D i p l o m o v á p r á c e. Pavel Čoupek 2006/07

D i p l o m o v á p r á c e Pavel Čoupek 2006/07

Z a d á n í

P r o h l á š e n í Prohlášení Prohlašuji, že tuto diplomovou práci jsem vypracoval zcela samostatně. Veškerou literaturu i ostatní informační zdroje, z kterých jsem po dobu zpracování čerpal, jsem uvedl v seznamu použité literatury. Pavel Čoupek

P o d ě k o v á n í Poděkování : Především bych rád poděkoval, vedoucímu mé práce panu akademickému sochaři Miroslavovi Zvonkovi, ArtD. a panu akademickému sochaři Ladislavovi Křenkovi, ArtD. za jejich cenné rady, připomínky a podněty, kterými mi pomáhali v průběhu celé práce na mém diplomovém projektu. Dále pak bych rád poděkoval všem pedagogům a externím vyučujícím oboru průmyslového designu ve strojírenství, kteří mi ochotně pomáhali v průběhu mého studia. Závěrem děkuji všem mým přátelům, za jejich psychickou podporu a zajímavé postřehy k mé diplomové práci.

A n o t a c e Anotace Diplomová práce se zabývá návrhem designu a základním koncepčním uspořádáním ultralehké helikoptéry. V práci jsou zohledněny i zásadní technické a ergonomické faktory, které přímo ovlivňují jak tvar centrální gondoly, tak i celkovou prostorovou dispozici stroje. Práce není zamýšlena jako reálný projekt pro sériovou produkci, ale snažím se v ní nastínit možný budoucí vývoj konstrukce kategorie ultralehkých vrtulníků. Tato dokumentace je tématicky rozčleněna na tři základní části, ve kterých jsou stručně popsány konstrukční a technické prvky, základní ergonomické charakteristiky a samotný designérský vývoj tohoto ultralehkého vrtulníku. Annotation This diploma works handles with design and basic conceptual layout of an ultralight helicopter. Work concerns basic technological principles and ergonimical factors, which directly influence both shaping of the central gondola and overall space arrangement of the machine. This work isn t intended as a real project for batch production, I tried to sketch out possible future developement in construction of ultralight helicopters in general. This documentation is sectioned by topics into three bacis parts. In these three parts there are briefly descibed constructional and technological elements, basic ergonomical characteristics and design aspects of this ultralight helicopter.

O b s a h Obsah : 1. Úvod 13 2. Technika 15 2.1 Základní rozměry 16 2.2 Určení stroje 17 2.3 Základní koncepce stroje 17 2.4. Rotorový systém 18 2.5. Pohonná jednotka 19 2.6. Výfuková soustava 20 2.7. Palivová soustava 20 2.8. Reduktory 20 2.9. Transmisní soustava 20 2.10. Nosná skořepina 22 2.11. Aerodynamické stabilizátory 23 2.12. Přistávací zařízení 24 2.13. Řízení 25 2.14. Pilotní prostor 26 2.15. Letové výkony 27 3. Ergonomie 29 3.1. Výhled 30 3.2. Ovladače 31 3.3. Sdělovače 33 3.4. Hluk 34 3.4.1. Hluk v interiéru 34 3.4.2. Hlukové emise stroje do exteriéru 34 3.5. Nástup a sezení 38 3.6. Záchranný systém stroje 40 3.7. Transport 40 3.8. Celkové působení stroje na okolí 40 10

O b s a h Obsah : 4. Designérský vývoj 43 4.1. Konstrukční schémata a design vrtulníků 44 4.2. Cíle projektu 51 4.3. Základní tvarování stroje a první návrhy 52 4.4. Návrh tvarování 54 4.5. Barevné řešení stroje 57 5. Závěr 61 6. Použitá literatura 63 7. Seznam příloh 65 8. Náhledy posterů 67 11

Ú v o d 1 Úvod Tato průvodní zpráva diplomové práce navazuje na mou analytickou práci, ve které se zabývám vznikem a historií moderních vrtulníků, jejich konstrukčním řešením a v neposlední řadě také jejich designem a ergonomií. Tuto práci jsem řešil v rámci předdiplomového projektu. V mém diplomovém projektu se zabývám návrhem designu ultralehké helikoptéry. Tento úkol řeším s ohledem na dnešní technické a technologické možnosti v oblasti leteckých technologií velice progresivně. Vnitřní technické celky jsem použil z již dnes běžně vyráběných strojů, čímž jsem získal základ stroje, který jsem dále tvarově upravil tak, abych vyzdvihl jeho netradiční koncepci a podpořil tím toto netradiční tvarové řešení. Cílem mé práce, je navrhnout netradiční a tvarově neotřelé řešení designu stroje, který by svou koncepcí a uspořádáním jednotlivých konstrukčních celků působil velice dynamickým a expresivním dojmem. Designérský návrh je sice navržen s ohledem ne technické a technologické možnosti dnešní letecké výroby, přesto ale nemůže posloužit přímo pro výrobu nového funkčního stroje. Poslouží spíš jako alternativa a ukazatel směru, kterým by se mohl ubírat vývoj kategorie ultralehkých vrtulníků. 13

Te c h n i k a 2 Technika Ultralehká helikoptéra. Jedná se o letoun s rotující nosnou plochou, která vytváří potřebný vztlak nutný pro let. Nosný rotor je v letu trvale poháněn vlastní pohonnou jednotku. Rotorový systém musí umožnit bezpečné přistání i v případě výpadku pohonu v jakékoliv letové fázi. Hmotnost je pro kategorii ultralehkých strojů omezena na 380 kg. Kvůli tomuto omezení jsou tyto stroje v praxi konstruovány jako jednomístné. 15

Te c h n i k a 2.1 Základní rozměry obr. 2.1 Základní pohledy a rozměry M 1:50 16

Te c h n i k a 2.2 Určení stroje Rozhodl jsem se navrhnout ultralehkou helikoptéru, která je určena pro rekreační provoz na malých klubových letištích. Stroj je jednomístný a je navržen tak, aby pilotovi zaručil maximální možný požitek z volného letu. Netradiční koncepce uspořádání rotoru a kabiny navíc podtrhuje sportovní charakter tohoto stroje. Soulad všech těchto detailů pilotovi umožní dokonalé sportovní vyžití a upoutá pozornost na každé letecké akci. V žádném případě se ovšem nejedná o dopravní prostředek, určený ke každodenním cestám. K tomuto stroj nebyl navržen. Ultralehké letouny je možné provozovat pouze za dobrých povětrnostních podmínek a dobré viditelnosti, proto je každodenní provoz tohoto stroje vyloučen. Za horších povětrnostních podmínek mohou létat stroje vyšších hmotnostních tříd, které dokáží horšímu počasí vzdorovat. 2.3 Základní koncepce stroje Při návrhu stroje jsem se snažil vnést do jeho konstrukce inovativní prvky a využít netradiční koncepce nosného systému. Dále jsem se rozhodl, využít veškerých výhod moderních pohonných jednotek a kompositních materiálů, což mi umožnilo celou skořepinu stroje jemně aerodynamicky tvarovat a optimalizovat tak její tvar v souladu s ostatními technologickými celky stroje. V konečném důsledku, jsem tak mohl propůjčit této netradiční konstrukci předpoklady vysokého výkonu při minimální hmotnosti, tudíž vysoké hospodárnosti provozu. Konstrukci jsem se snažil navrhnout velice kompaktní. Tím jsem se snažil minimalizovat prostor nutný pro hangárování stroje a nenáročný transport. Takto konstruovanou helikoptéru není problém přepravovat na přívěsném vozíku za osobním automobilem. obr. 2.2 Základní koncepce stroje 17

Te c h n i k a 2.4. Rotorový systém S ohledem k určení stroje jsem se rozhodl v konstrukci využít koaxiálního protiběžného nosného rotoru. Ten má oproti klasickému jednomotorovému systému s vyrovnávací vrtulkou výhodu v tom, že není třeba vyrovnávat momenty vzniklé na takto uspořádaném nosném systému. Koaxiální rotor totiž sám žádné přídavné momenty nevyvozuje. Točivý moment od horního rotoru je v tomto případě vykompenzován momentem od dolního rotoru, který má v případě protiběžného chodu opačný činek a výslednice těchto momentů je v ideálním případě nulová. Pro řízení stroje kolem svislé osy se využívá řízeného ovlivnění poměru momentů mezi rotory a to vyvolá řízenou rotaci klem této osy. Takto koncipovaný rotorový systém je navíc velice kompaktní a oproti jednomotorovému uspořádání navíc účinnější. Pro můj stroj jsem navrhl koaxiální nosný rotor s přímo řízenou rotorovou hlavou se třemi listy na každém rotoru. Průměr nosných rotorů je 5000 mm. Řízení rotorové hlavy je zajištěno dvojitou deskou cykliky a standardním přepákováním, jaké využívá firma Kamov u svých strojů. Toto konstrukční uspořádání je již praxí odzkoušeno a používá se téměř u všech strojů značky Kamov. Nejznámější jsou jejich vojenské vrtulníky, ale tato továrna vyvíjí i malé civilní stroje a dokonce i jeden stroj ultralehké kategorie, viz. obr. 2.3. obr. 2.3 Ultralehký koaxiální vrtulník Kamov Kumertau [7] 18

Te c h n i k a 2.5. Pohonná jednotka Jako zdroj propulsní síly, jsem se rozhodl použít dnes již běžně používaného spalovacího turbohřídelového motoru o jmenovitém výkonu 100KW. Tento pohon vyniká minimální hmotností a vysokým výkonem. Pohonná jednotka je složena z jedné axiální spalovací turbíny a soustavy reduktorů. Samotná turbína je axiálního typu s vícestupňovým axiálním kompresorem a dvojitým volným turbínovým kolem uloženým ve výstupní trysce. Od tohoto volného turbínového kola, které je roztáčeno proudem spalin z výstupní trysky turbíny je přes soustavu reduktorů poháněn rotorový systém. Turbohřídelový motor s volnou turbínkou je dnes standardním řešením takto koncipovaných pohonů a oproti jednohřídelovým turbínám dosahuje lepší účinnosti a vrtulníku zajišťuje hladší doběh rotoru a vyšší bezpečnost v případě poruchy samotné turbíny. Takto koncipovaný pohon navíc nemusí obsahovat nouzové oddělení rotoru od pohonné jednotky. V praxi je pro tento účel využívána odstředivá spojka. obr. 2.4 Turbohřídelový vrtulníkový motor ARRIUS 1A [10] 19

Te c h n i k a 2.6. Výfuková soustava Výfuková soustava turbohřídelových pohonů je pevně daná a naladěna na optimální výkon. Proto je vedení výfukových plynů řešeno optimálním způsobem tak, aby spaliny odcházeli z motoru s co možná nejmenším odporem. Spaliny těchto motorů dosahují teploty kolem 800 stupňů C. Spaliny o takto vysoké teplotě mohou v případě delšího proudění po povrchu konstrukce poškodit nosnou konstrukci stroje, která je v tomto případě samotná skořepina. Proto je důležité zajistit snížení jejich teploty a důsledně je odvést mimo drak stroje. Toho je v případě mé konstrukce dosaženo tak, že výstupní část výfukového potrubí je směřována důsledně mimo drak stroje. Snížení teploty spalin jsem dosáhl umístěním chladiče spalin na výstup výfukového potrubí. To funguje na principu mísení horkých spalin s okolním vzduchem ve speciálně tvarovaném chladiči. Ten funguje na principu vývěvy, proto si dokáže sám přisávat chladicí vzduch a díky vnitřním lamelám, které zajistí turbulentní proudění v chladiči dojde k důkladnému smísení horkých spalin s chladným vzduchem. Tím dojde k snížení celkové teploty spalin vystupujících z výfukového systému. 2.7. Palivová soustava Turbopohon má vyšší spotřebu paliva, než pístový motor o stejném jmenovitém výkonu. Proto je třeba použít větších palivových nádrží. Vrtulník má celkem tři palivové nádrže. Hlavní nádrž se nachází v zadní části trupové gondoly a další dvě vedlejší jsou umístěny v aerodynamických stabilizátorech. Palivo by bylo při provozu přečerpáváno z přídavných nádrží do hlavní tak, aby byl motoru zajištěn optimální přísun paliva v každém letovém režimu a v případě porušení jedné z nádrží, dokázal doletět na palivo z nepoškozené nádrže. 2.8. Reduktory U turbohřídelových pohonů je nutné využívat vícestupňových reduktorů. Turbíny v provozu dosahují velmi vysokých otáček, až 20 000 ot/ min. dle typu, a ty je třeba redukovat na asi 500 až 800 ot/min, kterých dosahuje nosný rotor. Tyto reduktory jsou velmi namáhané a je nutné je účinně chladit. 2.9. Transmisní soustava U koncepce helikoptéry s koaxiálním nosným rotorem je transmisní soustava redukována pouze na rozvod točivého momentu k hlavnímu rotoru. To je veliká výhoda této koncepce, jelikož u klasických jednomotorových strojů je Karban náhonu zadní vrtulky zdrojem technických poruch a je velice náchylný na vibrace. Jelikož jsem pohonnou jednotku umístil do blízkosti nosného rotoru, jsou transmise mezi reduktory a rotorem redukovány na minimum. 20

Te c h n i k a obr. 2.5 Uložení vnitřních komponent - reduktory, transmise a výfuková soustava obr. 2.6 Uložení vnitřních komponent - hlavní palivové nádrže 21

Te c h n i k a 2.10. Nosná skořepina Za základ a hlavní nosnou část celého stroje jsem si vybral jednolitou samonosnou skořepinovou konstrukci, provedenou z uhlíkových kompositních materiálů. Základní tvar pro tuto konstrukci jsem volil tvar vejce. Je to jeden z nejideálnějších tvarů. Dosahuje vysoké pevnosti celé struktury při zachování nízké hmotnosti a také má výborné aerodynamické vlastnosti. Do takto tvarované skořepiny jsem umístil veškerá vnitřní ústrojí. Tato skořepina je zhotovena laminováním do negativní formy. Základním materiálem konstrukce, jsou vysokopevnostní uhlíkové a aramidové tkaniny, mezi které je vložena voštinová komůrková výztuha. Tyto tkaniny jsou za pomocí vakua prosyceny vysokopevnostní pryskyřicí a následně vytvrzeny v peci za stálého vakuování. Takto zhotovená skořepina má velmi vysokou pevnost při minimální hmotnosti. Jelikož je hlavní nosnou konstrukcí skořepina, je velice vysoký předpoklad vysoké bezpečnosti posádky při případné havárii. obr. 2.7 Nosná skořepina vrtulníku Bell [11] 22

Te c h n i k a 2.11. Aerodynamické stabilizátory Vzhledem k tomu, že helikoptéra s koaxiálním nosným rotorem nemusí mít dlouhou ocasní část pro vyrovnávání reakčního momentu od rotoru, tak jsem tuto část zcela vynechal a ponechal pouze menší aerodynamické plochy po stranách stroje, které vrtulník částečně stabilizují při dopředném letu. U takto koncipovaného stroje by tyto stabilizátory sice mohli být vynechány úplně, ale zvýšení stability letu při vysokých dopředných rychlostech je vždy žádoucí. Tyto plošky pomáhají udržet kabinu s piloty natočenou proti směru letu a umožní tak minimalizovat odpor celého stroje v letu. Stabilizaci kabiny při visu a v malých rychlostech letu zajišťuje řídící elektronika. obr. 2.8 Aerodynamické stabilizátory - pohled na zadní část stroje 23

Te c h n i k a 2.12. Přistávací zařízení Jelikož jsem chtěl dodržet maximální aerodynamickou čistotu stroje, rozhodl jsem se použít tříkolový podvozek, u kterého vystupuje vždy pouze jedna polovina kola z trupu. Tento podvozek je uložen pružně a vybaven hydraulickými tlumiči. Přední kolo je navíc pro pojíždění řízeno. Řízení tohoto kola je provedeno elektrickým servopohonem, které je spřaženo s ovladačem nožního řízení a za letu automaticky vypínatelné. obr. 2.9 Přistávací zařízení 24

Te c h n i k a 2.13. Řízení Rotorová hlava je ovládána elektroimpulsním systémem řízení. Tudíž zde není mechanická vazba mezi ovladači v pilotním prostoru a deskou cykliky. Tuto mechanickou vazbu nahrazují elektrické servopohony rotorové hlavy, které ovládají dvojitou desku cykliky a tím zajišťují řízení stroje. Použítí elektroimpulsního řízení zajistí minimální síly v řízení a ideální odezvu vrtulníku na povely pilota. Veškeré letové režimy jsou navíc hlídány letovou avionikou, což zajistí optimální stabilitu stroje a upozorní pilota před nalétnutím do obratů, ve kterých by hrozilo překročení bezpečné letové obálky a nedodržení bezpečnostního diagramu stroje. Systém elektroimpulsního řízení pomáhá pilotovi stabilizovat stroj v přízemní turbulenci a za zhoršených povětrnostních podmínek. obr. 2.10 Rotorová hlava a řízení desky cykliky 25

Te c h n i k a 2.14. Pilotní prostor Pilotní prostor je umístěn v přední části trupové gondoly. Zadní část trupu, kde je umístěna pohonná jednotka a palivový systém, je oddělena protipožární přepážkou. Ta chrání posádku v případě nehody. Pilotní prostor obsahuje pouze části letové avioniky a ovladače řízení. Systém řízení je elektroimpulsní, tudíž není třeba mechanického spojení mezi rotorovou mechanikou a řídícími ovladači. Převážnou část pilotního prostoru zaplňuje sedadlo pilota, které je stavitelné. Spodní část tohoto prostoru tvoří hlavní nosná skořepina. Překryt pilotního prostoru je řešen jako jednodílný výlisek s polykarbonátu, který je elektricky odklápěcí směrem vzhůru. Velký úhel otevření tohoto překrytu zajišťuje specielní otvírací mechanismus, který nejdříve vysune tento polykarbonátový výlisek směrem vpřed tak, aby nekolidoval s okolní konstrukcí a poté jej odklopí směrem vzhůru. obr. 2.11 Pilotní prostor 26

Te c h n i k a 2.15. Letové výkony Vrtulník je navržen pro sportovní létání, z toho důvodu není třeba, aby stroj dosahoval vysokého dostupu, doletu a vysoké obratnosti. Na druhé straně musí dosahovat slušné dynamiky, aby si pilot mohl vychutnat sportovní zážitek z volného letu. Proto jsem s ohledem na tyto skutečnosti navrhl tyto provozní parametry. Maximální rychlost 300Km/hod. Maximální dostup 6000m nad hladinou moře. Maximální dovolený provozní násobek +4 G, -2 G Užitečná hmotnost je stanovena na 150 Kg. Tyto provozní parametry zajistí vysokou dynamiku letu při rozumných nárocích na zkušenost pilota. 27

E r g o n o m i e 3 Ergonomie U moderních průmyslových výrobků je nezbytné, zohlednit v konstrukci veškeré ergonomické parametry. Přístup konstruktérů k problematice ergonomie se za poslední desetiletí rapidně změnil. Stroje jsou konstruovány tak, aby měly při návrhu potřeby člověka přednost, před konstrukčními celky, které se musí přizpůsobit jeho potřebám. Na prvním místě je člověk a technika se mu musí přizpůsobit za každých okolností, nikdy ne naopak. Tento princip je nejvíce viditelný u návrhů veškerých dopravních prostředků. U těchto konstrukcí se ergonomická hlediska zahrnují do konstrukce již v prvních fázích vývoje stroje. Zvláště u leteckých konstrukcí má správně navržená ergonomie zásadní vliv na bezpečnost. Vhodně ergonomicky navržený stroj není jen o pohodlí pilota a snadném řízení. Celkové řešení ergonomie má velmi vysoký podíl na aktivní bezpečnosti posádky letounu. Pokud má pilot optimální výhled a správně umístěné pilotní místo, má mnohem lepší přehled nad aktuální polohou stroje a mnohem přesněji ho může navádět na zvolené místo. U vrtulníku je správná orientace pilota v prostoru nesmírně důležitá, protože vrtulník se může pohybovat všemi směry v prostoru a pilot musí mít možnost v každém letovém režimu přesně určit svojí polohu. 29

E r g o n o m i e 3.1. Výhled Na pilotní prostor ve vrtulníku jsou kladeny specifické nároky. Vrtulník má hlavní výhodu oproti klasickým plošníkům v tom, že může viset na místě a operovat v nízkých letových hladinách. Tomuto letovému režimu také musí odpovídat koncepce a uspořádání kokpitu. Aby pilot mohl udržet vrtulník v nízké letové hladině stabilně, musí se dobře orientovat kde a v jaké poloze se pohybuje v prostoru. K tomu musí mít nějaké orientační body, na které musí mít výborný výhled. V praxi se pilot orientuje podle krajiny a terénu pod vrtulníkem. Proto musí být kabina pilotního prostoru značně prosklená a pilotovi musí zaručit vynikající výhled. U mého stroje jsem optimální výhled vyřešil rozměrným překrytem kabiny, který je odklopný směrem vzhůru. Podlaha je pevná a tvoří nosnou část pilotního prostoru. Nejsou v ní sice umístěny průhledy, ale samotná pilotní gondola je velice úzká a tvarována tak, že pilotovi umožňuje kvalitní rozhled všemi směry, bez zvýšené námahy. Boční část překrytu je navíc tvarována tak, že pilot po otočí hlavy má částečný výhled i směrem vzad. obr. 3.1 Výhledové úhly a zorná pole 30

E r g o n o m i e 3.2. Ovladače Vrtulník se může pohybovat libovolně v prostoru všemi směry. Tato jeho výhoda se negativně projevuje při řízení. To je v porovnání s řízením klasického plošníku poměrně náročnější na pilotáž a pilot musí být neustále ve střehu a korigovat správný směr pohybu. U plošníku je řízení jednodušší v tom smyslu, že se pohybuje stále vpřed a pilot řídí pouze směr, rychlost a správnou výšku letu. Kdežto vrtulník je už ze svého principu velice nestabilní. Při letu má snahu se podle úhlu a nastavení kolektivního řízení rotorové hlavy stáčet kolem svislé osy a mění tím i svůj náklon. Toto vše musí pilot korigovat správnými zásahy do řízení a přitom dodržovat kurz, rychlost a výšku letu. Moderní konstrukce rotorové hlavy a piezoelektrické gyroskopy ve spojení s moderními řídícími systémy již pilotáž značně usnadňují, avšak na pilota jsou kladeny stále velké nároky. Pro řízení vrtulníku má pilot v kokpitu čtyři základní ovládací prvky. Klonění, klopení, nastavení úhlu kolektivu a natáčení stroje kolem svislé osy. Klonění a klopení vrtulníku se ovládá pomocí hlavního kniplu, který je umístěn tak, aby jej mohl pilot ovládat pravou rukou. V mém případě je použito elektroimpulsního řízení a díky tomu je možné jako ovladač použít malý joystick, který je umístěn po pravé straně kokpitu na malé boční konzole, která je stavitelná podle potřeby pilota a je o ni možné pohodlně opřít předloktí ruky. Tím má pilot zaručen snadný dosah na tento ovladač a vysoký komfort při ovládání. Zpětná vazba ovladače je řešena pomocí vibračních členů v ovladači. To zaručí pilotovi citlivou zpětnou vazbu na odezvy v řízení a poskytuje vysokou přesnost a cit při řízení i během prudkých zásahů do řízení. Pohybem kniplu vpřed, či vzad ovládá pilot klopení. Klonění je ovládáno pohybem kniplu na strany. Natáčení stroje kolem svislé osy, se ovládá nožním řízením. To je realizováno pomocí dvojice spřažených pedálů a je opět řešeno jako elektroimpulsní. Sešlápnutím pravého pedálu se stroj začne otáčet podél svislé osy na pravou stranu, při sešlápnutí levého naopak. Nožní řízení je nutné ovládat velice citlivě. Úhel nastavení kolektivního řízení se ovládá pákou, kterou má pilot umístěnou na levé straně u hrany sedáku a ovládá jej levou rukou. Ovládáním kolektivu se řídí stoupání a klesání stroje. Se změnou úhlu náběhu kolektivu se také rovnoměrně musí otvírat přípusť motoru, jinak by poklesly otáčky hlavního rotoru, stroj by se stal neovladatelným a zřítil by se k zemi. O přípusť motoru se ovšem pilot starat nemusí. V letu toto řídí integrovaný řídící systém, který se stará o dodržení konstantních otáček rotoru a pilot si pouze pomocí letových předvoleb nastaví otáčky rotoru a citlivost řízení. Toto je možné pouze u elektroimpulsního řízení s vyspělou letovou avionikou. Tyto moderní řídící systémy pilotovi velice usnadní práci a ten si může pohodlně vychutnávat samotný let stroje. 31

E r g o n o m i e Nastavení palubního počítače a přepínání letových předvoleb je umístěno na pravé konzole, na které je i ovladač klonění a klopení. Pro tento účel je na ni umístěn multifunkční dotykový ovladač, kterým se provádí veškeré letové nestavení. Přepínání základních letových předvolen a nejnutnější přepínače jsou umístěny přímo na ovládacím joysticku. Tím má pilot zaručeno snadné ovládání všech systémů, aniž by musel přemisťovat ruce z ovladačů a hledat přepínače a jiné ovládací systémy. obr. 3.2 Rozmístění ovladačů v pilotní kabině 32

E r g o n o m i e 3.3. Sdělovače Standardně se sdělovače umisťují na přístrojové desky, které jsou umístěny v přední části kokpitu. Samotné sdělovače, jsou většinou standardní analogové ručičkové přístroje. V dnešní době je však stále častěji nahrazují multifunkční velkoplošné panely z tekutých krystalů. U nejmodernějších strojů, hlavně vojenských se v kokpitu používají i průhledové štítky a speciální brýle. Na ty se v letu promítají veškeré nutné letové informace. Toto má významný vliv na přehlednost a snadnou ovladatelnost veškerých letových systémů. Pilot má díky tomu veškeré informace potřebné v aktuální letové fázi stále ve svém zorném poli a nemusí se rozptylovat při hledání konkrétních letových údajů. Já jsem se rozhodl jít touto moderní cestou a kabinu jsem vybavil speciálním projekčním systémem, který by zobrazoval letové parametry přímo na čirém překrytu kabiny. Tyto údaje jsou zobrazovány tak, aby je měl pilot stále ve svém optimálním zorném poli. obr. 3.3 Standartní přístrojové vybavení kokpitu moderního vrtulníku [10] 33

E r g o n o m i e 3.4. Hluk Hlučnost vrtulníků je v dnešním leteckém provozu velice hlídaným a důležitým údajem. V první řadě to je hlučnost v kabině. Omezení této hlučnosti je velice důležité pro pohodu posádky a má veliký vliv na schopnosti soustředění a celkovou únavu pilota. Dlouhodobé působení zvýšené hlučnosti má na člověka velice neblahý vliv a může způsobit i fyzické potíže. Z tohoto důvodu se posádky vrtulníků musí proti tomuto hluku účinně chránit. Konstruktéři se samozřejmě snaží tento hluk minimalizovat, ale přesto musí členové posádky používat ochranné sluchátka s integrovaným komunikátorem. Díky tomu nejsou členové posádky nadměrně zatěžováni hlukem a mohou spolu bezpečně a jasně komunikovat. 3.4.1. Hluk v interiéru Zvýšená hlučnost v interiéru vrtulníku je prostě fakt, se kterým se musíme smířit. Inženýři se snaží tuto hlukovou zátěž alespoň částečně eliminovat. Největším zdrojem hluku, který se šíří dovnitř stroje je pohonná jednotka a reduktory. Jejich hluk se dá minimalizovat promyšlenou konstrukcí samotného trupu a správným umístěním těchto komponent. Důležitá je také kvalitní protihluková izolace pláště stroje. Ta má za cíl odstínit jak hluk od pohonu, tak aerodynamický hluk způsobený obtékáním trupu vzduchem a hluk indukovaný na hlavním rotoru. Řešení hlukové izolace a principy jeho minimalizace jsou samozřejmě rozdílné u různých druhů strojů. Malé a střední stroje určené pro přepravu osob toto řeší velice důsledně, kdežto transportní stroje se snaží maximálně odhlučnit pouze pilotní prostor. U některých typů, hlavně dvourotorových se umísťují pohonné jednotky mimo trup a tím se minimalizuje přenos hluku do nákladového prostoru a prostoru pro posádku. Toto je velice účinné řešení, bohužel je realizovatelné pouze u některých typů konstrukčních schémat. 3.4.2. Hlukové emise stroje do exteriéru Druhým velkým problémem je hluk, který působí samotný stroj v provozu a tím zatěžuje veškeré okolí kde je provozován zvýšenou hlučností. To je dnes velice významný problém, protože se vrtulníky pohybují nad obydlenými územími v malé výšce. Největším zdrojem hlukových emisí v konstrukci vrtulníku je hlavní nosný rotor. Je sice konstruovaný tak, aby při žádném letovém režimu nedosáhla rychlost žádného listu rotoru rychlosti vyšší, než 0.7 M (M- Machovo číslo, označuje konstantu rychlosti zvuku), přesto na něm vznikají problémy s laminárním prouděním kolem rotorových listů a vzniklé turbulentní proudění a odtrhávající se proudnice od povrchu profilu rotorových listů jsou zdrojem silných hlukových emisí. Vzniku tohoto hluku je velice těžké se zbavit a dokonale utlumit nosný rotor je nemožné. Přesto se tomuto problému inženýři věnují a navrhují rotory tak, 34

E r g o n o m i e aby eliminovaly veškeré turbulentní proudění. To je však vzhledem k jeho pracovnímu režimu velice obtížný úkol. Každý rotorový list během jedné otáčky mění vlivem kolektivního řízení úhlu náběhu listů pravidelně svůj úhel náběhu, při tom dále dochází k jeho mávání a kývání v závěsech. Tyto pohyby jsou tlumeny a mají za úkol udržet relativní rychlost pohybu listu a tím udržet konstantní vztlak vyvozený listem v průběhu celé otáčky rotoru při dopředném letu, což je velice nesnadné. Proto list v průběhu otáčení velice rychle mění svoje aerodynamické parametry. To působí velkými silami na samotný rotorový list. Ten je tak zatěžován velkými silami a dochází na něm k jisté elasticitě a tím se opět mění jeho aerodynamické vlastnosti. Z toho vyplývá, že je list zatěžován velmi nerovnoměrně a optimalizovat jeho tvar a profil pro veškeré letové zatížení je velice nesnadný úkol. Vždy dochází k určitému kompromisu a díky tomu není proudění na takto konstruovaném rotorovém listu optimální. Z toho plyne, že aerodynamického hluku se dokonale zbavit nelze. Pro tyto neoptimalizované režimy je charakteristický dunivý zvuk nosného rotor, který se vyskytuje hlavně při rychlých změnách úhlu náběhu listů. Další zvuk, který se vyskytuje na nosných rotorech je typické svištění. Tento zvuk je způsoben z převážné části výrazným turbulentním prouděním na konci rotorového listu. Na tomto volném konci se vyrovnává tlak mezi spodní a horní stranou rotorového listu a to způsobuje vznik víru. Ten je zdrojem silného indukovaného odporu a turbulentního proudění, což je doprovázeno charakteristickým zvukem. Z hlediska konstrukce se toto řeší úpravou koncového profilu. Ten je vybaven speciálně tvarovaným zakončením. Toto řešení je však velice výrobně náročné. Je to stejný problém, který se řeší u letadel pomocí takzvaných Wingletů. Winglety jsou vlastně speciálně tvarované zakončovaní koncové části křídel. Další cestou jak minimalizovat hlukové emise hlavního rotoru je snížit rychlost otáčení rotoru. To má však za následek snížení vztlaku, který je rotor schopen vyvinou. Toto se dále musí řešit tím, že se použije vícelistý rotor. V praxi to jsou převážně tří, čtyř a pětilisté rotory. Ale i toto má své omezení, protože jednotlivé listy se vzájemně negativně ovlivňují. Za každým listem vzniká takzvaný úplav. Jsou to vlastně malé vzdušné víry. A pokud je druhý postupující list zasažen tímto prouděním, tak jsou narušeny jeho aerodynamické vlastnosti. Proto nelze postavit stroj s devítilistým, nebo i víceletým rotorem. Toto je dáno takzvaným výpočtem plnosti nosného rotoru. Tento výpočet zohledňuje maximální počet listů v jednom rotoru. I přes různé konstrukční potíže, jsou v konečném důsledku vícelisté rotory tišší a efektivnější než rotory dvoulisté. Jiným zdrojem hluku je ocasní vyrovnávací rotor. Pokud jde o jednoduché listové vyrovnávací rotory, je problematika obdobná jako u hlavních rotorů. Jsou ale používány i jiné způsoby jak vyrovnávat reakční moment od nosného rotoru. Z hlediska emisí hluku je nejtišší vyrovnávací rotor žádný vyrovnávací rotor. Toto byl jeden z aspektů, které mě vedli k využití dvourotorového koaxiálního nosného systému. Ten se skládá ze dvou protiběžných rotorů, které jsou umístěny na stejné ose otáčení a díky tomu se kompenzují jejich reakční momenty. Proto zde 35

E r g o n o m i e není třeba ocasní vyrovnávací rotor. Takto koncipovaný nosný systém by měl být teoreticky ještě hlučnější, vzhledem k tomu, že dochází ke zdvojení nosného rotoru. To ovšem v praxi neplatí, protože dva rotory pro dosažení potřebného vztlaku pro let je možné provozovat při nižších otáčkách. Při snížení provozních otáček nosného systému dochází k rapidnímu snížení parazitních hlukových emisí a navíc ke zvýšení účinnosti takového nosného rotoru. Toto byly důvody, které mě vedly k využití dvourotorového koaxiálního nosného systému se třemi listy pro každý rotor. Posledním velkým zdrojem hluku, který se výrazně šíří do okolí vrtulníku je jeho pohonná jednotka. Ta je vždy složena z vlastního motoru, reduktoru a transmise. Transmise a reduktory samotné mnoho hluku nevytvoří. Největším zdrojem hlukové zátěže je tedy samotný motor. Ve vrtulnících se používají dva základní typy spalovacích motorů. Prvním je pístový spalovací motor. Ten se montuje do malých strojů a tomu také odpovídá koncepce jeho uložení a konstrukční řešení jeho utlumení. Zpravidla se jedná o vzduchem chlazené přeplňované vysokootáčkové agregáty. Výfuková soustava je naladěna na maximální možný výkon, tomu také odpovídá velice vysoká hlučnost. Již z principu pístový motor vytváří poměrně značné vibrace, které jsou dále přenášeny do konstrukce stroje a způsobují vibrace některých dílů draku vrtulníku, tím pádem i další hlukovou zátěž. Navíc jsou tyto pohonné jednotky uloženy pouze částečně zakapotované, což má v konečném důsledku za výsledek poměrně vysoké hlukové emise celého systému. Druhým a v dnešní době nejpoužívanějším agregátem je spalovací turbohřídelová pohonná jednotka. Ta má oproti pístovým motorům mnohem lepší výkonové a hmotnostní parametry. Dále má pro vrtulník i mnohem přijatelnější průběh výkonu a točivého momentu v závislosti na režimu provozních otáček. Navíc turbínový pohon nevytváří téměř žádné vibrace, které by se mohly přenášet do konstrukce a způsobovat její únavové namáhání. Díky tomu se hlukové emise vlivem vibrací od pohonné jednotky redukují na minimum. Téměř jediným, ale o to výraznějším zdrojem hluku je v tomto případě výstupní tryska výfukového potrubí. Protéká jím vysokou rychlostí velké množství horkého plynu ven ze spalovací komory. Tyto plyny je nutné vhodným tvarem výstupní trysky nasměrovat tak, aby se rovnoměrně mísily s okolním vzduchem, ochlazovaly se a rovnoměrně rozptylovaly do okolního prostředí. Charakteristickým zvukem turbohřídelového pohonu je výrazný svistot vytékajících plynů z turíny. Tento zvuk není nikterak intenzivní a pro lidské ucho mnohem příjemnější, než zvuk pístového motoru. Navíc je výrazně přehlušen zvukem hlavního rotoru. Díky technickým výhodám použití turbohřídelového motoru jsem o použití pístového spalovacího motoru ani neuvažoval a pro pohon vrtulníku rovnou použil Turbohřídelový pohon. 36

E r g o n o m i e Na celkové hlučnosti každého stroje má přesto největší vliv hlavní nosný rotor. Navíc se v závislosti na letovém režimu hluková zátěž poměrně razantně mění. Nejnižší hlučnosti dosahují obvykle tyto stroje při plynulém dopředném letu cestovní rychlostí. Naproti tomu nejhlučnější je prudké manévrování stroje těsně nad zemí. Pro tento režim jsou charakteristické prudké zvukové rázy, které vznikají při odtržení proudnic podél rotorového listu Hluku se u vrtulníku nezbavíme nikdy, ale vhodnou optimalizací a pečlivým výběrem konstrukčních schémat jej lze minimalizovat na přijatelnou hladinu. Toto je zejména u sportovního létání velice důležité, protože sportovní letiště se nachází často v těsné blízkosti obydlených oblastí a zvýšená hlučnost na těchto letištích se mnohdy stává důvodem, pro jejich odsun, v horších případech pro jejich úplné rušení. obr. 3.4 Posádka vrtulníku musí používat ochranná sluchátka a komunikátory [10] 37

E r g o n o m i e 3.5. Nástup a sezení Nástup do mého vrtulníku jsem vyřešil rozměrným vzhůru odklopným lexanovým překrytem pilotního prostoru. Ten je zavěšen na speciálním otvíracím mechanismu, který mu zaručí velký úhel otevření. Celý pilotní prostor je navíc položen nízko nad zemí, takže nástup je velice snadný. Jedinou překážku při nástupu tvoří otvírací mechanismus překrytu. Tento by mohl při neopatrném nástupu kolidovat s hlavou nastupující osoby. Z tohoto důvodu je sedadlo pilota uloženo na elektricky řízeném mechanickém pojezdu, který umožňuje vyjetí sedadla do přední části kokpitu a po usednutí pilota se vrátí na své místo do zadní části kabiny. Pro výstup pilota probíhá stejný proces. Sedačka pilota je kompletně nastavitelná a disponuje širokým rozmezím nastavení sedáku a opěrky. Díky tomu se kokpit pilota dá přizpůsobit na míru jakémukoliv jedinci. Do kabiny se bez problémů vejde i osoba 195 cm vysoká. To zajišťuje pilotovi vysoký komfort sezení. Sedačka je dále vybavena speciálním bočním vedením těla, které zajistí pevný posez pilota a kvalitní vedení těla i při dynamickém letu v prudkých obratech. Opěrák je dále vybaven bezpečnostní výztuhou kolem hlavy pilota. To v případě nehody zabrání těžkým poraněním hlavy a páteře. obr. 3.5 Pilot sedící v kokpitu stroje, překryt kabiny je otevřen. 38

E r g o n o m i e Pohled boční: otevřený kokpit obr. 3.6 Rozměry nástupního prostoru M 1:35 39

E r g o n o m i e 3.6. Záchranný systém stroje Ultralehké letouny jsou velice často vybaveny padákovým záchranným systémem. Toto ovšem neplatí pro ultralehké vrtulníky. Proto jsem se rozhodl do mého vrtulníku navrhnout záchranný systém. U vrtulníku je problém s nosným rotorem. Dokud se točí listy nosného rotoru, není možné vystřelit záchranný padák, ani opustit kokpit stroje. Proto jsem se rozhodl vybavit tento svůj vrtulník záchranným systémem, který v případě fatálního selhání stroje oddělí celou rotorovou věž od zbytku stroje a vystřelí záchranný padák. Toto torzo vrtulníku by poté bezpečně přistálo na záchranném padáku. Pro oddělení rotoru od zbytku konstrukce je použita malá nálož, která ustřihne kotvící šrouby rotorové věže. Po té se vztlakem, který rotor vyvozuje celá rotorová věž vysune z konstrukce trupu a oddělí. Tento záchranný systém by byl ovšem poslední možností, jak vyřešit krizovou situaci a je to opravdu krajně nouzové řešení. Při obyčejném vysazení pohonné jednotky je tento vrtulník schopen bezpečně přistát autorotací. 3.7. Transport Vrtulník jsem navrhl s ohledem na minimální rozměry stroje a jeho snadnou přepravu. Jeho rozměry jsou takové, že jej lze bez problému transportovat na přívěsném vozíku za osobním automobilem. 3.8. Celkové působení stroje na okolí Celkový účinek provozu vrtulníku na své okolí je tedy závislý na celé řadě konstrukční řešení a technologické úrovni stroje. Navíc je velice důležitý letový režim, ve kterém se právě stroj nachází. Design stroje a ergonomické řešení je opět poplatné momentální technické úrovni a teoretickým znalostem z oblasti aerodynamiky, metalurgie a ostatních technických oborů. Vrtulník je v dnešní době velice komplikovaný a náročný stroj, na kterém se používají nejmodernější konstrukční řešení. Výsledný vzhled je optimalizovaným kompromisem všech jeho částí a v konečném důsledku tvoří v ideálním případě dokonalou harmonii formy a funkce. 40

E r g o n o m i e 41

D e s i g n 4 Designérský vývoj Obecně lze napsat, že design všech létajících strojů je poplatný míře technické vyspělosti konstrukce těchto strojů. U všech letounů je vzhled primárně podřízen funkci. Jako druhé hlavní hledisko je technologie výroby stroje a dosažené znalosti v teorii letu a konstrukci. Vrtulník není výjimka, je to létající stroj a jako takový je optimalizován pro dosažení maximální užitné hodnoty pro daný režim provozu. Základní tvarování těchto strojů je řešeno tak, aby stroj mohl plnit svojí předpokládanou funkci, (většinou transportní) a při tom dosahoval minimálních nároků na údržbu a spotřebu pohonných hmot, při zachování rozumných výrobních i provozních nákladů. 43

D e s i g n 4.1. Konstrukční schémata a design vrtulníků První stroje byly sestrojeny tak, aby byly schopné se vůbec udržet ve vzduchu s lidskou osádkou. Tomu také odpovídá jejich vzhled. Zastáncem této generace je například Sikorského první sériový tip vrtulníku. Stroje této koncepce se pro jednoduchou a levnou konstrukci v lehce pozměněné podobě udržely dodnes. Takové konstrukční schéma je využíváno hlavně u ultralehkých strojů, kde má minimalizace výrobních nákladů a použití pístové pohonné jednotky své opodstatnění. Tyto stroje se vyznačují hlavně jednoduchým přímo řízeným dvoulistým rotorem, který je poháněn pístovým spalovacím motorem. Základní nosná konstrukce stroje je vytvořena z jednoduché prutové konstrukce, která je svařena z ocelových trubek. Vyrovnávací rotor je uložen na rameni, které je opět řešeno jako jednoduchá příhradovina z ocelových trubek. Gondola pro pilota je asi jediný prvek, na který lze uplatnit nějakou tvůrčí invenci ve smyslu designu. Sikorski toto moc neřešil a použil na kapotáž pilotní gondoly podobné řešení, jaké se užívalo na klasických letounech s pevnou nosnou plochou. obr. 4.1 Vrtulník Sikorsky VS 300 - Sikorského první úspěšný typ vrtulníku z roku 1939 [1] 44

D e s i g n Důležitým zlomem ve vývoji designu vrtulníku, bylo použití samonosné skořepinové a poloskořepinové konstrukce. Tato konstrukce umožňuje lépe tvarovat samotný plášť vrtulníku. Díky tomu z konstrukce nevystupují různé prutové konstrukce, které zvyšují odpor vzduchu. Plášť je možno plynule navázat na nosník ocasního rotoru a tím důsledně potlačit aerodynamický odpor a nežádoucí turbulentní proudění podél konstrukce. Samonosné skořepiny již mají kokpit plynule integrován do zbytku trupu. Tato konstrukce využívá nosného potahu, proto jsou hlavně v nákladovém prostoru použity menší okna, než by bylo možné u prutové konstrukce. Tuto nevýhodu částečně odstraňují až moderní kompozitní materiály, které umožnily bohaté prosklení trupu vrtulníku bez vzniku nebezpečné koncentrace napětí poblíž těchto vrubů a s tím způsobené vyšší hmotnosti celého stroje. Pro dosažení lepších letových výkonů jsou některé stroje vybaveny malými křídly, které při určité dopředné rychlosti zvyšují vztlak celého systému, tudíž umožní větší dostup i provozní zatížení. S tím souvisí i případná úspora paliva. Na tyto křídla je možné podvěsit i další náklad, v případě vojenských strojů to jsou zbraňové systémy. obr. 4.2 Vrtulník celokovové skořepinové konstrukce s křídelními závěsníky [12 ] 45

D e s i g n Další důležitá věc, která se projeví na celkovém vzhledu bude použitá pohonná jednotka. Dnes se ve velké většině používají turbohřídelové pohonné jednotky, které mají oproti pístovým spalovacím motorům velké výhody, viz. Technická analýza. Na vzhledu stroje se turbohřídelová pohonná jednotka pozná podle výrazných nasávacích otvorů a velkého výfukového potrubí. Sací kanály i výfukové potrubí je zpravidla umístěno na horní straně stroje blízko hlavního rotoru. obr. 4.3 Ultralehký vrtulník Helicycle poháněný spalovací turbínou [5] Naproti tomu pístové spalovací pohonné jednotky jsou použity jen u menších vrtulníku a u strojů spadající do kategorie ultralehkých vrtulníků. Pístové motory jsou v těchto strojích uloženy v zadní části trupové gondoly, většinou pod nosníkem vyrovnávacího rotoru. Tyto pohonné jednotky vyžadují přístup velkého množství chladícího vzduchu pro motor a ostatní systémy. Toto se také projevuje na kapotáži, která má v zadní části množství průduchů a ventilačních otvorů. 46

D e s i g n obr. 4.4 Ultralehký vrtulník Kompress poháněný pístovým spalovacím motorem [10] Jeden z nejvýraznějších optických prvků, které ovlivňují celkový vzhled vrtulníku je nosník vyrovnávacího rotoru a samotný vyrovnávací rotor. Pro konstrukce nosníků vyrovnávacího rotoru se používají většinou dvě hlavní skupiny konstrukčních schémat. První a nejstarší je klasická prutová konstrukce bez tuhého potahu. Z estetického i technického hlediska to není nejvhodnější řešení. Tato konstrukce způsobuje silné turbulentní proudění, tudíž zvyšuje výkonové ztráty celého systému. Navíc konstrukce transmise ocasního rotoru není krytá, což se negativně projevuje na její životnosti. Jedinou výhodou tohoto uspořádání je snadná údržba a nízké výrobní náklady. Toto řešení se používá převážně u starších konstrukcí na strojích nižší hmotnostní kategorie. Nejjednodušší konstrukce nosníku vyrovnávacího rotoru se používá u ultralehkých vrtulníků. U těchto strojů je celá tato konstrukce redukována do jediného nosníku, který je tvořen tenkostěnnou trubkou z vysokopevnostní hliníkové slitiny. Je to velice funkční, jednoduché a estetické řešení. Kvůli pevnostním charakteristikám je však použitelné pouze u malých a lehkých strojů. Toto řešení se mi zdá jako nejelegantnější. 47

D e s i g n Na tyto typy nosníků se montují pouze jednoduché vyrovnávací rotory, které jsou obdobné konstrukce jako hlavní nosný rotor. Jsou převážně dvoulisté a maximálně jednoduché s přímým řízením úhlu náběhu. V dnešní době nejpoužívanější konstrukce nosníku vyrovnávacího rotoru je skořepinová a poloskořepinová samonosná konstrukce. Toto konstrukční řešení umožňuje důmyslné a propracované tvarové řešení při zachování všech pevnostních výhod tohoto konstrukčního schématu. Takto řešený nosník vyrovnávacího rotoru umožňuje použití plynulého přechodu mezi samotným trupem a nosníkem. Do tohoto nosníku jsou integrovány veškeré transmise a systémy řízení vyrovnávacího rotoru, čímž je aerodynamicky velmi čistý, tudíž dosahuje výborné aerodynamické a pevnostní charakteristiky. Jeho nevýhodou je složitá konstrukce a nákladná výroba. Na skořepinové konstrukce ocasního rotoru se montují veškeré typy vyrovnávacích rotorů. Těmi jsou nejčastěji klasické dvoulisté, někdy i vícelisté rotory podobné konstrukce jako se užívá na hlavním rotoru. Asi nejelegantnější je použití vyrovnávacího fenestoru. Tato konstrukce je po vzhledové stránce nejzdařilejší. Kombinuje v sobě funkci vyrovnávacího rotoru a směrové aerodynamické stabilizační plochy. Je to velice kompaktní a elegantní celek. obr. 4.5 Použití fenestoru k vyrovnávání reakčního momentu od rotoru [12] 48

D e s i g n Další velice progresivní metodou jak vyrovnávat reakční moment od hlavního rotoru je použití vektorovatelné trysky. Tato tryska využívá zbytkový tah turbohřídelové pohonné jednotky. Za výstupní tryskou je prodlouženo výfukové potrubí až na konec ocasního nosníku, kde je umístěna tryska s vektorovatelným tahem. Toto řešení vyniká výbornou energetickou bilancí celého pohonného systému. Pro toto řešení je typické, že ocasní nosník je poměrně vysoko uložen a má větší průřez, který se s délkou nemění. Je to zatím nejefektnější řešení. Má ovšem i několik nevýhod. Tento systém má určité problémy při jemném řízení výkyvu ocasu, nebo při bočním letu vyšší rychlostí. obr. 4.6 Použití vektorovatelné trysky k vyrovnávání reakčního momentu od rotoru [10] Na ocasní nosníky se u všech vrtulníků u kterých se předpokládá let vyšší dopřednou rychlostí instalují aerodynamické stabilizační plochy. Plní stejnou funkci, jako stabilizační plochy u klasických letounů s pevnou nosnou plochou. Při vysoké rychlosti tyto plochy vrtulník stabilizují natolik, že již není třeba vyrovnávat zbylé momenty ocasním rotorem. 49

D e s i g n Dalším výrazným prvkem v konstrukci helikoptér je přistávací zařízení. Nejvýraznější jsou stroje s přistávacími lyžinami. Je to nejflexibilnější řešení, i když stěžuje pohyb vrtulníku po ploše. Navíc má také vyšší aerodynamický odpor. Tento druh přistávacího zařízení se užívá především u malých a středně velkých strojů. Druhým typem přistávacího zařízení je kolový podvozek. Ten je montován do všech typů strojů. Velké a těžké stroje jsou jím vybaveny téměř všechny. Stroj vybavený kolovým podvozkem může snadno manévrovat po ploše a pokud je použit podvozek zatahovací, má tato konstrukce i nižší aerodynamický odpor. Já osobně tento typ podvozku upřednostňuji před lyžinami. Je v celkové koncepci mnohem elegantnější a neruší celkový vzhled stroje. Jeden z velice zajímavých technických detailů v konstrukci vrtulníků jsou externí závěsná zařízení. Ty plní v základu dvě hlavní funkce. První a primární funkcí je vytvoření závěsu pro externí přídavné zařízení. V praxi to jsou většinou zbraňové systémy pro konvenční zbraňové systémy, nebo systémy pro elektronický boj. Někdy se na tyto nosníky zavěšují také malé kontejnery pro transport menších a lehčích předmětů. Tyto nosníky mají značný aerodynamický odpor, proto jsou navrženy tak,aby při dopředném letu vyvozovaly užitečný vztlak. Tím se jednak zvýší celková efektivní nosnost stroje a maximální dostup při zatížení. Navíc při menším zatížení stroje, tyto nosníky přispívají k celkové hospodárnosti letu. Tyto nosníky jsou vlastně malá křídla a plní i stejnou funkci. obr. 4.7 Kolový podvozek a křídelní závěsníky použité na vojenském vrtulníku [10] 50

D e s i g n 4.2. Cíle projektu Mým cílem bylo navrhnout netradiční ultralehký vrtulník a využít při tom veškerých dnes dostupných moderních materiálů a konstrukčních řešení. Navrhnout netradiční létající stroj je velice obtížný úkol a dostávají se při tom do přímého konfliktu technologické, technické a designérské požadavky. Mým úkolem je skloubit všechny tyto technické a estetické požadavky tak, aby v konečném výsledku vznikl stroj, který bude celkově vyvážený a bude z něj čitelná souhra funkce s formou. Nejdůležitější bylo zvolit správné konstrukční uspořádání stroje tak, aby odpovídalo všem parametrům, které jsem si od tohoto projektu sliboval. Po nastudování technických podkladů a zvážení všech výhod a nevýhod různých koncepcí, jsem dospěl k závěru, že mým požadavkům nejlépe vyhovuje koncepce ultralehkého stroje s koaxiálním nosným rotorem. obr. 4.8 Vrtulník Hiller s koaxiálním nosným rotorem, ze kterého jsem při návrhu vycházel [8] 51

D e s i g n 4.3. Základní tvarování stroje a první návrhy Poté, co jsem si ujasnil hlavní koncepci stroje, jsem se pustil do návrhu možného tvarového řešení. Mým cílem bylo navrhnout velice kompaktní, tvarově zajímavý a neotřelý stroj. Celkový design stroje musí vystihovat dynamický charakter celé koncepce. Základním tělesem, ze kterého jsem vycházel byl vejčitý tvar, který je velice elegantní a plně koresponduje s účelem stroje. Je to aerodynamicky velice čisté těleso, které navozuje dynamický pocit a má optimální mechanické i aerodynamické vlastnosti. Samotnému návrhu diplomového projektu předcházel projekt předdiplomový. Na tomto projektu jsem se pokusil nastínit hlavní myšlenku a konstrukční uspořádání, kterému jsem se chtěl dále věnovat a rozvinout jej na projektu diplomovém. obr. 4.9 Předdiplomový projekt - vize ultralehké helikoptéry poháněné elektormotorem 52

D e s i g n obr. 4.10 Předdiplomový projekt - vize ultralehké helikoptéry poháněné elektormotorem 53

D e s i g n 4.4. Návrh tvarování Po ujasnění základní koncepce, jsem začal skicovat první návrhy, na kterých jsem se snažil řešit celkové sladění tvarování s nutným technickým osazením stroje. Testoval jsem různé koncepce rozmístění nosných rotorů, umístění pilotní kabiny a přistávacího zařízení. obr. 4.11 Předdiplomový projekt - Tvarové studie ultralehké helikoptéry 54

D e s i g n Z těchto skic nakonec vykrystalizovala velice jednoduchá a čistá tvarová forma, které jsem využil při návrhu předdiplomového projektu. Tato koncepce je očištěna od veškerých vystupujících částí a snaží si udržet velice čisté linie. Z eliptického tvaru centrální gondoly vystupuje pouze rotorová věž, která má kapotovanou mechaniku rotorové hlavy tak, aby bylo dosaženo co možná maximální čistoty tvarování. Přistávací zařízení je tvořeno zatahovacím kolovým podvozkem, který opět podtrhuje maximální tvarovou a aerodynamickou čistotu stroje. obr. 4.12 Předdiplomový projekt - Tvarové studie ultralehké helikoptéry Na tomto projektu jsme si ovšem uvědomil určitá technická úskalí tohoto řešení. U mého předdiplomového projektu jsem narazil na několik konstrukčních celků, které by za určitých okolností mohly způsobovat potíže technického a ergonomického charakteru. Proto jsem se rozhodl uspořádání stroje pro diplomový projekt podle těchto poznatků upravit. 55

D e s i g n Tvar centrální gondoly s pilotní kabinou jsem ponechal téměř beze změn, ovšem tento celek jsem ustavil do částečně vzpřímené polohy tak, abych dosáhl vyššího uložení nosného rotoru, tím se takto uložený nosný rotor stal bezpečnější pro pozemní obsluhu stroje. Abych zajistil potřebnou stabilitu takto postaveného stroje, vybavil jsem trupovou gondolu stabilizačními křídly, které jednak stabilizují vrtulník v dopředném letu a po přistání fungují jako součást přistávacího zařízení. Do konců těchto stabilizátorů jsem integroval polozapuštěný kolový podvozek. Třetí kolo se nachází v přední části trupové gondoly. Další velkou úpravou, bylo nahrazení kapotované věže nosného rotoru klasickou otevřenou konstrukcí rotorové hlavy, které je v praxi již běžně používána. Díky tomu, se z čisté studie stal základ konstrukce, která by po dalším nutném vývoji a mírných úpravách byla schopna praktického použití u sériového stroje. obr. 4.13 Diplomový projekt - Tvarové studie ultralehké helikoptéry 56

D e s i g n 4.5. Barevné řešení stroje Možných variací barevného provedení je nepřeberné množství. Po delší úvaze a zvážení mnoha technologických a ergonomických hledisek, jsem došel k závěru, že pro můj projekt, bude nejvhodnější použít kombinaci dvou základních barev. Překryt pilotního prostoru jsem z mnoha důvodů použil z černě tónovaného průhledného lexanu. Tato barva se uplatní při provozu stroje v letních měsících, kdy nedojde k oslnění pilota. Zbytek konstrukce stroje je možné nalakovat dle přání zákazníka a některé prvky zvýraznit grafickým motivem. Já jsem ovšem zvolil za základní barevné schéma jednobarevné provedení. Jako základní barvu stroje jsem zvolil sytou rudou barvu. K této základní barvě jsem vybral z nepřeberného množství možných barevných kombinací pár základních. Těmi jsou bílá perleťová barva, šedo-stříbrná metalíza a jemně fialová pastelová metalická barva. Všechny tyto barvy by byly provedeny ve vysokém lesku automobilovými dvousložkovými laky. Interiér by byl v základním provedení vyhotoven v černé barvě, případně se sedačkou a doplňky v rudé barvě. obr. 4.14 Diplomový projekt - Barevné řešení ultralehké helikoptéry 57

D e s i g n obr. 4.15 Diplomový projekt - Barevné řešení ultralehké helikoptéry 58

D e s i g n obr. 4.16 Diplomový projekt - Barevné řešení ultralehké helikoptéry 59

Z á v ě r 5 Závěr Návrh konstrukce létajících strojů je značně komplikovaná záležitost. Pro úspěšné zvládnutí návrhu takové konstrukce, je třeba znalostí z mnoha oborů, ať už je to řešení aerodynamiky, výpočty a návrhy skořepinových konstrukcí, řešení pohonného ústrojí a samotného nosného systému. Toto vše není v silách jediné osoby a v reálném vývoji se na jediném projektu podílejí desítky odborníků z různých oblastí. Proto jsem použil pro základ mého vrtulníku prvky, které se již v běžném provozu vyskytují a na jejich základě jsem navrhl celkový design a konstrukční uspořádání tohoto stroje. Asi nejdiskutovanějším prvkem mé konstrukce je samotná trupová gondola, kterou jsem pojal velice netradičním způsobem a díky tomuto prvku jsem dosáhl mnou požadovaný posun v tvarování. Díky tomu jsem mému stroji vtiskl nezaměnitelný vzhled. Tato koncepce působí velmi dynamicky. Má v sobě spojovat dynamický charakter stroje, s netradičně pojatým konstrukčním uspořádáním. Tento můj návrh samozřejmě není v této fázi připraven na výrobu funkčního letounu. Jeho konstrukce by se musela upravit s ohledem na konkrétní technické řešení a dále optimalizovat pro dosažení patřičných aerodynamických charakteristik. Spíše jsem se snažil naznačit vývoj, jakým by se mohla konstrukce ultralehkých strojů ubírat v příštích letech a to vše s ohledem na konkrétní technologie, které jsou již dnes v leteckém průmyslu běžně užívány. Další fází ve vývoji mé koncepce helikoptéry by byl návrh funkčního modelu a v případě ověření dobrých letových vlastností tohoto konceptu, také vývoj plně funkčního stroje. To ovšem zdaleka přesahuje mé možnosti a pro zpracování projektu v tomto měřítku by byla nutná spolupráce kolektivu odborníků z různých technických oborů. 61

P o u ž i t á l i t e r a t u r a 6 Použitá literatura [1] Svoboda Václav; Vrtulníky; Praha; Naše Vojsko 1979. [2] Odehnal Zdenek; Vrtulníky a soudobý boj; Praha; Naše Vojsko 1959. [3] Ing. Mikulka Jan; Konstrukce Vrtulníků prozatímní skripta 1; Vojenská akademie Antonína Zápotockého 1993. [4] Ing. Mikulka Jan; Konstrukce Vrtulníků prozatímní skripta 2; Vojenská akademie Antonína Zápotockého 1993. [5] www.helicycle.com [6] www.missiles.ru [7] avia.russian.ee [8] www.hiller.org [9] www.kulikovair.com [10] www.rotor.com [11] www.aerospace-technology.com [12] www.vrtulnik.cz 63

S e z n a m p ř í l o h 7 Seznam příloh [1] Náhledy posterů (3xA4) [2] Sumarizační poster (1xA1) [3] Technický poster (1xA1) [4] Ergonomický poster (1xA1) [5] Model (měřítko: 1:8) [6] Dokumentační CD 65

Náhledy posterů

N á h l e d y p o s t e r ů