Aerovlek pro autonomní tahání kluzáků

Při provozu kluzáků na sportovních nebo rekreačních letištích jsou kluzáky/větroně dopravovány do základní výšky buď aerovlekem a nebo pozemním navijákem. Oba přístupy mají značné množství nevýhod. V případě navijáku je to jednak omezená výška, do které lze letoun dopravit a navíc je kluzák více zatížen, protože tah není v ose kolmé ke vztlaku. Navíc je tento způsob tahání poměrně rizikový a náročný na personální obsluhu.

U aerovlekového tahání je situace o něco lepší, neboť aerovlek není omezen délkou trvání a také je více variabilní. Jeho podstatnou nevýhodou je ale poměrně vysoká cena. Ta je způsobena náklady na provoz a údržbu vlečného letadla (spotřebou paliva, ale z větší části také cenou provozních hodin tažného letadla)

Cena aerovleku navíc postupně roste. Proto v dnešní době na rozdíl od minulosti prakticky vůbec nejsou tahány větroně po přistání z pole a aerovlekové převlékání mezi letišti je omezeno na nutné minimum.

Řešením většiny těchto problémů by byl automatický aerovlek. Realizovaný bezpilotním letadlem vybaveným dostatečným výkonem pro tahání kluzáku (komfortně cca 100kW a více, reálně minimálně 36kW). Skutečně potřebný výkon je ve srovnání s klasickým letadlem pro použití v aerovleku (např. Zlín) poněkud menší, neboť aerodynamika letadla může být uzpůsobena případu, že v letadle nesedí pilot. Odstranění pilota z kabiny také poměrně výrazně sníží hmotnost letadla a tím i spotřebu paliva. Zároveň je také výhodné, že aerovlekové letadlo nebude obsahovat lidskou posádku, takže je možné provádět přistávací manévr rychleji a efektivněji pro ušetření času a možnosti tažení dalšího letadla, otázkou je zde i možnost rekuperace energie. Celkově tento koncept přináší tyto výhody:

• Nižší náklady na údržbu
• Nižší provozní náklady
• Možnost zkrácení doby letu
• Odpadají problémy se startem spalovacího motoru za zvýšených teplot v létě, nebo za nízkých teplot v zimě
• Možnost startu z krátké dráhy (teoreticky i z pole po nouzovém přistání)
• Omezení inhalace zplodin posádkou ve větroni (Avgas 100LL obsahuje 0,56 g olova na litr paliva)
• Snížení hlučnosti provozu na letišti
• Snížení ekologické zátěže

V případě použití na letišti by automatický aerovlek létal většinou po předem definované trajektorii a tahal kluzák až do odpojení posádkou. Tento případ je základní funkce, následné verze automatického aerovleku by mohly zkoušet najít stoupavý proud buď některým prohledávacím algoritmem a nebo pomocí vhodného technického vybavení, jako je např. termální radar. To však vyžaduje komplikovanější technické řešení.

I zkušeným pilotům kluzáků se občas stane, že během přeletů jim přistání nevyjde až na cílové letiště. Takže řešením je buď větroň rozebrat a naložit na vlek a autem jej dopravit zpět na letiště a nebo (pokud to dovolují podmínky) použít motorové letadlo a s ním odstartovat s větroněm ve vleku.

Je zřejmé, že použití motorového letadla je podstatně pohodlnější možnost, v případě, že to místo přistání umožňuje. Tato varianta se však téměř vůbec nevyužívá. Důvodem je právě cena samostatného letu vlečného letadla.

Dále tomu může v některých případech bránit i velikost plochy, která by nebyla dostatečná pro bezpečný start obou letadel. Při aktuálně používané technologii má nejdelší rozjezd vlečné letadlo, které má podstatně horší aerodynamické vlastnosti než kluzák. Obecně parametry motorových letadel nejsou příliš optimalizovány pro vlečení kluzáků a pracovní body v letové obálce obou letadel mají v aerovleku značně odlišné parametry. Což vede mimo jiné na potřebu dlouhé rozjezdové dráhy, na zvýšenou spotřebu v důsledku neoptimálního zatížení atd. Přitom je v současné době možné navrhnout letadlo určené a svými parametry optimalizované pro použití v aerovleku. Je navíc pravděpodobné, že takto konstruované aerovlekové letadlo bude mít menší pořizovací cenu a hlavně provozní náklady, než dnes často používaný letoun Zlín s výkonem přibližně 134 kW.

Kromě sportovního využití má tento režim i možnost přepravy nákladu. Protože vlečené letadlo vůbec nemusí být letadlo s posádkou, ale může přepravovat klidně i zboží mezi logistickými uzly, kde je jiný způsob dopravy problematický.

Dalším možným způsobem využití přesného automatického letadla. Je možnost začátku aerovleku již za letu v bezpečné výšce. Tažení za letu by byla pak úplně nová aplikace bezpilotních prostředků, která není vůbec dosažitelná konvenčními letadly. V tomto případě by na místo standardního kroužku pro tažení aerovlekem byl nasazen nástavec, který by obsahoval identifikační terč a hák pro tahací lano.

Tažné lano z vlečného bezpilotního letadla by pak bylo osazeno poloautomatickým delta křídlem s řiditelnými klapkami. Takto upravené vlečné lano by umožňovalo jemnou manipulaci s vlečným okem a jeho zasazeni do háku na nástavci i během letu. Následně by kluzák mohl být znovu vlečen i bez přistání. Přídavný nástavec na vlečném zařízení navíc zvyšuje bezpečnost celého systému, neboť pilot kluzáku tak neztrácí možnost se kdykoli odpojit od vlečného letadla.

Kromě pozemní řídící stanice, která se nijak významně neliší od standardní koncepce používané u bezpilotních letadel vzniká několik specifik, která souvisí se způsobem vedení letu.

Letadlo určené pro aerovlek by naopak mělo mít speciální parametry, podobné vlečenému kluzáku ( například malá vzletová rychlost, podobná klouzavost atd.) Výhodou by byla i možnost startu z krátké dráhy (STOL). Naopak alespoň při použití na letišti není nutný dlouhý dolet a vytrvalost. Což vede na možnost použití elektrického motoru. Taková technologie navíc již i byla prakticky ověřena.

Technicky ale existuje několik dřívějších návrhů letadel, které mají pro aerovlek zajímavé vlastnosti:

• Alexander Lippisch's Aerodyne - Zakryté vrtule, vysoká bezpečnost. Možnost startu vertikálně
• Edgley Optica - Zakrytá pohonná jednotka s velkým průměrem a v důsledku pravděpodobně s vyšší účinností i za nízkých rychlostí.
• Nemeth Parasol - Kruhové křídlo s vysokým úhlem přetažení, v důsledku vysoká bezpečnost protože je téměř nemožné takové letadlo vlečeným kluzákem „uviset“.
• Vought V-173 - Podobné výhody, jako předešlé kruhové křídlo, ale s vyšší účinností díky velkým průměrům vrtulí, které navíc eliminují indukovaný odpor na hraně křídla.

Žádnou z těchto konstrukcí ale není vhodné použít přímo. Výhodnější je konstrukci upravit tak, aby více vyhovala bezpilotním prostředkům a byla tak kombinací těchto alternativních řešení.

Na začátku vlečení kluzáku je třeba stabilizovat náklon, neboť nefunguje příčné aerodynamické řízení. Tento problém se řeší tím, že pomocník drží při startu křídlo letadla. Případně je v souladu s předpisem (i když méně bezpečné a praktické) provést i start s křídlem na zemi. V případě autonomního aerovleku by to ale bylo možné řešit stabilizačním zařízením s generovaným vztlakem. viz následující obrázek:

Pomocné zařízení může být na konec křídla připevněno buď mechanicky a nebo pneumatickou přísavkou. Neboť doba rozjezdu po které začne fungovat aerodynamické řízení kluzáku je řádově jednotky sekund. Důležité je aby po této době došlo k spolehlivému odpojení zařízení a nemohlo následně dojít k incidentu.

Jedním z hlavních koncepčních problémů je rozvržení metodiky řízení aerovleku. Nabízí se totiž tyto tři možnosti.

• Let aerovleku po pevné stanovené trase podle aktuálních meteorologických podmínek.
• Řízení celého aerovleku z pozemního stanoviště.
• Ovládání vlečného letadla pilotem/kopilotem v kluzáku. Buď přímým řízením, nebo zpětným řízením při kterém se aerovlekové letadlo snaží po vzletu udržovat ve směru před kluzákem.

• Simulační model letadla Phoenix, nebo ΦNIX
• Simulace za použití výpočetního engine z Flightgear
• Detekce odpojeného kluzáku z aerovleku

• Vybočení od vlečného letadla
  • Varování v kabině pilota kluzáku.
  • Automatické odpojení vlečného lana
• Nemožnost odpojení lana od kluzáku.
  • Vzdálené odpojení lana z tažného letadla, utržení tahové pojistky.
• Ztráta tahu při startu
  • Varování o situaci v kabině pilota kluzáku
  • Odpojení vlečného lana po potvrzení pilotem kluzáku/odpojení vlečného lana pilotem.
  • Algoritmické vyřešení situace podle výšky nad terénem, prostředí a povětrnostních podmínek
• Ztráta komunikace
  • Let podle předdefinované trajektorie, pokud nedojde k navázání spojení a není připojen kluzák, tak návrat na letiště.

Vzhledem k velikosti plochy letiště je potřeba kluzáky tahat po letišti na startovní plochu. To se dnes v aeroklubech běžně provádí buď za pomoci traktorů, nebo osobních aut. Obě možnosti jsou vzhledem ke konstrukci určené pro jinou aplikaci neoptimální.

Optimálním řešením by bylo pomocné vozidlo na elektrický pohon (odpadá problematika s častým startováním za nízkých, nebo vysokých teplot) upravené tak, aby dočasně uvezlo více osob. Výhodné by také bylo, pokud by takové vozidlo mělo integrovanou hasicí soupravu pro motorová letadla se spalovacím pohonem. (Aktuálně je požární ochrana na sportovních letištích řešena velkým hasicím přístrojem naloženým v „emergency car“ zaparkovaným někde poblíž.)

Pokud by jste na tomto ideovém návrhu chtěli spolupracovat, zkontaktujte autora návrhu: Jakub Kákona

• Předpis L2 DOPLNĚK Q – PRAVIDLA PRO VLEČENÍ
• Open source airplane
• Siemens electric aerotow