3. del: Jadralno padalo in njegova konstrukcija

01.03.2019

Avtor: Janez Križnar

Zavoljo boljše preglednosti sem, glede na nivo avtomatiziranosti procesa konstruiranja, razvojna obdobja razvrstil na generacije. Računalniki so konstruktorjem olajšali in pospešili delo. Omogočili so ponovljivost in natančnost, pod črto pa znižali stroške razvoja. Slednje se žal ni prav dosti poznalo na končni ceni izdelkov, saj so se obenem višali poraba materiala, čas izdelave, modelna paleta, zahtevnost testiranj, marketinški vložki, ipd. Nekaj pa je bilo, roko na srce, tudi kartelnih dogovorov med proizvajalci.

Od pojava prvih JP, pa do danes, se je v grobem nanizalo pet generacij:

  • Generacija 1 – Ves proces konstruiranja poteka ročno, z analognimi sredstvi.
  • Generacija 2 – Konstruiranje poteka neavtomatizirano, s pomočjo nenamenskega CAD programa. Prav tako odvijanje krojev v ravnino.
  • Generacija 3 – Konstruiranje poteka delno avtomatizirano, s pomočjo nenamenskega CAD programa. Za odvijanje krojev v ravnino se uporabi programski vtičnik (plug-in), največkrat napisan kar s strani samega konstruktorja.
  • Generacija 4 – Konstruiranje poteka povsem avtomatizirano, s pomočjo namenskega CAD programa. Vsi naknadni popravki konstrukcije so preprosti. Program pripravi vse potrebno za strojni ali ročni razrez sestavnih delov padala. 2D in 3D aerodinamično analizo je potrebno opraviti z uporabo drugih programov.
  • Generacija 4.5 – Program ima lastnosti 4. generacije. Poleg tega vključuje tudi module za 2D in 3D aerodinamično analizo.

Kako bo videti orodje generacije 5?

Težko je natančno napovedati, saj se lahko zgodi marsikaj nepredvidenega, kot je denimo povsem nov material, tehnika izdelave ali kaj tretjega. Vseeno upam reči, da bo programski razvoj verjetno imel večji poudarek na analizi obremenitve padala in virtualnih simulacijah kritičnih situacij v zraku. Oboje bi znatno pocenilo stroške izdelave in pospešilo proces certifikacije. Ne gre pa pričakovati, da bi virtualno okolje povsem nadomestilo preizkuse v naravi. Do česa takega je še zelo daleč.

V prejšnjih dveh delih članka sem bežno opisal in orisal, kako je konstruiranje izgledalo tekom generacij 1 in 2. Pozneje so se pojavili nekateri namenski programi, bolje rečeno vtičniki za običajne CAD programe, kar prištevam pod 3. generacijo. Primeri programov tega obdobja so Fly CAD, PG 4 CAD, PDesign in LT Parafoil (vsi na bazi Autocada). Nekateri od njih se tržijo še danes, so pa manj zanimivi spričo tega, da gre za nadgradnje CAD programa, ki je že v osnovi drag. Hkrati ne omogočajo hipnih popravkov narisanega. Dejansko pod 3. generacijo spadajo Kako bo videti orodje generacije 5? še nekateri hišni programi JP proizvajalcev, ki so bili sicer pisani kot samostojne aplikacije. Vendar njihov cilj ni bil prodaja, kar se je odražalo v neprilagojenosti GUI-a širšemu krogu morebitnih uporabnikov. S takim programom je praviloma znal ravnati le njegov avtor.

Namenski programi sicer ponujajo izdatno pospešitev, a imajo izrazito slabost. Ko se na trgu pojavi kakšna konstrukcijska novost, najsibodi v procesu načrtovanja ali izdelave (primera »shark nose« profilov in CNC rezalnikov), mora avtor programa izdati svežo verzijo, ki vsebuje orodje za implementacijo omenjene novitete. V nasprotnem je s programom pač ni možno narisati. Pogojno uporaben izhod v sili je, če ima namenski program možnost izvoza 3D modela JP v katerega od standardnih CAD formatov zapisa. Vendar to od konstruktorja terja poznavanje vsaj enega od splošnih CAD programov. S slednjim lahko sam doriše želene modifikacije. Včasih je to izvedljivo, včasih ne. Navadno je takšen pristop zelo časovno potraten in nemalokrat komaj kaj hitrejši od tistega v 2. generaciji.

Kot sem obljubil v preteklem delu, bomo tokrat preleteli načrtovanje z namenskim programom Paratailor, generacije 4.5 (http://www.paratailor.com). Ne bom pa se spuščal v sicer pomembne smernice in okvirje, ki določeno padalo umeščajo v izbran varnostni razred, niti v proces certifikacije in marketinga.

Niso vsi parametri, ki definirajo lastnosti padala, ključni. Za začetek je pomembno, da dobimo generalno obliko, ki jo lahko analiziramo v CFD modulu. Zato bomo najprej nastavili te parametre. Eden prvih je profil krila. Pred uvozom v program, ga seveda moramo imeti. Priti do ustreznega, pa ni enostavno. JP krilo namreč ni toga forma. Ko je v zraku, se zaradi napihnenja deformira in ne glede na količino celic, katerih večje število deformacijo zmanjša, celotno krilo v povprečju nikdar nima vzdolžnega prereza s profilom reber. Je le približek idealnemu stanju, kar je potrebno upoštevati.

Gibkost JP krila je obenem prednost in tudi slabost. Prednost zato, ker s komandami in pospeševalnim/trim sistemom prek linij lahko vplivamo na položaj in obliko krilnega profila. V različnih fazah leta (denimo med nabiranjem višine ali preskokom) ga je moč prilagoditi. Torej, mu spremeniti AoA in/ali obliko. Nekateri modeli padal to omogočajo bolj kakor drugi. Slabost je hkrati v tem, da z neveščim upravljanjem pilot lahko stori precej nevarno napako. Skratka, izbira profila je zamuden proces, saj ga za razliko od letalnih naprav s togim krilom, ni moč zgolj vzeti iz knjižnice profilov. (Zajetna knjižnica profilov je sicer dostopna na: https://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html)

Programi za analizo profilov so zato le splošen pokazatelj. Boljši vtis dobimo šele, ko opravimo analizo celotnega JP. Boljši pravim zato, ker so rezultati iz CFD programa zgolj toliko uporabni, kot so ustrezni vanj vnešeni podatki in 3D model. Pod pogojem seveda, da je CFD program predhodno pravilno kalibriran. Če je v fazi priprave profila narejenih več različic, ki se jih lahko menja in preizkuša s 3D analizo JP, se kasneje ni potrebno vračati nazaj na ta korak. Ker konstruktor ve, kakšne sposobnosti in obnašanje od bodočega JP pričakuje, temu primerno prilagodi profil. Od slednjega je v marsičem odvisna nastavitev številnih drugih parametrov: pozicija in velikost vstopne odprtine za zrak, linije, število celic, zadebelitve krojev zaradi kompenzacije napihnenja, pospeševalec itd.

Paratailor omogoča analizo profila, kar nam prihrani iskanje ustreznega zunanjega programa. Je pa nekaj teh dostopnih tudi brezplačno na spletu. (https://www.mh-aerotools.de/airfoils/javafoil.htm ; http://www.xflr5.com/xflr5.htm)

V nadaljevanju oblikujemo base line in tloris, pri čemer so vse spremembe vidne takoj, na izrisanem 3D modelu. To, med načrtovanjem s programskimi generacijami do vključno tretje, ni bilo možno.

Določimo tudi pozicije linij, odprtine celic in morebitne spremembe poteka A, B, C, D linij, oziroma »wing flex«. Slednji je, s strani britanskega Kraljevega aero kluba (Royal Aero Club), nagrajena iznajdba konstruktorja in jadralnega pilota Bruca Goldsmitha, ki je pilotu Johnu Pendryju pomagala do naslova svetovnega prvaka v JP. Rešitev omogoča boljšo kontrolo vpadnega kota konic krila pri pospešenem letu. (Britanec Pendry je bil, pred naslovom svetovnega prvaka v JP leta 1997, tudi svetovni prvak v JZ leta 1985 in kar štirikratni zaporedni evropski prvak v JZ v letih 1986, 1988, 1990 in 1992. Njegov rojak Goldsmith pa je po naslovu svetovnega prvaka v JP segel leta 2007, op. a.)

Za verodostojen 3D model moramo nastaviti še nekaj parametrov: vrvice, pozicijo pilota, kompenzacijo napihnenja in mini rebra. Notranji elementi, ki na CFD analizo nimajo vpliva, lahko počakajo. Potrebujemo jih šele kasneje, ko bomo prišli do zadovoljivih rezultatov analize.

3D model JP je tako pripravljen za CFD analizo. Postopek je sicer rahlo zamuden, pa vendar gre za izvrstno orodje, ki nam pomaga do optimalne rešitve. Ko modul poženemo, nam preračuna in prikaže tabelo vrednosti, iz katere so razvidna razmerja med hitrostmi letenja, finesami in vpadnimi koti. Konstruktor v nadaljevanju lahko preizkusi poljubno število menjav in kombinacij vseh predhodno nastavljenih parametrov. Za to je pred desetletji potreboval številne testne polete, meritve in popravke na prototipnih JP. Vendar vsi testni poleti zaradi tega pripomočka še zdaleč niso odpravljeni. Prihranjeno je le ogromno “ribarjenja v kalnem”.

Pozornemu bralcu najbrž ni ušlo, da v zvezi s 3D analizo vedno omenjam celotno JP in ne zgolj krila. Napravo namreč tvorijo trije elementi: krilo, vrvice in pilot. Le z upoštevanjem vseh treh, lahko dobimo relevanten rezultat.

Ko so vrednosti v tabeli zadovoljive in kažejo pričakovane rezultate, se lahko posvetimo še tistim elementom krila, ki jih za aerodinamično analizo nismo potrebovali (diagonalnim rebrom, ojačitvam, cross portom, grafični podobi itd.).

Narisano JP in ustreznost vseh sestavnih elementov sicer sprotno preverjamo. Končni pregled, pred izvozom krojev, pa opravimo tako v 3D kot 2D obliki.

Na tej točki se izvoženi kroji lahko natisnejo in iz blaga izrežejo ročno, ali pa se uporabijo na CNC rezalniku. Tako, kot na poti do tu, je tudi v nadaljevanju vsak korak nujno premišljen. Izbira materialov, njihova orientacija, kontrola morebitnih strukturnih napak, prednapetje,... vse do tipa sukanca in šiva, ki bo uporabljen za določen spoj. Kajti, ne pomaga prav dosti zgolj natančnost konstruktorja, če vsi, kasneje vpleteni v verigo izdelave, ne ravnajo enako.

Zaključna beseda

V trilogiji tega prispevka sem skušal predstaviti dve podočji. Prvo opisuje konstruiranje padal in drugo orodja za konstrukcijo. Zgolj eno od niju je zajetna tema, kaj šele obe. Kljub vsemu upam, da ste bralci dobili vsaj površen vpogled v del nastajanja JP, v preteklosti in danes. Navzlic naši majhnosti, je v slovenskem prostoru obstajalo in še obstaja kar nekaj proizvajalcev JP in opreme. To dviga dostopnost in priljubljenost prostemu letenju tukaj, v tujini pa prepoznavnost in ugled. Želim si, da bi tako ostalo tudi v prihodnje.