Lákavé nabídky pro letecké konstruktéry

Moderní dějiny letectví počítáme zpravidla od roku 1903, kdy ve Spojených státech poprvé vzlétli bratři Wrightové s motorovým letadlem. O skutečném prvenství existuje řada sporů a mnoho národů má své vlastní hrdiny, kteří údajně dosáhli úspěchu dříve. Někdy s parním kotlem na palubě, jindy s mávavými křídli a tak podobně. Bůh ví, kde je skutečná pravda, ale najít správnou odpověď na prvenství určitě není klíčovým problémem letectví. Mnohem důležitější je odhalit příčiny úspěchu prvních, skutečně doložených letů. Je zde totiž skryta i odpověď na otázky budoucího vývoje letectví. Letadlo těžší vzduchu potřebuje energii k tomu, aby se udrželo v letu a tuto energii musí s maximální účinností využít. A to úplně vždy. I větroň využívá vlastní hmotnost, rychlost a sluneční energii akumulovanou v atmosféře k tomu, aby sice bez motoru, nikoliv však bez energie, vydržel létat celé dlouhé hodiny. Abychom to zkrátili, pro létání bylo, je a vždy bude klíčové hledat nové principy řešení pohonné jednotky. Bratři Wrightové jako první dokázali spojit a dotáhnout do konce efektivní inženýrské postupy při návrhu letadla s první relativně spolehlivou pohonnou jednotkou. A navíc, nezapomněli si doma filmovou kameru. Jeden z našich posledních velkých konstruktérů letadel, Ing. Jan Mikula, v 70. létech minulého století prohlásil, že letadla se po roce 2000 významně nezmění co do vnějších tvarů a výkonů, pokud se neobjeví nějaký zcela převratný způsob pohonu. Z francouzského prostředí pochází myšlenka, kterou lze považovat za klíč k porozumění rozvoje národního leteckého průmyslu: rozvoj letectví v té které zemi je determinován úrovní výrobců pohonných jednotek. S oběma uvedenými myšlenkami lze jen souhlasit a vývoj moderních letadel to dokazuje. Jakou roli v tom všem ale hraje letecká vrtule? Použili ji již bratři Wrightové, před nimi v roce 1882 ruský inženýr A. F. Možajský (údajně měl letadlo s parním motorem) a mnozí další pokusníci. Poháněla letadla v obou světových válkách, na nebi se objevují neustále vrtulové stroje nové i staré a podsouvá se nám tak myšlenka, zda již není vrtule něco překonaného a neefektivního. Letecká vrtule byla v minulosti označována za „vzdušný šroub“, anglicky „Airscrew“, německy „die Luftschraube“, rusky „????????? ????“ (vozdušnyj vint), francouzsky „hélice“ a tak dále. Analogie ke šroubu je však zcela špatná a velmi zavádějící. Vrtule se do vzduchu rozhodně nezavrtává. Pokud bychom chtěli porozumět její funkci pomocí analogického příkladu, jde spíše o píst v pomyslném pracovním válci tvořeném proudovou trubicí. Za vrtulovým diskem tvořeným rovinou rotace je přetlak, před ním podtlak. Tedy existuje potřebný tlakový spád, který vytváří tah vrtule stejně, jako když na jednu stranu pístu v pracovním válci přivedeme tlakový olej, z druhé strany pístu ho naopak odvádíme a píst se dá do pohybu, přičemž koná užitečnou práci. Tah vrtule ale ve skutečnosti ve výpočtech odvozujeme od změny rychlosti vzduchové hmoty, která jí prochází. Není to v rozporu s předchozím příkladem, jen si musíme představit převrácenou situaci. Vrtule stojí na místě a otáčí se, vzduchová hmota se k ní přibližuje a vlivem vytvořeného (indukovaného) tlakového spádu se na ní urychlí a dále pokračuje zvýšenou rychlostí. Princip vytváření tahu urychlováním vzduchové hmoty je společný všem hlavním druhům letadlových pohonných jednotek, které pracují v atmosféře tak, že si z ní vzduch odeberou, zvýší jeho energii a následně jej vypudí za sebe. Jsou to zde citované motory s vrtulí, ale také s dmychadlem, propfanem (tzv. pokročilá vrtule) nebo s reaktivní tryskou. Je možno dokázat, že za určitých okolností je klasická vrtule schopna vytvořit tah s nejvyšší dosažitelnou účinností ve srovnání s ostatními propulsory – dmychadly, reaktivními tryskami, atd. Matematický důkaz tu podávat nebudeme, ačkoliv není až tak náročný. Vkrádá se ale otázka, proč tedy naopak všechna letadla nelétají jen s vrtulemi, když jsou tak „dobré“. Odpověď je nasnadě, vrtule mají některé své těžko překonatelné problémy, které je z řady aplikací diskvalifikují. Velkým problémem je omezení maximální rychlosti letadla. Obvodová rychlost od rotace na špičce vrtulového listu v součtu s vlivem rychlosti letu, vedou k velmi rychlému dosažení podmínek transsonického obtékání špiček listů. A to je pro ni v podstatě mezí, za kterou se nemá dostat. Pokud ji překročí, prudce ztratí účinnost a doprovodné efekty související s vznikem rázových vln ji mohou velmi snadno poničit. Existují sice aplikace vrtulí, u kterých se krátkodobě dosažení transsonického obtékání připouští, ale zjednodušeně řečeno, pro civilní dopravu v hustě obydlených oblastech se naprosto nehodí. Obrovské problémy s hlukem v okolí (budou protestovat obyvatelé, kterým letadlo prolétne nad hlavou) i uvnitř letadla (pasažéři s tím nebudou chtít cestovat) jsou faktickou konečnou pro použití klasické vrtule pro velké rychlosti letu. Druhým velkým problémem vrtule je hluk, opět. Tentokrát ale i v případě, že výkony letadla odpovídají ideálnímu použití vrtulového pohonu. Bohužel, pokud by měl být prubířským kamenem letadlové pohonné jednotky pasažérský komfort, hlučné vrtule po stranách trupu nemohou konkurovat relativně příjemnému prostředí v kabinách letadel, jejichž turbodmychadlový pohon je pod křídlem nebo někde v zadní části konstrukce trupu. Co tedy bude rozhodovat o budoucnosti vrtulového pohonu a jaký bude další vývoj? Letadlo je vždy třeba posuzovat jako celek a v souladu s jeho posláním. Nelze z kontextu vytrhnout jen jeden parametr bez ohledu na ostatní. Vrtule umožňuje dosáhnout výrazné redukce spotřeby paliva na cestovních režimech letu a má velmi dobré charakteristiky, pokud potřebujeme postavit letadlo schopné strmého stoupání. Jestliže podobné parametry převáží nad požadavky na vysokou rychlost, hlukové emise nebudou považovány za kritický problém (pochopitelně jen do určité míry) a dále porostou ceny paliva, je renesance vrtulového pohonu velmi pravděpodobná. Nepůjde ovšem jen o oprášení klasické vrtule s dalším drobným přizpůsobením podmínkám zástavby na současně vznikající letadla. Moderní vrtule v sobě skrývají aplikace nejpokročilejších materiálových systémů a technologií výroby. Jsou využívány vláknové kompozity v konstrukci listů a vysokopevnostní hliníkové slitiny na vrtulové hlavy. Dokonce se objevují první plně certifikované vrtule s kompozity v konstrukci listů i hlav, což bylo ještě v závěru 20. století takřka nepředstavitelné. Vláknové kompozity umožňují konstruktérovi dosáhnout velmi přijatelných hmotnostních charakteristik vrtule při vysokém počtu listů. A vysoký počet listů vrtule umožňuje snížit její otáčky s příznivými důsledky na snížení hlukových emisí a dosažení vyšší rychlosti letu. Spojit ekonomické parametry vrtulového pohonu, výhodný průběh tahu pro krátký vzlet a strmé stoupání s vysokými podzvukovými rychlostmi letu, to vždy byla, je a bude velmi lákavá výzva. V poslední čtvrtině 20. století proinvestovala řada světově významných výrobců velké prostředky na vývoj pokročilé vrtule. V běžném označení se pro ni ujal termín „propfan“. V podmínkách USA je patrně nejznámější projekt GE36 realizovaný ve spolupráci s NASA. Úpravou existujícího motoru vznikla pohonná jednotka s dvouřadým protiběžným propfanem v tlačném uspořádání. Cílem projektu bylo prověřit některá velmi zajímavá technická řešení a vysokou účinnost pohonu. Dle závěrečných zpráv bylo požadovaných parametrů dosaženo, bohužel se ale také prokázal prakticky neřešitelný problém s hlukem. V rámci projektu GE36 byla realizována i letová měření na speciální létající laboratoři a problémy s hlukovými emisemi se projevovaly do té míry, že si vyžádaly prakticky samostatný výzkum. Na přednášce jednoho účastníka projektu zaznělo všeobsažné „..a byli jsme šťastni, když ten projekt skončil. Něco tak úžasně složitého jsme od té doby už neřešili...“ Projekt GE36 nemá přímý výstup v sériové produkci letadlových pohonných jednotek. Dočasně přijatelné ceny paliva a specifické přednosti jiných pohonů vedly v západním světě k opadnutí zájmu o propfan. Poněkud lepšího výsledku bylo dosaženo v rusko-ukrajinském provedení na letounu AN-70. V tomto případě byla pohonná jednotka dotažena až do sériové podoby a možná do jisté míry představuje koncepčně správnější cestu vývoje. Použitý motor totiž není adaptací již existující konstrukce na podmínky pokročilé vrtule, ale jde o kompletně novou pohonnou jednotku, jejíž prvky byly vyvíjeny právě pro tuto aplikaci. Cestovní rychlost letadla uvádí výrobce až 750 km/h, což je na hranici výkonů, které byly dosud doménou především proudových pohonů. Nejaktuálnější vývoj v oboru vrtulových pohonů je takový, že se znovu probouzí zájem o propfan a jsou hledány cesty řešení hlukových emisí a spolehlivosti řízení takto komplexní pohonné jednotky. Aplikace kompozitních materiálů v konstrukci již není novinkou, ale de facto standardem. Určité rezervy pravděpodobně existují i v konfiguraci pohonné jednotky vůči draku letadla, protože praktické dořešení tlačného uspořádání turbovrtulového pohonu vede k významnému zlepšení aerodynamických charakteristik letadla a potlačení hluku v kabině cestujících. Probouzející se zájem o moderní konstrukce vrtulí lze vypozorovat jak v zámoří, kde jsou oprašovány zkušenosti z projektu GE36, tak i v Evropě pod pokličkou trvale udržitelného rozvoje. Příčina je pravděpodobně v obou případech stejná – ceny paliva a výhledy na přístup ke zdrojům energií do budoucna. Bohužel jen málo světově významných firem přežilo stávající krizi leteckého průmyslu v takovém stavu, aby odborně a kapitálově pokryly související náklady na nezbytný výzkum a vývoj. Ing. Vilém Pompe