Mijloace de transport novatoare

Vasile TudorLiceul Tehnologic Duiliu Zamfirescu, Dragalina (Călărași)18 feb. 2021

O problemă stringentă a vremurilor noastre este găsirea unor soluții eficiente la poluare și traficul intens pe căile rutiere. Reducerea poluării se poate rezolva, în perspectivă, prin înlocuirea autovehiculelor cu motoare termice de tip Otto sau Diesel cu autovehicule având tracțiune electrică, eventual în variantă hibridă. Una dintre opțiunile alese de specialiști pentru descongestionarea traficului rutier o reprezintă utilizarea spațiului aerian prin intermediul mașinilor zburătoare.
Încă de la intrarea în secolul XXI, au apărut prototipuri de mașini-avion produse de companiile Terrafugia Inc. din SUA și Klein Vision din Slovacia.
Compania Terrafugia Inc. a fost fondată în 2006 de absolvenți ai Departamentului de Aeronautică și Astronautică de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts și absolvenți ai Școlii de Management MIT Sloan, cu mențiunea că, în anul 2017, compania a fost achiziționată de Zhejiang Geely Holding Group, un conglomerat corporativ chinez care deține și companiile de automobile Volvo și Lotus Car.

Fig. 1

Transition Terrafugia este un avion ușor sportiv rutier care poate zbura cu viteza maximă de 185 km/h, zborul inaugural având loc pe 5 martie 2009. Acest hibrid are aripi pentru zbor care se pot plia atunci când se deplasează pe şosea. În timpul zborului, motorul antrenează elicea din spate, iar în regim de rulare puterea motoare este distribuită la roţile din faţă. Comenzile pentru şoferul-pilot se află într-un habitaclu cu două locuri. Pentru aterizare şi decolare în condiţii de siguranţă, aparatul are nevoie de pista unui aeroport, iar, în condiții deosebite, de un teren cu suprafață plană și orizontală .
Compania Klein Vision din Slovacia a creat mașina-avion AirCar realizată din materiale compozite, care poate zbura la altitudinea de 300 m cu viteza de 200 km/h, iar la deplasarea pe sol, aripile și coada acesteia se pot deplia în interior în doar 2 minute.

Fig. 2

Pe lângă mașinile-avion, pot fi concepute și mașini-elicopter, structură hibridă prevăzută cu trei sau patru roţi pentru deplasare pe căile rutiere, precum și cu două elice pentru zbor, cea montată deasupra asigură portanţa şi forţa de tracţiune, iar cea situată la partea terminală a fuselajului produce anticuplul de compensare a efectului de rotaţie a aparatului în jurul axei verticale. În timpul deplasării pe şosea a maşinii hibride, elicea principală este blocată în poziţie longitudinală pentru a nu afecta participanţii la trafic.

Fig. 3

Într-o altă variantă constructivă, cuplul de reacţiune existent la elicopterele prevăzute cu motoare termice poate să fie compensat prin utilizarea a două elice portante care se rotesc în sensuri contrare, fără să mai fie necesară elicea anticuplu, destul de incomodă în timpul deplasării la nivelul solului.

Fig. 4

O soluţie tehnică novatoare este elicea cu propulsie reactivă, mult mai performantă decât cea clasică, deoarece este acţionată de statoreactoarele dispuse pe pale la distanţe egale faţă de axul de rotaţie.
Se ştie că statoreactoarele au cea mai simplă schemă constructivă dintre motoarele reactive şi nu au piese în rotaţie, însă nu pot funcţiona la punct fix, iar plafonul de zbor depinde de viteza de deplasare, pentru a pătrunde în difuzor un debit constant de aer, în condiţiile scăderii cu înălţimea a densităţii atmosferei. O posibilitate de a elimina aceste dezavantaje constă în realizarea unei structuri mixte, de tip elice cu propulsie reactivă, prin dispunerea unor statoreactoare pe palele elicei, la distanţe egale faţă de axul de rotaţie. Altfel spus, elicea este acţionată de forţele reactive produse de statoreactoare, ansamblu care asigură cuplul motor, forţa de tracţiune şi portanţa aparatelor de zbor.
Elicea cu propulsie reactivă se compune, în principal, din palele 3 şi 4, montate pe axul cu butuc 7, precum şi din statoreactoarele 1 şi 2, dispuse la distanţe egale faţă de axa de rotaţie. Statoreactoarele 1 şi 2 sunt prevăzute la capete cu difuzoare şi ajutaje Laval – D1,A1,respectiv D2,A2 - şi comunică, prin canalul longitudinal 6, precum şi unul similar practicat în pala 4 a elicei, cu canalul median 5 al axului cu butuc, pus în legătură cu rezervorul de combustibil.
Pentru a permite mişcarea de rotaţie, axul cu butuc al elicei cu propulsie reactivă este asamblat pe conducta rezervorului de combustibil prin intermediul unui cuplaj mecanic.

Fig. 5 Fig. 6

Circularea forţată a combustibilului lichid se realizează cu ajutorul unei pompe, iar pentru reglarea debitului se utilizează robinete cu ventil sau cu clapetă, acţionate manual sau prin intermediul unor sisteme electrice, hidraulice sau pneumatice,cunoscute în tehnica actuală, fără să mai fie necesare precizări suplimentare. Parametrii de funcţionare ai aparatului de zbor sunt stabiliţi de către pilot de la tabloul de bord cu ajutorul unor mecanisme şi dispozitive de comandă şi control.
Modul de funcţionare a elicei cu propulsie reactivă este relativ simplu. Prin injecţia combustibilului în camerele de ardere ale statoreactoarelor şi aprinderea acestuia cu ajutorul unor bujii electrice, se degajă prin ardere o mare cantitate de gaze, a căror presiune poate depăşi 100 at la temperaturi de circa 1500-2000 0C. Alimentarea cu aer a camerelor de ardere se face prin difuzoarele D1 şi D2, iar jeturile de gaze, evacuate cu viteze supersonice prin ajutajele Laval A1 şi A2, asigură forţele reactive care produc cuplul motor pentru punerea în mişcare de rotaţie a elicei. Forţele reactive de propulsie sunt orientate în sens contrar cu vitezele de evacuare a gazelor de ardere, fiind explicate teoretic pe baza principiului acţiunilor reciproce şi a teoremei de conservare a impulsului mecanic. Statoreactoarele 1 şi 2 pot utiliza diverşi combustibili lichizi, ca de exemplu kerosenul .
Elicea cu propulsie reactivă este prevăzută cu două sau chiar cu mai multe pale dispuse regulat în jurul axei de rotaţie. Palele elicei au un profil special, prezentat în figura 2, caracterizat printr-o rezistenţă la înaintare mică, însă forţa aerodinamică este suficient de mare pentru a asigura deplasarea aparatului de zbor.
Componentele forţei aerodinamice depind de mai mulţi parametri-forma şi dimensiunile elicei,unghiul de atac , viteza unghiulară , densitatea a aerului. În general, palele elicei au bordul de atac rotunjit, spre deosebire de bordul de fugă care este ascuţit, iar suprafeţele active au curburi diferite pentru a asigura diferenţe de viteză, şi implicit de presiune, ale straturilor de aer din apropiere . Rezultanta forţelor de presiune exercitate pe palele elicei aflate în mişcare de rotaţie asigură, la turaţii mari, forţa de tracţiune pentru deplasarea aeronavelor şi chiar forţa de sustentaţie la elicoptere, însă portanţa la avioane este datorată aripilor.
Spre deosebire de avioane, elicea elicopterelor are palele montate pe axul cu butuc prin articulaţii,fiind prevăzută cu un platou de variaţie ciclică a pasului, cu disc pendular, care permite efectuarea mişcărilor de bătaie şi bascularea înainte, elemente care nu au mai fost redate în figura 5, pentru simplificarea desenului, fiind cunoscute la nivelul tehnicii actuale . În timpul mişcării de rotaţie, palele elicei sunt supuse în special unor solicitări centrifugale, cele de încovoiere sau torsiune au valori mult mai reduse.
Elicea cu propulsie reactivă poate fi adaptată şi pentru funcţionarea în apă sau în mediu extrem de rarefiat, prin alimentarea motoarelor reactive 1 şi 2, cu combustibil şi oxidant în stare lichidă, stocate în rezervoare distincte, caz în care difuzoarele D1 şi D2 nu mai sunt necesare.
Pot fi concepute diverse variante constructive pentru elicea cu propulsie reactivă, care se pot deosebi prin forma, dimensiunile, modul de dispunere şi natura materialelor din care sunt realizate părţile componente.
Elicea cu propulsie reactivă este deosebit de eficientă chiar şi la dimensiuni relativ mici, deoarece poate atinge turaţii foarte mari, iar la portanţa datorată palelor elicei se adaugă componenta verticală a forţei reactive, forţa rezultantă fiind suficientă pentru a compensa greutăţi destul de mari ale aparatelor de zbor.
Pe de altă parte, mecanismul de reglare a turaţiei este simplu – prin modificarea debitului de combustibil care ajunge în camerele de ardere ale statoreactoarelor. Aceste calităţi deosebite permit utilizarea elicei cu propulsie reactivă la aparate ultraperformante de zbor, cu un înalt grad de manevrabilitate, dar şi o bună stabilitate pe traiectorie, datorită efectului giroscopic.
Pentru exemplificare, se prezintă în figura 7, schema constructivă pentru un aparat lenticular de zbor. Corpul lenticular 8 al aparatului de zbor este prevăzut la partea centrală cu o deschidere circulară 9, unde este amplasată elicea 10 cu propulsie reactivă, montată pe suportul de susţinere, prin intermediul unor articulaţii cilindrice sau sferice, pentru a permite modificarea, după dorinţă, a direcţiei de orientare a axei de rotaţie.

Fig. 7

Se pot imagina diverse alte forme constructive pentru aparatele de zbor, chiar şi structuri deschise, de uz individual, formate, în principal, din elicea cu propulsie reactivă şi rezervorul de combusibil, care poate avea şi rol de suport pentru pilot.
Mașina-elicopter poate fi adaptată și transformată în mașină-avion prin înlocuirea palelor elicei cu aripi (clasice sau de tip delta) de avion, pentru a asigura portanța, elicea de tracțiune, care este dispusă în spatele sau în fața mașinii, poate fi acționată de motoare termice sau de motoare electrice alimentate de la baterii de mare capacitate. În timpul zborului, cu ajutorul unor servomotoare sau altor sisteme de reglare și control, aripile sunt dispuse perpendicular pe axa longitudinală, iar la deplasare pe străzi, sunt dispuse paralel cu axa longitudinală, pentru a nu afecta traficul rutier.   O soluție novatoare o reprezintă aripile pliabile de tip parașută de formă dreptunghiulară sau de tip deltaplan, a căror voalură este confecționată din materiale diverse: kevlar, vectran, spectra, pânză de dacron etc.
Pentru fabricarea aparatelor de zbor se pot folosi metale, dar şi materiale compozite care absorb undele electromagnetice.
Aparatele de zbor, cu dimensiuni mici pot fi utilizate eficient în domeniul civil, dar mai ales în domeniul militar, deoarece, pe lângă gradul înalt de manevrabilitate la înălţimi joase, sunt greu de detectat de către radar şi dificil de lovit cu proiectile sau rachete.
Mai mult, spre deosebire de avioanele şi elicopterele actuale, reprezintă o tehnică militară perfect adaptată pentru apărarea mediului urban în situații critice, cu puternic impact psihologic pentru derutarea inamicului, la care se adaugă pierderi minime de vieţi omeneşti şi distrugeri materiale nesemnificative. Prin dotarea unităţilor militare cu miniaparate ultraperformante de zbor, se pot concepe noi scenarii în tactica şi strategia militară, în care elementul surpriză are un rol important.
Imi exprim speranța că viitorul omenirii se va afla sub semnul păcii și prosperității, creativitatea umană fiind pusă în slujba științei, tehnicii și tehnologiei.   Problema traficului rutier va fi rezolvată definitiv prin introducerea mașinilor de transport zburătoare, avînd în vedere că,
încă din anul 2011, mașina-avion realizată de compania Terrafugia a primit de la Comisia Națională a Siguranței Traficului pe Autostrăzi (NHTSA) autorizația necesară de a circula pe autostradă până la aeroport, de unde poate să decoleze, iar în 2021 a primit de la FAA certificat de navigabilitate pentru aeronave speciale ușoare, urmând ca în 2022 să primească și aprobarea utilizării drumurilor.
Desigur, mașina zburătoare va fi îmbunătățită, iar prețul estimativ de 194.000 de dolari va scădea prin trecerea la producția de masă, pentru a fi accesibilă unui număr mare de cumpărători. Acest deziderat va fi îndeplinit prin mecanismul cerere-ofertă de reglare a pieții, atunci când va exista o competiție veritabilă între mai multe companii producătoare.

Bibliografie

https://en.wikipedia.org/wiki/Terrafugia_Transition
https://www.klein-vision.com
CBI nr. 99-00632, Elice cu propulsie reactivă, OSIM, 1999

2 comentarii6 accesări