Jaki powinien i może być współczesny motoszybowiec turystyczny

Gdy w marcu 1932 roku we Lwowie pod kierownictwem prof. inż. Stanisława Łukasiewicza powstawał Instytut Techniki Szybownictwa, przemianowany w 1936 roku na Instytut Techniki Szybownictwa i Motoszybownictwa, był drugą na świecie organizacją tego rodzaju. Instytut tworzyły działy: konstrukcyjny, pomiarowy i użytkowy, które mieściły się w budynku Politechniki Lwowskiej, przy ulicy Leona Sapiehy 55, aerodynamiczny, który także znalazł się na terenie Politechniki, lecz przy ul. przy Sapiehy 12. Ostatni dział, meteorologiczny, mieścił się w Instytucie Geofizyki Uniwersytetu im. Jana Kazimierza we Lwowie.

Zadaniem Instytutu było tworzenie szybowców i motoszybowców użytkowych i doświadczalnych, ocena projektów i zrealizowanych konstrukcji, opracowanie przepisów technicznych budowy oraz prowadzenie badań w zakresie aerodynamiki, mechaniki lotu, techniki pilotażu, metodyki szkolenia, meteorologii i materiałów lotniczych. Mimo tragicznych losów wielu naukowców Politechniki Lwowskiej, konstruktorów lotniczych Instytutu, ich przerwany wojną dorobek owocował przez całe dziesięciolecia, aż po współczesne lata. Kolejne zmiany ustrojowe również nie unicestwiły go całkowicie i pozwalały od czasu do czasu na względny rozwój.

Dobrym przykładem takich działań jest program „Ultralekkie szybowce i motoszybowce”, realizowany od 1978 roku na Politechnice Warszawskiej. W odniesieniu do jego potencjału badawczo-konstrukcyjnego i poniesionych nakładów finansowych można opisać go słowami, że co kilka lat „góra rodzi mysz”.

Szczególnie bolesnym przykładem jest program AOS-71, dotyczący tak naprawdę nie motoszybowca, lecz szybowca napędzanego silnikiem elektrycznym zasilanym z ogniw litowo-jonowych zamontowanych w skrzydłach. Czym są tego typu ogniwa? W obecnym etapie ich rozwoju technicznego widać to na przykładzie nie tylko palących się komputerów, lecz także kłopotów, których nastręcza statek B-787, którego codzienna eksploatacja na lotnisku klubowym związana jest z jakością ich ładowania. 

Podczas gdy wszyscy nie możemy się doczekać roku 2013, jedyne co mogę powiedzieć z pewnością to, że przyniesie on lotnictwu ogólnemu wiele zmian. Należy zrozumieć, że GA rozpoczyna i kończy się na adeptach pilotażu i jeśli ma mieć zapewnioną przyszłość w Europie konieczne jest przekazywanie wiedzy coraz szerszej grupie studentów”. Odsyłam do tekstu na portalu dlapilota.pl „IAOPA: 2013 rokiem szans i zagrożeń”.

Wyrazem tych poglądów jest nowe prawo lotnicze, wprowadzone w krajach Unii Europejskiej przez Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1178/2011 z dnia 3 listopada 2011 roku, ustanawiające nowy obszar licencjonowania w formie licencji pilota lekkich statków powietrznych (LAPL).

W treści tego rozporządzenia znajdziemy wiele możliwości wykorzystania walorów motoszybowca turystycznego w edukacji i taniej turystyce lotniczej. Jest to typ statku powietrznego najpełniej spełniającego kryteria bezpieczeństwa edukacji lotniczej, nałożone przez europejską władzę lotniczą, oraz kryteria ekonomiki użytkowania. 

Jakie rozwiązania we współczesnych motoszybowcach zaproponowaliby konstruktorzy i naukowcy Instytutu Techniki Szybownictwa i Motoszybownictwa, mający do dyspozycji obecne osiągnięcia techniczne i technologiczne w budowie płatowców, zespołów napędowych, nawigacji, komunikacji i meteorologii lotniczej? 

W pierwszym etapie szkolenia lotniczego z całą pewnością byłby to motoszybowiec dwumiejscowy w układzie „tandem”, płatowiec z materiałów kompozytowych, zespół napędowy sinika spalinowego z pchającym śmigłem. W drugim etapie, przebiegającym bez instruktora, wymagającym wielu godzin praktyki lotniczej, zaproponowaliby zapewne motoszybowiec jednomiejscowy, z podobnymi rozwiązaniami, co dwumiejscowy. Tylko on może bowiem spełnić kryterium ekonomiki użytkowania na tym etapie szkolenia, ponieważ może być względnie lekki, mały i napędzany stosunkowo słabym silnikiem.

Czy rzeczywiście takie byłyby wytyczne dla konstruktorów współczesnych motoszybowców, trudno ostatecznie stwierdzić. Jednak historia powstania niemal dwadzieścia lat temu motoszybowca J6 Fregata Jarosława Janowskiego o parametrach budzących niedowierzanie jeszcze dziś wśród pilotów wskazuje na pewne prawdopodobieństwo zaistnienia takiej sytuacji. By nie bujać w obłokach pomysłów na współczesny motoszybowiec, przyjrzyjmy się bliżej konstrukcji J6 Fregata. 

Dość dobrze znane są rozwiązania płatowca, natomiast zespół napędowy – już znacznie mniej, szczególnie wersja z silnikiem zasilanym systemem elektronicznego wtrysku paliwa i elektronicznego kąta wyprzedzenia zapłonu.

J6 Fregata posiada dwa skrzydłowe zbiorniki o pojemności łącznej 60 litrów, a paliwem jest bezołowiowa benzyna samochodowa. Tak duży możliwy zasięg na jednym tankowaniu zwiększa bezpieczeństwo lotu, szczególnie podczas uprawiania turystyki lotniczej, gdy zasięgi przelotów mogą być wielogodzinne. 

Wybór producenta silnika wynikał z wysokiej oceny jakości produktów marki Honda i ich dostępności.

W celu realizacji zespołu napędowego J6 Fregata o wymagalnej minimalnej mocy 40 KM zastosowano silnik motorowodny przyczepny typu BF50D. 

Jest to czterosuwowy, trzycylindrowy silnik benzynowy o pojemności 808 cm3 , typu OHC, czyli z wałkiem rozrządu w głowicy, o mocy 50 KM, przy 5750 obr./min.

W konstrukcji tych silników zastosowano innowacyjne i opatentowane przez Hondę rozwiązania techniczne: PGM-IG oraz PGM-FI. 

Pierwszy z nich to programowany system zapłonowy, drugi – programowany układ wtrysku paliwa. Zapłon PGM-IG dzięki optymalnej wartości kąta wyprzedzenia zapłonu zwiększa moc silnika, a dzięki podwyższonej energii iskry zapłonowej eliminuje wypadanie zapłonów, co powoduje równomierną pracę silnika. 

Wtrysk paliwa PGM-FI pracujący jako zamknięty automatyczny układ regulacji składu mieszanki z sondą lambda wyposażono w funkcję BLAST oraz ECO-mo. 

Funkcja BLAST zapewnia chwilowy przyrost mocy i momentu obrotowego w zakresie największego obciążenia silnika. Druga, unikalna funkcja ECO-mo wkracza do akcji w momencie mniejszego zapotrzebowania na moc, na przykład gdy motoszybowiec leci ze stałą, wybraną prędkością. Mniej obciążony silnik pracuje wtedy na uboższej mieszance paliwowo-powietrznej, która wpływa na znaczne zmniejszenie zapotrzebowania na paliwo. 

Dzięki mechanizmowi biegu jałowego i optymalnej dawce paliwa silnik można bez problemu uruchomić natychmiast po przekręceniu kluczyka, przy każdej pogodzie i temperaturze silnika! Producent zapewnia, że żaden inny silnik czterosuwowy tej mocy nie jest aż tak lekki i tak ekonomiczny, przy jednoczesnym obniżeniu emisji szkodliwych składników spalin.

Modyfikacje konieczne do zastosowania silnika BF50D jako zespołu napędowego polegały na opracowaniu zespołu przekładni pasowej śmigła, pompy mechanicznej czynnika chłodzącego, układu wylotowego spalin oraz węzłów mocowania łoża silnikowego płatowca.

Układ chłodzący silnika składa się z chłodnicy z ciekłym czynnikiem chłodniczym, elektrycznego wentylatora chłodnicy, pompy mechanicznej oraz wspomagającej pompy elektrycznej czynnika chłodniczego.

Elektroniczny zapłon PGM-IG i wtrysk paliwa PGM-FI

Elektroniczne systemy sterujące pracą współczesnych silników spalinowych mają już ponad 30-letnią tradycję. Dotyczy to w szczególności motoryzacji samochodowej, natomiast w lotniczych zespołach napędowych ten trend tak naprawdę dopiero się zaczyna.

Ten wieloletni okres doświadczeń udowodnił, że współczesne rozwiązania techniczne w zakresie sensoryki, aktoryki i informatyki automatycznych systemów sterowania pracą silnika spalinowego umożliwiają niezawodną, oszczędną i ekologiczną ich pracę.

Układ paliwowy motoszybowca składa się z dwóch zasadniczych obwodów paliwa.

Pierwszy z nich stanowią skrzydłowe zbiorniki paliwa o pojemności po 30 litrów, wraz ze zbiornikiem rozchodowym o pojemności 3 litrów.

Poprzez zawór paliwa oraz filtr otworem w ścianie ogniowej, giętkim wężem paliwowym podłączonym do króćca paliwowego silnika, paliwo zasysane jest przez filtr/separator oparów za pomocą membranowej pompy paliwowej niskiego ciśnienia (8).

Pompa ta zabudowana jest na silniku i napędzana krzywką wałka rozrządu.

Dalej paliwo podawane jest pod ciśnieniem około 0,3 bar do zasobnika/separatora (1). Stały poziom paliwa w tym zespole regulowany jest pływakowym zaworem paliwa. 

Zadaniem zespołu jest zapewnienie ciągłego zasilania pompy wysokiego ciśnienia (4), tak aby nie dochodziło do jej zapowietrzenia, co powodowałoby skoki ciśnienia paliwa zasilającego wtryskiwacze paliwa. 

Bardzo istotnym elementem układu paliwowego jest regulator ciśnienia paliwa (3). Jego zadaniem jest stabilizacja oraz regulacja ciśnienia, tak aby różnica pomiędzy ciśnieniem paliwa zasilającego wtryskiwacze a wartością ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym była stała. 

Dalej poprzez filtr wysokiego ciśnienia (5) paliwo podawane jest do kolektora wtryskiwaczy (9) poszczególnych cylindrów.

Podzespoły i elementy składowe układu paliwowego:

• zasobnik/separator oparów paliwa i kompensator nieciągłego zasilania paliwem,
• filtr oparów paliwa,
• regulator ciśnienia paliwa,
• pompa paliwa wysokiego ciśnienia (3 bar),
• filtr paliwa wysokiego ciśnienia,
• króciec przewodu paliwa ze zbiornika rozchodowego płatowca,
• filtr paliwa niskiego ciśnienia,
• pompa paliwa niskiego ciśnienia,
• wtryskiwacze paliwa
• mechanizm biegu jałowego silnika.

Wtrysk paliwa odbywa się do kolektora dolotowego, bezpośrednio w obszar zaworu ssącego silnika. Panująca tam stosunkowo wysoka temperatura umożliwia skuteczne odparowanie paliwa, a w efekcie uzyskanie wysokiej jakości mieszanki paliwowo-powietrznej.

Wielkość dawki paliw, oraz optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu są na bieżąco określane przez elektroniczny system sterowania silnikiem.

Bardzo istotne jest, że skład mieszanki paliwowo-powietrznej realizowany jest w układzie zamkniętym automatycznej regulacji dawki paliwa.

Oznacza to, że na sygnał sondy lambda (16), będącej czujnikiem obecności tlenu w spalinach, następuje ciągła korekta składu mieszanki do wartości okołostechiometrycznej, niezależnie od temperatury, obrotów i obciążenia silnika.

Niezwykle ważnym elementem systemu zasilania silnika jest układ automatycznej regulacji biegu jałowego (10), umożliwiający również niezawodny rozruch silnika, niezależnie od jego temperatury.

Układ dolotowy powietrza zabezpieczony jest filtrem siatkowym (13).

Programowalny system sterowania kątem wyprzedzenia zapłonu i wtryskiem paliwa realizują najbardziej ekonomiczne, wydajne w zakresie oferowanego momentu napędowego, oraz bezpieczne dla trwałości silnika warunki jego eksploatacji.

Wszelkie przesłanki prowadzące do stanów awaryjnych są przez system sterowania zapisywane w pamięci sterownika, natomiast zaistniałe stany awaryjne sygnalizowane są zapaleniem lampki kontrolnej o symbolu znanym ze współczesnych samochodów osobowych.

Obsługa i naprawa zespołu napędowego AeroHonda BF50D wymaga przeszkolenia z budowy, funkcjonowania i diagnostyki elektronicznego systemu sterowania.

Diagnostyka systemu silnika jest możliwa za pomocą wygenerowanych kodów migowych usterek, lampką kontrolną silnika lub z wykorzystaniem interfejsu diagnostycznego firmy Honda pod nazwą „Dr H” („Doktor Honda”).