Projektowanie glajta

Jeśli chcemy sobie zaprojektować glajta dobrze by było, żeby zdawać sobie sprawę z tego, jak dużą ilość czynników trzeba wziąć pod uwagę. oprócz oczywistych problemów związanych z tym jakich użyć materiałów pozostają jeszcze problemy konstrukcyjne.

Budowa glajta – profil

Glajty są drogie. Prawda? No to co zrobić w takiej sytuacji. Może najprostszym rozwiązaniem będzie uszycie własnego skrzydła. Wystarczy kupić materiał, wyciąć paski z tego materiału i pozszywać. Trzeba tylko pamiętać, że te paski wstawiane do środka skrzydła nazywają się żebra i mają być zaokrąglone z przodu, a ostro ścięte z tyłu. Do tak uszytej czaszy trzeba będzie jeszcze doszyć linki i paralotnia gotowa. Sądzę, że nawet może całkiem fajnie latać. Jak już trochę polatamy na naszym prototypie, to będziemy chcieli robić następny. Oczywiście ma być lepszy, więc zaczynamy poprawiać. Zaczynamy od profilu. Jako początkujący konstruktorzy na temat profilu wiemy, że ma być opływowy. Jak teraz narysować ten najlepszy profil na świecie. Ma on zapewniać naszej konstrukcji  najlepsze osiągi i największe bezpieczeństwo. Za osiągi odpowiadają dwa parametry profilu: współczynnik siły nośnej i współczynnik oporu. Za bezpieczeństwo będzie odpowiadać moment skręcający profilu. Zaledwie trzy parametry które należy wyważyć, z tym, że współczynnik siły nośnej ma być jak największy, współczynnik oporu jak najmniejszy, a moment skręcający bliski zeru. Zaczynamy. Najpierw szukamy profilu o jak największej sile nośnej. Największą dają profile o dużej grubości i dużym ugięciu szkieletowej profilu. Nie wiecie o czym piszę? Już tłumaczę. Grubość profilu podaje się w procentach i na przykład profil o grubości 10 % przy cięciwie 1 m ma w najgrubszym miejscu 10 cm grubości. Czy ja użyłem słowa cięciwa? Powiedziałem cięciwa! Teraz muszę wytłumaczyć co to jest. Cięciwa jest to linia łącząca nosek profilu z krawędzią spływu. Skoro wytłumaczyłem, co to jest grubość procentowa profilu i cięciwa, to zostańmy przez chwilę przy grubości naszego profilu. Z pewnych względów im grubszy profil, tym większa siła nośna. Niestety zwiększając grubość profilu, zwiększamy także opory. Zmniejszając grubość zmniejszymy opór, ale też zmniejszy się współczynnik siły nośnej. Aby przy zmniejszonym współczynniku siły nośnej utrzymać w powietrzu ten sam ciężar, trzeba będzie powiększyć powierzchnię skrzydła, co zwiększy opory i spowolni lot, co spowoduje spadek siły nośnej. Można jeszcze zwiększać ugięcie szkieletowej, co spowoduje zwiększenie współczynnika siły nośnej. Jeśli weźmiemy dwa profile o tej samej grubości, to przy podobnych współczynnikach oporu profil bardziej ugięty będzie miał większy współczynnik siły nośnej. Zaciąganie sterówek w pewnym stopniu przeprowadza właśnie ten proces – zwiększenie ugięcia szkieletowej. Niestety, im większe ugięcie, tym większy moment skręcający profilu. On to doprowadza do tego, że skrzydło zostaje za plecami, lub skacze pod nogi. Dlatego złotym środkiem jaki ustalono jest profil o grubości około 18 %, natomiast moment skręcający w różnych firmach jest traktowany z mniejszą, lub większą atencją. Najważniejszą częścią profilu jest jego nosek, czyli cześć przednia. Wiadomo, że do szybowców lepsze są profile z ostrym noskiem, bo dają mniejszy opór. Chętnie taki ostry nosek byśmy zastosowali, ale miękkopłat to nie szybowiec i okazuje się, że ostre noski łatwo się podwijają. Znowuż przytępienie noska spowoduje utratę dynamiki lotu, a piloci nie lubią tępych skrzydeł. Z drugiej strony tępe skrzydła są dużo bezpieczniejsze przy podwinięciach i nie wyskakują pod nogi. Powiedzmy, że już rozwiązaliśmy wszystkie problemy teoretyczne i mamy wyrysowany nasz idealny profil. Po przebadaniu go w tunelu aerodynamicznym wiemy jaki będzie rozkład ciśnień na nim i w związku z tym jak rozmieścić punkty podwieszenia i gdzie umieścić wloty powietrza. Wloty nie mogą być za duże, bo będą między innymi zwiększać opór, i za małe, bo przy niekorzystnych kątach natarcia nie będą spełniać swojej funkcji. Jeszcze tylko zaprojektujemy otwory w żebrach do przepływu powietrza. Nie mogą być za małe, bo skrzydło będzie się ciężko napełniało po klapie i za duże, bo profil nie będzie trzymał zaprojektowanego przez nas kształtu. Nasze szczęście z ukończonego profilu nie ma granic dopóki nie uświadomimy sobie, że w paralotni rzeczywisty profil skrzydła w locie jest zupełnie inny i wynika to z tworzenia się balonów na pokryciu górnym i dolnym. Do grubości naszego profilu trzeba będzie dodać napompowane balony, co w rezultacie dodaje sporo grubości i zwiększa głównie opór profilu. Balony można zmniejszyć dając większą ilość żeber, ale podraża to koszty stworzenia paralotni i zwiększa jej ciężar. Dlatego zastosowanie tego samego profilu w innej konstrukcji może dać zupełnie inne efekty. Wystarczy, że zmieniony zostanie  rozstaw żeber i skrzydło zacznie inaczej latać. Zmieniając cięciwę ulega zmianie też liczba Reynoldsa. Napisałem Reynoldsa? Zapomnijcie o Reynoldsie. Nic takiego nie napisałem. Chodziło mi tylko o to, że im dłuższa cięciwa, to maleje opór skrzydła. Nie każcie mi tego tłumaczyć. W związku z powyższym jeśli mamy dwa skrzydła o tej samej powierzchni i tym samym profilu, lecz o innych cięciwach, to skrzydło o mniejszej będzie stawiało większy opór, a to o większej mniejszy. Aby uzyskać tą samą prędkość obu skrzydeł trzeba będzie przesunąć wyważenie jednego skrzydła do przodu, a drugiego do tyłu. Prawda jakie to wszystko proste? W następnym odcinku będzie coś na temat kształtu czaszy.

Projektujemy czaszę glajta.

Profil już sobie wybraliśmy. Jest najbardziej nośny, daje najmniejsze opory i jest najbezpieczniejszy na jaki nas było stać. Teraz musimy się zdecydować na kształt czaszy. Składają się nań dwa rzuty: rzut z góry – to jest obrys i rzut z przodu – to jest ugięcie. Najpierw decydujemy się na obrys. Najprostszym obrysem do zaprojektowania i wykonania jest prostokąt, ale my jesteśmy ambitni i nie chcemy, aby ktoś pomylił nasze dzieło ze spadochronem. Ponadto projektujemy najlepsze skrzydło na świecie. Najlepsze skrzydło musi jak najlepiej nosić, mieć jak najmniejsze opory i być maksymalnie bezpieczne. Zupełnie jak idealna dziewczyna. W latach trzydziestych aerodynamicy męczyli te wszystkie parametry i ustalili, że najmniejsze opory daje obrys eliptyczny – to jest taki jajowaty. Jedynym problemem dla nas będzie takie dobranie tej jajowatości, aby końcówka skrzydła nie miała zbyt małych cięciw. Małe cięciwy źle latają, co być może uda mi się wyjaśnić w dalszej części artykułu. Z tą jajowatością jest jeszcze jeden problem. Czubek jaja może znajdować się dokładnie w połowie cięciwy skrzydła, ale może być też przesunięty do przodu, lub do tyłu. Jeśli przesuniemy do przodu, to zyskamy na osiągach, jeśli przesuniemy do tyłu zyskamy na stateczności i bezpieczeństwie. Wybór należy do Ciebie Czytelniku. Mamy już obrys, zbieżność, przesunięcie elipsy i musimy zdecydować się na wydłużenie. Co to jest wydłużenie? W najprostszej formie prostokąta jest to stosunek rozpiętości do cięciwy, czyli  skrzydło o wydłużeniu cztery przy kształcie prostokątnym będzie miało rozpiętość cztery razy większą, niż jego cięciwa. Przy obrysie eliptycznym liczy się jakoś inaczej. Jakie mamy wybrać wydłużenie? Wiadomo, że im większe wydłużenie, tym większa doskonałość. Niestety wraz ze wzrostem wydłużenia zwiększa się rozpiętość i maleje cięciwa. Malejąca cięciwa martwi nas nieco, bo powoduje to wzrost pewnego oporu. Już raz niechcący użyłem słowa Reynolds i więcej tego robić nie będę. Ponadto nawet przy dużej grubości względnej profilu maleje jego grubość bezwzględna i co za tym idzie ilość powietrza opakowana w materiał, co skutkuje szybszym wypróżnianiem się skrzydła w hakenkrojcach. Jeszcze jednym problemem małych cięciw są krótkie drogi sterowania. Jeśli mamy cięciwę trzy metry, to pociągnięcie sterówki o dziesięć centymetrów wywoła pewną deformację tego profilu. Jeśli cięciwa zmaleje do półtora metra, to takie samo zaciągnięcie sterówki spowoduje deformację dwa razy większą. Dlatego na skrzydle szkolnym można lecieć z rękami przy desce uprzęży, a na wyczynowym już się nie poleci, tylko spadnie. Zwiększać rozpiętości też nie można bezkarnie. W szybowcach skrzydło podtrzymywane jest przez dźwigar i pokrycie skrzydła. W paralotni ładny kształt zapewniają jedynie siły rozciągające. Stąd tak dużo linek, którymi czasza jest przywiązana do pilota. Stąd też wymuszone przez te siły ugięcie płata widoczne od przodu. Jeśli zwiększamy rozpiętość, to jednocześnie musimy oddalić czaszę od pilota, lub zwiększyć jego ugięcie. W pierwszym przypadku wzrasta długość lin i opory z tym związane, w drugim siła nośna marnowana jest na nadmierne rozciąganie skrzydła. Czyli skrzydło jest ugięte aby trzymało się kupy, czyli pilota, a nie w celach estetycznych. Najmniejsze możliwe ugięcie jest opisane wycinkiem koła, gdzie oś koła znajduje się na karabinkach uprzęży. Nie będzie wtedy marnowanie siły nośnej na rozciąganie skrzydła i nie będzie sił powodujących zbiegania się skrzydła, co by było widoczne przy płaskiej czaszy. Takie płaskie glajty pracują jak akordeon. Ponadto ciśnienie wewnątrz glajta powoduje, że pomiędzy żebrami na pokryciu płata wyrastają na naszym skrzydle balony z materiału. Psują one naszą pierwotną koncepcję i próbujemy je zlikwidować. Można to zrobić zwiększając liczbę żeber, lub powiększając siły rozciągające płat. Ponieważ jedynym źródłem siły, jaką dysponujemy jest siła nośna, więc przeznaczamy jej część, aby naciągała glajta. Po tym zabiegu ugięcie czaszy będzie zawsze większe od wspomnianego wcześniej okręgu. Siły rozciągające sumują się i największe będą na centralnych komorach, a najmniejsze na końcówkach, stąd zauważalna tendencja do zwężania komór ku końcom skrzydła. Jeszcze jednym powodem zmniejszania szerokości komór jest zmniejszanie się cięciwy. Jak wspomniałem o balonach, to jeszcze wspomnę, że musimy pościnać pasy pokrycia komór tak, aby nie było tych balonów na krawędzi natarcia i krawędzi spływu. Oczywiście ścięcia nie mogą być za duże i za małe i muszą być dodatkowo zgrane z ugięciem glajta. Odpowiednio dobrane ścięcia zapewnią nam odpowiednią sztywność płata i krawędź spływu ostrą jak brzytwa. Dobierając ugięcie, oczywiście nie za duże i nie za małe musimy zdecydować jeszcze jak zaakcentować to ugięcie. Znaczy się, czy centropłat ma być płaski, a końcówki mocno ugięte, czy też ugięcie ma iść od środka czaszy od razu mocno przy mało dogiętych końcówkach. W pierwszym przypadku zyskujemy na sile nośnej, gdyż centropłat ( środkowa część skrzydła) gdzie jest generowana większość siły nośnej nie marnuje jej na rozciąganie materiału, ale jest pewien szkopuł takiego rozwiązania. A nawet dwa szkopuły. Pierwszy to taki, że w razie podwinięcia nam końcówki  zanika większość siły rozciągającej z jednej strony. Ten brak siły destabilizuje cały centropłat, co nie wpływa korzystnie na całego glajta. Drugi szkopuł to taki, że w lotnictwie zawsze dążyło się do zmniejszania kąta natarcia końcówek. Mam nadzieję, że wiecie, co to jest kąt natarcia. Przynajmniej intuicyjnie, jeśli nie z definicji. Ten kąt konstruktorzy zmniejszają choćby dla zmniejszenia wiru brzegowego. Ten wir brzegowy, to takie zjawisko, które odpowiada za większość oporów naszego glajta. Aby go zmniejszyć zmniejszamy siłę nośną na końcówkach, ale niestety zmniejszamy w przypadku glajta także siłę rozciągającą i takie końcówki często się podwijają. Więc zwiększamy kąt natarcia końcówek nie licząc się z oporami, ale pojawia się wtedy ten drugi szkopuł, ( co to jest szkopuł? W słowniku Kopalińskiego nie znalazłem). Jeśli wygenerujemy dużą siłę nośną i rozciągającą na końcówkach, to skrzydło będzie przy niewielkich różnicach opływów na końcówkach generowało dość silne ruchy. Pilot będzie odczuwał to jako szarpanie i nie będzie to przekładało się w najmniejszy sposób na informację, jak naprawdę wygląda powietrze. To tak jak podczas małżeńskiej awantury. Dużo krzyku, mało informacji, ale podobne emocje. Skoro więc tyle problemów przy pozostawieniu mało ugiętego centropłata, to może dogiąć skrzydło po całości. I znowu musimy pamiętać, że będzie tu kilka szkopułów. Zbytnie ugięcie powoduje przekazanie większej części siły nośnej na rozciąganie glajta, czyli utratę doskonałości. Do tego, jeśli pozostawimy za mało dogiętą końcówkę, to będzie się ona podwijać, a ponadto przy dużej klapie, gdy zaniknie siła nośna z jednej strony, to pozostająca na drugiej połówce siła nośna i wytworzona przez nią siła rozciągająca spowoduje przesunięcie czaszy w stronę niezaklapioną. Taki poprzeczny ruch skrzydła natychmiast powoduje podwinięcie się całej drugiej połówki. W tym czasie pierwsza połówka nam się wypełnia i zaczyna się jazda. Mam nadzieję, że nie namieszałem za dużo z tymi ugięciami. Teraz musimy zaprojektować jedynie linki oraz taśmy do naszego cuda i projekt gotowy, ale o tym w następnym odcinku.

Budowa Glajta – linki

Szczęśliwie mamy już zaprojektowaną czaszę. Musimy ją tylko przymocować do pilota. Służą do tego linki. Dużo linek. W wersji maksymalnej na każdym żebrze podczepiamy cztery do pięciu linek i to wszystko zgrabnie przywiązujemy do pilota. Wychodzi z tego niezły węzeł dający kolosalne opory. Trzeba by trochę tych linek powyrzucać. Najpierw zaczynamy grupować linki wiążąc je po dwie lub trzy pod czaszą. Odległość rozwidlenia jest tu ważna, bo gdy będzie za blisko czaszy, to linki będą powodowały ściąganie żeber do siebie. Dodatkową metodą na zredukowanie łącznej długości linek będzie podczepianie ich nie do każdego żebra, ale co do któregoś. Na przykład możemy podwieszać co drugie żebro. Ilość linek spadnie, ale żebra nieobciążone będą wyskakiwać do góry psując naszą idealną czaszę. Te wyskakujące do góry żebra możemy ściągnąć w dół za pomocą kawałków materiału nazywanymi V-wsparciami. Jeśli już wymyśliliśmy coś takiego, to okazuje się, że te V-cośtam utrzyma całą komorę i mamy dzięki temu wsparcia co trzy żebra i czasza podzielona jest na grupy żeber. Jeszcze tylko pomiędzy grupami linek należy powstawiać mostki z tkaniny, aby zniwelować siły rozciągające i projekt gotów. Jest co prawda koncepcja podwieszania co piątego żebra, ale dopóki nie zobaczę prototypu, to nie ma się na razie czym podniecać. Wspomniałem wcześniej, że ilość linek przymocowanych do żebra może się wahać od 3 do 5. Wszystko będzie zależało od cięciwy naszego skrzydła i musimy uważać, aby w ferworze wyrzucania linek nie być nadgorliwym ( nadgorliwą – to ukłon w stronę feministek) bo nam się zacznie profil załamywać. Nie po to siedzieliśmy długie nocne godziny przy komputerze projektując profil, aby teraz skrzydło przypominało takiego psa składającego się z samych zmarszczek. Redukując liczbę linek powinniśmy także pozostawić chociaż po jednej lince na stronę, aby dało się założyć klapy. Niektórzy piloci są do nich bardzo przywiązani. Jeszcze tylko ustawienie środka ciężkości i zwichrzenia skrzydła. Środek ciężkości nie może być zbyt z przodu, bo prędkość trymowa przekroczy nasze najśmielsze oczekiwania i za bardzo z tyłu. Co prawda przy tylnym wyważeniu nie będziemy dostawać nagminnie klap i fronsztali ( co nie znaczy, że będą nam nieznane), ale skrzydło będzie opornie skręcało, wejście w spiralę będzie wymagało cierpliwości, a niecierpliwi piloci poznają co to negatywka. Do tego wszystkiego każdy lot na holu będzie dla nas niebezpiecznym wyzwaniem. Z tego widać, że lepiej wyważyć skrzydło na przód, niż na tył. Jeszcze tylko musimy ustawić sterówki. Możemy to zrobić na kilka sposobów, w zależności jaki styl latania preferujemy. Sterówki mogą zaciągać całą krawędź spływu równomiernie, mogą zaciągać część spływu przy osi podłużnej najpierw, a potem resztę, lub w pierwszej kolejności spływ na końcówce. Zachowania i czucie na sterówkach będzie w każdym z tych przypadków inne. W każdym z tych przypadków siły na sterówkach powinny narastać płynnie i powodować reakcję glajta proporcjonalną do zaciągnięcia. Jeszcze musimy zrobić taśmy i glajt gotów. Ponieważ każdy laik pytając o dane techniczne naszego cuda w pierwszym rzędzie zapyta o prędkość maksymalną, to w taśmy powinniśmy wbudować taki dopalacz, żeby wszystkich rzuciło na kolana, a pilota o glebę. Z pewnością znajdzie się ktoś, kto będzie chciał spróbować, czy rzeczywiście da się polecieć na tym ponad sześćdziesiąt pięć kilometrów na godzinę. Jak mu się nie uda, to tylko dla tego, że nie ma łapek. Filozofia działania speeda jest, w przeciwieństwie do zmian jakie wywołuje, bardzo prosta. Przesuwa on środek ciężkości do przodu, zmienia kształt profilu i skręcenie geometryczne płata. Może zmienić także ugięcie, dlatego musimy pamiętać, że glajt po wciśnięciu speeda przypomina projektowaną przez nas konstrukcję jedynie kolorystyką. Dzieło ukończone. Jutro bierzemy się za uprząż lub zapas, a potem kombinezon i buty. Zależy jakie materiały znajdziemy na strychu.

Dziękuję Piotrowi Dudkowi za pomoc w napisaniu artykułu.

Zbigniew Gotkiewicz

Czyli gotek - założyciel PSP, lata od zawsze, startuje w zawodach, testuje skrzydła, uczy latać, ekspert od spraw bezpieczeństwa

Dodaj komentarz

  • email: psp@psp.org.pl

    Polskie Stowarzyszenie Paralotniowe
    ul. Nad Wisłą 4A, 04-987 Warszawa

    NIP 527 251 23 14
    REGON 140534339
    KRS 0000236118