2. del: Jadralno padalo in njegova konstrukcija

01.11.2018

Avtor: Janez Križnar

Nomenklatura:

 

Betnica – v krilo jadralnega zmaja vstavljena letev, ki zagotavlja obliko krilnega profila

CFD – computational fluid dynamics (računska dinamika fluidov)

Diagonalno rebro – nagnjena površina, ki vzdolžno seka celico, od dna rebra z vpetji proti zgornjemu robu sosednjega rebra

Geometrijsko zvitje – spreminjanje profilnih vpadnih kotov krila, od centra proti konicam, kadar je na celotnem razponu krila enak profil

Globina krila – razdalja od prednjega do zadnjega krilnega roba

Inducirani upor – upor, ki nastane zaradi vrtinčenja zračnega toka na konicah krila, kot posledica izenačevanja pritiskov med zgornjo in spodnjo stranjo krila

JZ – jadralno zmajarstvo; jadralni zmaj

Kontrolna točka – oznaka za pomoč pri ujemu sosednjih krojev med procesom šivanja

Mini rebro – krajši odsek rebra, ki deli celico le določen del globine krila

Vitkost – količnik kvadrata razpona in površine krila, oziroma količnik razpona in povprečne globine krila

Vpetje vrvice – točka, kjer je na krilo pritrjena nosilna vrvica

V prvem delu smo spoznali nastanek konstrukcije napihljivega krila in njen razvoj do poznih osemdesetih let minulega stoletja. Dodajenje reber in posledično višanje števila celic JP, je imelo vzor v JZ, kjer je več betnic v krilu pomenilo boljšo obliko krilnega profila. Do neke mere je to pripomoglo k izboljšanju letalnih sposobnosti. Vendar krilo s pravokotnim tlorisom obeta tudi slabosti. Konstantna globina krila po vsem razponu pomeni predvsem obilen induciran upor, ne prinaša pa nekaterih prednosti takšne oblike, ki so značilne za toga krila. Postalo je jasno, da bo potrebno zagristi v trši oreh konstrukcije eliptičnih kril. Eno najlepših do tedaj, in vsaj meni še danes, je krilo britanskega lovca iz 2. svetovne vojne, Spitfire. Žal je prav eliptična oblika kril precej otežila njegovo izdelavo. Nič drugače ni bilo s prvimi JP krili takšnega tlorisa.

Ker je to pomenilo, da krojev ne bo več možno izdelati zgolj z analognimi pripomočki, tudi ni bilo več potrebe po ohranitvi nekaterih drugih pritiklin. Base line, prej oblike krožnega izseka, je lahko postal izsek elipse, vrvice so se lahko združevale v poljubne kaskadne vzorce, stičišče linij ni bilo več v isti točki, krilu se je dodalo geometrijsko zvitje itd.

Ker dobra tri desetletja nazaj še niso obstajali namenski programi za risanje JP, se je bilo potrebno znajti z obstoječo ponudbo CAD-a. Narisati in odviti v ravnino en sam zgornji ali spodnji kroj padala, je bilo garaško delo.

3D izris je terjal določitev vsaj dveh risov JP (narisa in tlorisa).

Na oblikovan base line se je namestilo rebra. Le-ta so bila razporejena po presledkih širin celic iz tlorisa (konstantnih, proporcionalnih ali kombiniranih). Tloris je služil tudi za pravo razmerje globin reber. Slednja je bilo nato potrebno še zasukati v prostoru, da so zavzela pravšnji kot geometrijskega zvitja.

Na tako dobljenem skeletu krila se je lahko zgradilo površine. Slednje so dejansko neuporabne, če jih ni možno odviti v ravnino. Zato je bilo potrebno površine vsake celice zgraditi s trikotnimi ploskvami. Več jih je bilo, pravilnejših oblik so bili kroji. Trikotne ploskve posameznega kroja se je, kos za kosom, preneslo v ravnino in sestavilo skupaj.

Programiranja vešči konstruktorji so znali ta brutalno zamudni proces avtomatizirati. A, kot sem omenil že v prvem delu, je šlo za redke posameznike. JP je potrebovalo še vrvice in v grobem so bili glavni sestavni deli gotovi. Še zdaleč pa to ni bilo vse, saj je konstruiranje terjalo še številna zamudna, utrujajoča in ponavljajoča se opravila, kot so izmere vrvic, dodatki na krojih za šive, oštevilčenje, risanje kontrolnih točk, cross portov, ojačitev ipd.

Eno od dolgo slabo razumljenih področij konstruiranja zadeva nadomeščanje izgub razdalje razpona krila zaradi napihnjenosti celic. Napihljivi objekti namreč skušajo zavzeti obliko največje možne prostornine, kar v prečnem preseku celice pomeni krog. Ker je ob straneh celica omejena s stenama sosednjih celic (rebri), se pojav odraža le na zgornji in spodnji površini JP. Izbočenost je neposredno odvisna od širine in višine celice ter nikakor ni enaka po vsej globini krila. Skratka, krojem je potrebno dodati nekaj materiala, v nasprotnem se napihnjeno krilo skrči in zvije v "banano" (gledano v tlorisu).

Če skozi oglišča prečnega prereza celice očrtamo krog, dobimo zgornji in spodnji krožni izsek idealno napihnjene celice. V danem primeru gre le za shematski prikaz, katerega v praksi ne srečamo. Sosednja rebra namreč nikdar niso enakih velikosti, niti vzporedna.

Da bi bile stvari še težje predvidljive, je napihnjenost celic padala med poletom drugačna od idealno izračunane. Ko je krilo v zraku in obremenjeno, nanj delujejo različne sile, ki ga neenakomerno raztezajo, krčijo in usločijo. Posledično je težko predvideti, kje bo potrebno upoštevati več in kje manj dodatkov na krojih. Pomembno je, da so ta predvidevanja čim bližje dejanskemu stanju, predvsem zaradi ohranjanja izhodiščnih, torej v računalniku narisanih širin celic in s tem razdalj med vpetišči, na katera so pripete nosilne vrvice.

Če nam ne uspe, to za seboj potegne kopico težav. Base line običajno postane bolj ploščat, spremenita se geometrijsko zvitje in tloris, notranji elementi so lahko ohlapni, oziroma krilo dodatno deformirajo (denimo ojačitveni trakovi in diagonalna rebra). Čeprav so danes že na voljo računalniški programi, s katerimi je te vrste deformacij možno predvideti, bi dejal, da se večina JP konstruktorjev zanaša na izkušnje. Tega bo sčasoma vedno manj.

Tudi stanja na zgornji sliki ne gre vzeti povsem dobesedno, saj tako izrazita linija napihnjene celice v praksi le redko obstaja. Izpostavljena je razlika med obliko krila na rebrih in vmes, torej na sredini celic. Slednje je mnogim, tudi uveljavljenim konstruktorjem, povzročalo preglavice. Namesto, da bi problem reševali z dodajanjem blaga na kroje, po matematično pravilnem izračunu, so ga dodajali na napačnih mestih, ali pa celo odvzemali. Rezultat so bila JP z nepredvidljivim obnašanjem in slabšimi sposobnostmi. K sreči se je razumevanje tega področja konstruiranja izboljšalo in danes ni primerljivo s tistim iz osemdesetih in devetdesetih let.

Napihnjenost celic žal precej pokvari aerodinamiko JP krila, ne glede na to, ali je konstruktor upošteval pravšnje dodatke materiala na kroje, ali ne. Tekom let je bilo nekaj poizkusov, da bi hribčke, valove, izbokline, kakorkoli jim že rečemo, povsem odpravili. Vendar na obzorju še ni dovolj uravnotožene izvedbe, ki bi hkrati ne imela drugih hib (denimo zamudne izdelave, znatnega zvišanja mase krila ipd.).

Zadnja leta so se uveljavila mini rebra s katerimi nekoliko omilimo učinek napihnenja. Predvsem v skrajnih legah, kjer so deformacije največje. Je pa zanimivo, da sta jih že v devetdesetih letih uporabljala vsaj dva proizvajalca (APCO in NOVA), jih vmes opustila, ker niso prinesla večjega zanimanja na trgu, pa jih nato zopet uvedla, ko jih je posvojila tudi konkurenca. S tem smo že zašli na področje inovacij. Ne bomo se spuščali v prav vsako. A ena si vendarle zasluži našo pozornost. Gre za diagonalna rebra, ki so se najprej pojavila v klasičnem padalstvu. Patentirana s strani Američana Billa Coa, so hitro našla mesto tudi v JP.

Prvo prototipno tekmovalno JP z diagonalnimi rebri, Friend, sta na predlog Staneta Krajnca skonstruirala France Giacomelli in Domen Slana, sešili pa so ga v Air systems, podjetju Toneta Svoljška. To je bilo tudi prvo JP te vrste na tekmi svetovnega pokala (PWC), kjer je z njim tekmoval Domen. Prvo serijsko tekmovalno JP z diagonalnimi rebri, Xenon, pa je zasnoval Hannes Papesh iz podjetja Nova. V različnih oblikah in iteracijah se je ta tip reber ohranil vse do danes. Omogočila so znatno zmanjšanje števila vrvic in s tem boljše sposobnosti.

Zmogljivejši kot so bili računalniki in programska oprema, naprednejše rešitve so se pojavljale. Eno področje konstruiranja pa je kljub vsemu šepalo. In sicer CFD analiza. Posledica je bila večje število prototipnih JP, preden je bil izdelek dovolj dovršen za serijsko izdelavo. To področje sem prihranil za tretje nadaljevanje, v katerem bomo preleteli oblikovanje in analizo z namenskim CAD-CFD programom.

Vseh vidikov konstruiranja JP je preprosto preveč za obravnavo v kratkem prispevku. Posledično izbiram med temami, ki so vsaj meni zanimivejše in so značilne za določena zgodovinska obdobja. Ni pa nujno, da gre za iste reči, kot so opazne običajnemu pilotu, ki se v konstruiranje praviloma ne poglablja. Kupec vidi le marketinško prečiščen cvetober zvenečih kratic, stiliziranih ikon in grafičnih ponazoritev, ki pa, resnici na ljubo, ne povedo prav dosti ali celo zavajajo.