybující se dlouhé hodiny nad cizím územím bez doplnění paliva?

Stíhačka, prodlužující svá křídla a měnící celý svůj tvar pro dlouhé hlídkování nad mořem? Ano, to vše může být budoucnost. Tyto technologie se však mohou uplatnit i v civilní sféře. Dopravní letadla by mohla mít při startu tvar ideální pro nízkou výšku, zatímco po vystoupání do vyšších hladin a řidšího vzduchu by se postupně měnila v štíhlé letce na dlouhé tratě.

Zdá se vám to jako sci-fi? Tak si zkuste představit něco ještě fantastičtějšího, byť přírodě nejbližšího – obrovské letadlo s mávavými křídly vypadající jako gigantický pták. Ale nikoli s mechanicky ohýbanými křídly s klouby, jaká známe z němých černobílých filmů o nesmyslných vynálezech na počátku letectví.S opravdovými křídly, jako má pták, plně ohebnými, pružnými a elegantními.Ano, všemi těmito směry se nyní ubírá výzkum na mnoha vědeckých pracovištích celého světa. Podívejme se proto blíže na to, jakými cestami chtějí výzkumníci svých smělých cílů dosáhnout.

Žlutý transformer ze Skunčích dílen

Jedna z prvních vlaštovek (v tomto případě je přirovnání opravdu přiléhavé) se objevila v červnu 2005 na pařížské Air Show. Americká firma Lockheed Martin, respektive její vývojové středisko známé jako Skunk Works, zde v rámci programu ADP (Advanced Development Programs) představila zajímavý zmenšený model bezpilotního letadla, které mění svůj tvar podle jednotlivých fází letu. Na výzkumu se podílí také vojenská vládní agentura DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) a je z velké části tajný, přesto však určité skutečnosti byly zveřejněny. Mluvčí Lockheedu rovněž prozradil, že první prototyp měl vzlétnout už v roce 2004, avšak kvůli poškození podvozku na základně Edwards musely být zkoušky o rok odloženy.

Žluté letadélko bylo vybaveno křídlem, které se může skládat do různých pozic podle požadované rychlosti, výšky a hmotnosti neseného nákladu. Výsledkem by měl být stroj se zvýšenou vytrvalostí, lepší manévrovatelností, nižší spotřebou a mnohem širším rozsahem letových režimů, tzv. obálkou. Jedno letadlo by tak mohlo plnit širokou škálu úkolů, které dnes musejí být rozděleny mezi několik zcela odlišných typů strojů.Typická mise by se podobala letu dravce, jak bylo již popsáno výše.

Stroj by s roztaženými křídly kroužil nad nepřátelským územím a prováděl průzkum. Jakmile by našel nějaký cíl, nebylo by, na rozdíl od dosavadní praxe, nutné volat stíhačky nebo útočné letouny k jeho zneškodnění. Průzkumník by složil křídla a přesně po vzoru dravců by rovnou, střemhlavým letem a velkou rychlostí zaútočil. Stroj by byl také schopen z pomalého průzkumného letu přejít změnou tvaru křídel do rychlého vodorovného letu, a uniknout tak například cizím stíhačům. K tomu všemu přišel Lockheed s nápadem vypouštět složený letoun pod vodní hladinou, z potopené ponorky.

Nové materiály nastupují

Klíčovou technologií tohoto stroje je křídlo ze speciálních polymerních materiálů s tvarovou pamětí a schopností se na povel „natáhnout“ nebo „povolit“, obdobně jako svaly. Tato činnost je zprostředkována aktuátory reagujícími na určitý podnět, v tomto případě průchod elektrického proudu. Celý přechod z plně nataženého do plně složeného křídla trvá 25 vteřin, přičemž plocha křídla se zmenší o 71 %.

Mezitím musí řídicí systém v reálném čase reagovat na komplexní změnu aerodynamiky, kdy se změní nejen vztlak a celkové obtékání, ale i těžiště. Dojde zkrátka k proměně ve stroj s úplně jinými vlastnostmi. Uvedený projekt je však jen jedním z mnoha obdobných. Navíc vývoj jde tak rychle kupředu, že z dnešního hlediska se už jeví jako poněkud zastaralý. Jeho křídlo se skládá jen v určitých kloubových bodech a navíc ne zcela plynule. Novější koncepty počítají s tím, že letadlo se vám bude doslova měnit před očima. U některých jen křídlo („morphing wing“), u jiných komplexně včetně trupu. Základem je vždy vývoj „chytrých“ materiálů, jako jsou polymery a kovové slitiny s tvarovou pamětí, dynamické kompozity, kapaliny s magnetickými nanočásticemi, dynamické syntetické pěny, piezoelektrické aktuátory a další divy materiálového inženýrství. Začínají se zkoušet rovněž samoopravitelné povrchy a nátěry, umožňující opravu poškození, podobně jako se samy zhojí rány na kůži živočichů – jen mnohem rychleji. Ani biotechnologie nezůstávají stranou. Tady už se opravdu pomalu naplňují představy ze sci-fi.

Letadlo jako živé

Už v roce 2001 začali nad takovým strojem hloubat vědci v NASA. Jejich koncept je mnohem pokročilejší než konstrukce Lockheedu, ovšem na rozdíl od něj zatím víceméně v teoretické rovině. Podle odhadů má být prakticky realizovatelný až někdy kolem roku 2030. Projekt NASA je už letounem, který do značné míry simuluje živé organismy. Jeho „tělo“ bude pohyblivé, bude mít „kůži“ v podobě pružné membrány, celou řadu senzorů a „nervů“, tvořících dohromady autonomní „centrální nervový systém“. Stejně jako pták se bude přizpůsobovat okamžité situaci.

Při zvyšování rychlostí křídlo postupně změní tvar, šípovitost, tloušťku, hloubku i profil, spolu s tím se budou měnit i otvory sání a trysky. K řízení poslouží vektorování tahu doplněné miniaturními pomocnými tryskami a rovněž změny aerodynamiky za pomoci změny tvaru křídla a malých řídicích prvků, podobných ptačím pérům. Tedy žádné klasické ocasní plochy. „Nervy“ a „svaly“ v křídle budou neustále automaticky pracovat, vyrovnávat změny v proudění a optimalizovat letové podmínky, stejně jako to zcela instinktivně dělají ptáci.

Při přistávání dojde k protažení křídel a rozštěpení jejich konců kvůli eliminaci vírů, ocasní část se roztáhne (opět jako u ptáků) a pomůže +brzdění. Jak již bylo řečeno, praktická realizace takového projektu je ještě daleko a bude vyžadovat výzkum v mnoha oborech, především však sjednocení mnoha technologií do funkčního celku. Výsledkem by měl být stroj úsporný, skvěle ovladatelný, bezpečný, komfortní, tichý a vůbec maximálně efektivní. Je to cesta jak pro sféru vojenskou, tak i civilní.

Od Flyeru bratří Wrightů k F-18… a dál

Jedním z dílčích projektů, které by měly přispět k dosažení cíle, je například zkušební verze letounu F/A-18, létající u NASA v rámci programu AAW (Active Aeroelastic Wing). Již několik let na něm probíhají velmi intenzivní testy, jejichž cílem je najít schůdnou cestu k řízení letadla za pomoci pružného křídla, jehož ovládáním (laicky řečeno křivením a prohýbáním) by docházelo ke změnám směru letu. A to jak v podzvukových, tak i nadzvukových rychlostech. Takové křídlo by se zcela obešlo bez obvyklých ocasních řídicích ploch. Byť jde v této fázi o křídlo měnící svůj tvar veskrze mechanicky, tedy bez využití „chytrých“ materiálů, zkušební data jsou pro další vývoj velmi důležitá.

Je přitom velkým paradoxem, že podobným způsobem byl řízen už letoun bratří Wrightů, první opravdu létající motorový stroj těžší než vzduch z roku 1903. Teprve dnes začínáme chápat geniálnost tohoto řešení. Výzkum letadel měnících tvar však není výsadou zbrojovek a velkých institucí, jak by se snad z výše uvedeného mohlo zdát. Pracuje na něm i mnoho menších ústavů, ať už státních či soukromých, věnují se mu studenti na některých univerzitách a dokonce i jednotlivci. Moderní výpočetní technika umožňuje každému s patřičnými znalostmi počítačové modelování, staví se rovněž řada malých, nízkonákladových modelů.Jejich tvary jsou někdy na pohled zcela konvenční, v jiných případech naopak připomínají horečnatý sen surrealistického designéra.

Robotický rorýs

Létat jako pták...

Jednou ze zajímavých konstrukcí je RoboSwift (robotický rorýs), malý letounek inspirovaný přírodou a navržený nizozemskými studenty. Vypadá jako pták rorýs a je také stejně veliký (vlastně malý), jen místo zobáku má vrtuli. Jeho křídla jsou pohyblivá a mohou měnit tvar sklopením dozadu. Nesklápí se však vcelku na jednom kloubu, nýbrž díky své vnitřní konstrukci – přesně jako u živého vzoru. RoboSwift má být vybaven třemi minikamerami, z nichž dvě budou nasměrovány dopředu a jedna dolů. Ty prvně zmíněné poslouží k řízení, realizovanému pomocí přilby pro virtuální realitu. Když si ji nasadíte, budete se na svět dívat očima mechanického ptáka.Obraz dolů směřující kamery se má přenášet samostatně na jiný monitor a může se využít například k průzkumu. Pokroky studentského týmu při konstrukci a aplikaci miniaturního letadélka můžete sledovat na webových stránkách www. roboswift.nl.

Do vzduchu s údery perutí

Prozatím zřejmě vrcholnou představou je letoun, plně inspirovaný živými ptáky – tedy včetně mávajících křídel. Ne nějakých plácaček na kloubu, ale opravdových křídel, s celou jejich prostou elegancí, přímočarostí a účinností, zakrývajícími neuvěřitelně komplexní vnitřní strukturu a ovládání. Má jít o letadlo bez klasické pohonné jednotky, bez trysek nebo vrtulí, bez vztlakových klapek, křidélek a kormidel. Zkrátka stroj pohybující se mocným máváním křídel nebo jen tiše kroužící ve vzdušných proudech. Stejně jako u konceptu NASA, i v tomto případě jde zatím jen o hudbu budoucnosti. Avšak již nyní se pracuje na její realizaci jak v oblasti teoretické, tak prostřednictvím řady praktických experimentů. Během dvaceti let by tak mohl vzniknout štíhlý a lehký bezpilotní letoun poháněný sluneční energií.

Uvažuje se o velikosti v řádu několika metrů až asi 100 metrů (sic!), podle použití. Celá konstrukce má být pružná a založená na kompozitech polymerů a kovu s tvarovou pamětí, opět měnící svůj tvar při průchodu elektrického proudu.Tímto způsobem by křídla mávala a letoun by nepotřeboval žádnou další pohonnou jednotku. Rovněž řízení a regulace letu by probíhaly změnou tvaru křídel. Jednoduše řečeno, létal by úplně na stejném principu jako ptáci, jen místo organických svalů by měl moderní, obdobně pracující syntetické materiály. Když pomineme pohyb křídel jako celku, nebyly by v letounu žádné pohyblivé části, nemluvě o částech rotujících.

Důležité bude vytvořit materiály dostatečně citlivé a „ovladatelné“ a samozřejmě zvládnout dávkování proudu do jednotlivých částí, jejich koordinaci a celkové řízení. U živočichů všechno probíhá automaticky díky činnosti mozku a nervového systému, u lidmi vytvořeného stroje bude zapotřebí tyto složité algoritmy napodobit a řídit mimořádně výkonnou výpočetní jednotkou.

Energie je všude dost

Elektrickou energii pro pohyb budou dodávat fotovoltaické sluneční články v kombinaci s Li-Ion akumulátory, to vše v pružné, tenké fólii pokrývající shora povrch letadla. Bude to stačit? Mělo by.Měření ukazují, že při použití výkonných slunečních článků s poměrem 1 kilowatt na 1 kilogram a účinností přeměny energie pouze 10 procent je na Zemi ve výšce 1 až 35 kilometrů k dispozici 90 wattů na čtvereční metr článku. Aby ptačí letoun o rozpětí 12 metrů mohl letět ve výšce 10 kilometrů rychlostí 10 m/s s tím, že jedno mávnutí křídly bude trvat 5 sekund a pak bude následovat 10 sekund přestávka, bude potřebovat zhruba 10 W/m2. Jinými slovy, jen něco přes desetinu možného příkonu. Obdobné výpočty existují pro rozpětí 3 až 100 metrů. Výsledný letoun by každopádně mohl být ve vzduchu prakticky nepřetržitě a bez velkého úsilí překonávat ohromné vzdálenosti, podobně jako například albatros. To vše zcela tiše a bez jakýchkoli emisí. Potenciální využití ptačího stroje je velmi široké a sahá od průzkumů přes mapování až po přenos signálu.

Ani s jeho pozemní dopravou nebude problém – pružné křídlo se prostě sroluje. Další využití se nabízí při průzkumu jiných planet, neboť tomuto letadlu stačí atmosféra a sluneční záření, nepotřebuje kyslík k činnosti motorů. Na jiných planetách je úroveň slunečního záření i hustota atmosféry pochopitelně rozdílná, výpočty se proto musejí patřičně upravit.Zatímco na Venuši by však mohl létat stroj velmi podobný jako na Zemi, na Marsu by vzhledem k řídké atmosféře a nízké úrovni slunečního záření muselo jeho rozpětí dosahovat alespoň 250 metrů.

Co nás čeká?

Létat jako pták...

Většina výše uvedených projektů se zabývá bezpilotními létajícími prostředky, neboť bude nejdříve nutné všechny technologie dostatečně vyzkoušet a prověřit, než se uplatní v pilotovaných strojích. Asi ještě déle bude trvat jejich využití v letadlech pro přepravu osob. Avšak rychlý vývoj materiálů, nanotechnologií a počítačových řídicích systémů v kombinaci s hrozícím nedostatkem fosilních paliv, to vše by mohlo širší nástup letounů měnících tvar naopak urychlit. Úspornější a efektivnější stroje se stanou nezbytností. Proto je možné, že budoucnost letectví překoná i ty nejsmělejší představy.

Veritex

Konkrétním příkladem „chytrého“ materiálu, zkoušeného v různých aplikacích, je Veritex od firmy CRG. Je to tzv. dynamický polymerní kompozit s tvarovou pamětí. Základní matrici tvoří polymer Veriflex od stejného výrobce. Materiál Veritex může být „ovládán“ tak, aby změkl, změnil tvar a zase okamžitě ztvrdl. To vše opakovaně, přičemž v tvrdém stadiu vykazuje Veritex vysokou pevnost a houževnatost. Systém hromadné dopravy postavený na morfujících křídlech, umožňujících tichý start a přistání a efektivní využití energie při přímém letu a manévrování.


Křídla se zmenšenou plochou pro klesání před přistáním.Ovládání morfovatelných křídel je pro člověka příliš komplikované, proto jsou létající taxi bezpilotní.Podvozková kola jsou při kolmém přistání programovatelně brzděna.Motory mění vektor tahu v závislosti na činnosti křídel.Morfující křídla jsou bezpečná, tito hasiči pouze projíždějí.Křídla roztažená na maximální plochu připravená k okamžitému startu mávnutím.Díky téměř kolmému přistání mají přistávací plochy minimální velikost. Při přímém letu slouží k pohonu pouze motory.

Nejen letadla…

Různé „chytré“ materiály a samoadaptabilní systémy se nemusí uplatnit jen v samotné vnější konstrukci letounu, ale najdou využití rovněž u jednotlivých agregátů.Třeba takový proudový motor budoucnosti může být vybaven turbínou, jejíž lopatky samy mění tvar v závislosti na režimu chodu, přičemž obdobně se tvaruje i spalovací komora a trysky. Vše řídí inteligentní počítačový systém, jehož tlakové, teplotní a další senzory jsou propojeny umělou „nervovou“ sítí.Ani vrtulovým letadlům nemusí být v budoucnu odzvoněno, obzvláště budou-li vybaveny „inteligentní“ vrtulí, která sama změní tvar, profil a délku listů, kdykoli to „uzná za vhodné“.A abychom trochu odběhli od letectví, vědci už uvažují o „chytrých“ mostních konstrukcích, které přivezete k řece a ony se samy vytvarují a rozloží v místech k tomu nejvhodnějších.

Ornitoptéry

Ornitoptéry

Letadla s mávajícími křídly, zvaná také ornitoptéry, zkoušejí lidé stavět už od úsvitu letectví či spíše ještě daleko dříve. Jednu z nejznámějších navrhl renesanční génius Leonardo da Vinci (1452–1519) někdy kolem roku 1485. Není žádný doklad o tom, že by ji kdy postavil, dochovala se však řada působivých nákresů. Da Vinciho ornitoptéra se zcela inspirovala ptáky a měla být poháněna silou lidských paží. Snaha zkonstruovat funkční ornitoptéru vycházela po dlouhou dobu naprázdno, jen občas se podařilo dosáhnout dílčích úspěchů (modely, klouzavý let apod.). Teprve více než 500 let po Leonardovi, v roce 1999, se týmu torontské univerzity podařilo postavit ornitoptéru, která později uskutečnila několik krátkých letů. Ke skutečnému letu je však ještě daleko, s prostými mechanickými prostředky toho zřejmě není možné dosáhnout. Teprve dokonalé ovládání křídla a proudění by mohlo přinést úspěch.

Nejčtenější