První úspěšné rotorové létadlo (1) - PKZ-1

Autor : Ing. Radek ˝ICE˝ Panchartek / ICE 🕔19.02.2010 📕17.830

Vrtulníky jsou na dnešní obloze běžným zjevem, ale cesta k nim byla mnohem komplikovanější než v případě letounů. Potěšující je, že na vývoji prvního motorového létadla schopného ustáleného visení se podílela řada mužů, kteří se narodili na území budoucího Československa.

Pozorování nepřítele je jednou ze základních podmínek pro kvalifikovaný odhad jeho záměrů. Odedávna bylo jedním z primárních cílů bojového úsilí ovládnutí výšin, ze kterých byl rozhled na potřebnou vzdálenost. Rozvoj vzduchoplavby umožnil vojákům vozit si „kopec“ s sebou.

Dávno předtím, než se bratři Wrightové poprvé vznesli k obloze v letounu poháněném spalovacím motorem, existovala vzduchoplavba s létajícími aparáty využívajícími jiné principy letu. Jejich společnou nevýhodou byla jistá „neohrabanost“, početná obsluha a závislost na rozmarech počasí.

První létající pozorovatelny

Prvním krokem k tomu, aby se vojáci mohli podívat za nejbližší kopec, byl počin bratrů Montgolfierových, kteří v roce 21. listopadu 1783 vypustili v Paříži první pilotovaný horkovzdušný balon. O deset dní později vzlétl první pilotovaný balon naplněný plynem, zkonstruovaný profesorem Jacquesem Charlesem a bratry Robertsovými. Do konce desetiletí měla Francie první vzduchoplavecké jednotky schopné rozvinout v poli a vypustit balon s pozorovatelem v koši.

Druhým prostředkem umožňujícím dohlédnout dál, než dokáže člověk stojící na zemi, byly upoutané draky. Tato oprášená technologie, pocházející ze starověké Číny, zažila boom v druhé polovině 19. století. V té době došlo k rozvoji parních strojů, respektive k jejich rozsáhlejšímu nasazení na moři. Lodě poháněné parním strojem dokázaly drak vléci ustálenou rychlostí, což bylo pro jeho použití ideální.


Jedním z průkopníků upoutaných draků byl Samuel Franklin Cody. Na snímku na koni s typickou bradkou, kterou napodoboval "image"svého slavného jmenovce Williama Fredericka Cody u nás známého jako "Buffalo Bill"

Rozebraný drak tvořila sada plátnem potažených panelů, které byly na palubě mnohem skladnější a hlavně mnohem bezpečnější, než „pytel výbušného vodíku“. Další impulz přinesl rozvoj fotografie a bezdrátové telegrafie. Upoutané draky se používaly k vynášení antén, fotografických přístrojů i pozorovatelů.

Málo známým faktem je rozsáhlé nasazení obou prostředků v dobách americké občanské války. Balony se používaly za slabého větru. Když „foukalo“, nahrazovaly je upoutané draky. Rozvoj motorů s vnitřním spalováním však přinesl další možnosti. Letadla těžší než vzduch, jak s pevnou, tak s rotující nosnou plochou.


Balon Intrepid US Signal Corps, "bedny" vlevo jsou vyvíječe plynu. Jak je vidět balony vyžadovaly rozsáhlou logistiku

Létadlo (schválně používám historický termín), o kterém bude řeč, spatřilo světlo světa díky úsilí trojice mužů a několika dalších inženýrů. Označení PKZ je zkratkou příjmení Petróczi, Kármán a Žurovec. Každý z trojice mužů má na vývoji svůj podíl, ale jen poslední z nich, který je autorem technického řešení, si nechal své myšlenky patentovat.

Major Stephan Petróczy von Petrócz se narodil v roce 1874 v obci Granč-Petrovce u Spišské Nové Vsi. V roce 1902 složil, jako příslušník Luftschifferabteilungu (Vzduchoplaveckého oddílu), zkoušky pilota balonu. Vystudoval Vojenskou technickou akademii ve Vídni a v roce 1910 se stal příslušníkem Rakousko-Uherského letectva. O rok později získal pilotní průkaz i na motorové letouny. 25. února 1916 mu bylo svěřeno velení Fliegeroffiziersschule (Flosch - školy leteckých důstojníků), posádkou ve Wiener Neustadt (Vídeňské Nové Město).


Problémy se stabilitou balonu ve větru vyřešil August von Parseval, připevněním stabilizátoru. Kvůli jeho tvaru dostaly německé balony posměšný název Parsevalova jitrnice

Major Petróczy znal výhody i nevýhody letounů i upoutaných balonů. Stejně tak byl obeznámen s potížemi, se kterými se potýkali konstruktéři prvních vrtulníků. Šlo především o dva zásadní problémy - stabilitu a řiditelnost. Při tehdejších znalostech mechaniky letu a možnostech strojírenských technologií prakticky neřešitelné.

Největší problémy působil rozdíl vztlaku na postupujícím a ustupujícím listu rotoru. Při dopředném letu se rychlost postupujícího listu sčítá s dopřednou rychlostí vrtulníku a na té straně rotoru stoupá vztlak. Vrtulník má tendenci se převrátit na záda kolem podélné osy. Tento problém vyřešilo upevnění listu na vztlakový závěs umožňující vymávnutí listu kolem vodorovné osy. Důležité je připomenout, že úplně stejný vliv mají i poryvy větru během visení vrtulníku.


Americký pozorovací drak. Draky střídaly upoutané balony při silnějším větru. Byly používané i námořnictvem, protože pro službu na lodích byly praktičtější. Byly skladnější, neohrožovaly loď výbuchem vodíku a při vlečení ustálenou rychlostí představovaly stabilní platformu

Druhým problémem byla řiditelnost vrtulníku. Konstrukce funkční rotorové hlavy byl komplikovaný matematický a mechanický problém. Rotorová hlava byla těžká. Když se k tomu přičtou pohonné jednotky s malým měrným výkonem, není divu, že sestrojení úspěšného a plně řiditelného vrtulníku se protáhlo až do období druhé světové války.

Reálné cíle – základ úspěchu

Představou majora Petróczyho byla statická upoutaná plošina, která by dokázala vynést do dostatečné výšky pozorovatele a jeho technické vybavení. Upoutání mělo vyřešit problémy se stabilitou a řízením. Plošina měla jen vystoupat vzhůru a viset v potřebné výšce. Díky této prvotní úvaze se Petróciho stroj obešel bez složité rotorové hlavy, celého systému řízení a pomocných pohonů. Nutno říci, že Petróczyho myšlenka nebyla úplně původní, ale rozpracoval konkrétní praktické využití. Celé zařízení nazval Schraubenfesselfieger (SFF upoutané rotorové létadlo).


Návrh možného řešení vrtulníkové plošiny Ing. Kármána

Major Petróczy začátkem roku 1916 konzultoval proveditelnost svého nápadu se zkušenými inženýry, mimo jiné s šéfkonstruktérem továrny Austro-Daimler, rodákem z Vratislavic nad Nisou, Ferdinandem Porsche. Ti mu potvrdili, že je reálné takový stroj postavit. Povzbuzen kladným vyjádřením, předložil Petróczi 28. dubna 1916 svůj návrh Luftfahrtruppe (Oddíl pro letectví) a požádal o povolení postavit prototyp.

Plošinu měly do vzduchu vynést dva protiběžné rotory, poháněné elektromotorem s výkonem 300 koní. Dodávku proudu z benzínového generátoru, umístěného na zemi, měl zajišťovat lehký napájecí kabel z hliníku. Ponecháním generátoru na zemi byla vyřešena otázka hmotnosti pohonu, navíc nebyla doba provozu omezena zásobou paliva na palubě. Plošina měla být ukotvená na třech lanech, která ji stabilizovala, zajišťovala změnu výšky a stažení plošiny na zem.


Jednou z podmínek úspěchu byly dostatečně účinné vrtule velkého průměru, jejichž výzkumu bylo věnované velké úsilí

Přednosti plošiny proti balonu byly zřejmé. Plošina ve vzduchu představovala malý cíl, jak pro nepřátelské pozorovatele, tak pro stíhací letouny. Odpadlo pozemní zařízení na vyvíjení vodíku, kompresory a zdlouhavé plnění tělesa balonu. Nebezpečí výbuchu bylo mnohem menší díky absenci tělesa s vodíkem o objemu stovek kubických metrů. Zmenšení rozměrů umožnilo snížení počtu pozemního personálu potřebného k transportu a vypuštění. Také přechod z pochodové do pohotovostní polohy a samotné vypuštění plošiny mohlo být mnohem rychlejší. Petróczy očekával i menší citlivost na rozmary počasí, ale v tomto případě zůstalo jen u přání.

Ministerstvo války projekt odsouhlasilo 5. května téhož roku a stavbou pověřilo firmu Österrichische Flugzeugfarbrik AG (ÖFFAG). Speciální lehký elektromotor měla postavit firma Austro-Daimler. Na vývoji motoru se podíleli inženýři Zádník a Köhler. Díky rozsáhlému použití hliníku a ušlechtilých materiálů se podařilo udržet hmotnost na 250 kg, což byl obdivuhodný výsledek. Motor však nepodával očekávaný výkon a vinutí se přehřívalo.


Patent Ing. Žurovce podaný v USA - odpovídá řešení použitému na PKZ-1

Fliegerarsenal (Flars – Arzenál letectva) vydal poměrně náročnou specifikaci, ale uvolněné finanční krytí požadovaným technickým nárokům zdaleka neodpovídalo. Nicméně ředitel Ockermüller projevil ochotu spolufinancovat vývoj SFF z prostředků firmy ÖFFAG. SFF měl mít vlastní hmotnost 960 kg a nosnost 240 kg, což mělo být dostatečné pro jednoho pozorovatele, kulomet se zásobou munice, fotoaparát a telefon. Předpokládaný dostup 500–1000 m a provoz do rychlosti větru 8 m/s.

Konstrukcí byl pověřen Ing. Karel Balabán. S ohledem na náročné požadavky a minimální zkušenosti s rotorovými létadly navrhl nejprve vyzkoušet systém rotorů, pokračovat stavbou modelů a teprve potom se pustit do stavby plnorozměrného stroje. Po sérii pokusů s rotujícími křídly, se rozhodl pro dvojici velkých dvoulistých protiběžných vrtulí. Tím měl být odstraněn gyroskopický moment a snížena citlivost na poryvy větru.

První potíže

Vrtule, které byly v Rakousku a Německu k dispozici se předpokládanému průměru a účinnosti ani nepřibližovaly. Nejlepší vrtule, vyráběné ve firmě Öserreichisch-Ungarische Propellerwerke, měly koeficient účinnosti 0,61. Ing. Balabán potřeboval účinnost vyšší než 90 %. Problémem vrtulí se začal zabývat natolik, že odešel do zkušebny vrtulí ve Fishamend, kde s Oszkárem Asbothem řešili teoretické i praktické problémy spojené s konstrukcí vrtulí velkých průměrů. Balabánovým odchodem se prací na SFF vzdala i továrna ÖFFAG, která se nadále intenzivně věnovala produkci letadel pro frontu.


Největší z modelů, na kterých se testovala koncepce PKZ-1. Po stranách jsou vidět hadice pro přívod stlačeného vzduchu

Asboth s Balabánem vyzkoušeli celkem téměř 1500 vrtulí a celý vývoj se protáhl až do konce roku 1917. Nakonec byli s použitím nejkvalitnějšího mahagonového dřeva schopni postavit vrtuli s průměrem až 8 m. U tak velké vrtule však špičky listů dosahovaly úhlové rychlosti blízké rychlosti zvuku (0,74 M). Na problémy s tím spojené, tehdejší znalosti aerodynamiky nestačily. Ing. Balabán proto navrhl použít vrtule s průměrem 6 metrů, které měly při 600 ot/min a koeficientu účinnosti lepším než 0,9 dávat tah 11,77 kN.

Po odchodu Ing. Balabána bylo vedení projektu SFF svěřeno Dr. Ing. Theodoru von Kármánovi, který řešil především jeho teoretickou část. Praktické konstrukční záležitosti měl na starost Ing. Vilém Žurovec, rodák z dnes již neexistující obce Harty u Petřvaldu. Protože zatím nebyly k dispozici vrtule potřebného průměru a obecně se dařilo dosahovat vyšších koeficientů účinnosti u vrtulí menších průměrů, uvažovali oba konstruktéři o použití 10–12 menších rotorů uspořádaných do kruhu.

Postavili několik malých modelů, poháněných gumovými svazky, ale závěry ze zkoušek byly nejednoznačné. Výsledkem bylo jen omezení počtu rotorů na 4 v jedné řadě, protože u vyššího počtu vycházel velký hmotnostní deficit komplikovaného pohonu. K ověření teoretických předpokladů zhotovili větší model s hmotností 35 kg.


Další Žurovcovo řešení chráněné US patentem. Takto řešená plošina nebyla realizována

K pohonu modelu navrhl Ing. Žurovec motor poháněný stlačeným vzduchem. Při tlaku 4,9 MPa dával výkon 6 koní při 2400 ot/min a vlastní hmotnosti 4 kg. Stlačený vzduch byl přiváděný hadicí z vnějšího zdroje. V hangáru pro vzducholodě ve Fischamendu bylo mezi červnem a červencem 1917 provedeno kolem 50 letů.

Na modelu byl ověřem Petróczyho předpoklad, že SFF je možné stabilizovat upoutáním. Při použití tří nebo čtyř poutacích lan a jejich dostatečném napětí (přebytkem tahu pohonné jednotky) byla stabilita považovaná za vyhovující. Úpravy modelu a ověření systému upoutání si vyžádalo dalších 50 letů provedených do jara 1918.

Objednávka z Arzenálu

V létě 1917 byl Petróczy jmenován velitelem Flars, takže mohl 21. srpna 1917 za Arzenál objednat stavbu plnorozměrného SFF. Stavbou byla pověřena strojírna Magyar Általános Gépgyár (MÁG) v Budapešti. V té době se objevilo neoficiání označení plošiny PKZ-1, které se zažilo.

PKZ-1 tvořila příhradová konstrukce, svařená z ocelových trubek, vytvářející nosník trojúhelníkového průřezu. Uprostřed nosníku byl umístěn elektromotor a nad ním byla postavena gondola pro pozorovatele. Elektromotor s předpokládaným výkonem 250 koní dodala firma Austro-Daimler.


Upoutaná plošina PKZ-1 se čtveřicí nosných vrtulí. Dobře jsou vidět horizontální hnací hřídele.

S vývojem motoru byly potíže, protože hliníkové vinutí, použité kvůli úspoře hmotnosti, nemělo vodivost měděného a neustále se přehřívalo. Mimo jiné i proto motor dosahoval výkonu jen 190 koní. Vázly i dodávky dalších součástí, takže PKZ-1 byl dokončen až na přelomu března a dubna 1918, přestože podle původních předpokladů měla být montáž ukončena v říjnu 1917.

Motor přes úhlové převodovky poháněl pomocí dlouhých hřídelí čtyři nosné vrtule s průměrem 3,9 m. Průměr vrtulí byl později zvětšen na 4,2 m. Celá konstrukce měla hmotnost 650 kg a spočívala na čtyřech nafukovacích vacích, sloužících k absorbování nárazů při přistání. Poutací lana byla uchycena ke třem ramenům svírajícím navzájem úhel 120o.


Plošina PKZ-1. Uprostřed je vidět gondola pro pozorovatele

Zkoušky PKZ-1 probíhaly na základně vzducholodí ve Fischamend, zpočátku na krátkých, jen půlmetrových poutacích lanech. PKZ-1 se odlepil od země, když měly vrtule 700 ot/min a vykazoval rezervu tahu. Při druhém pokusu byli v gondole tři muži a PKZ-1 bez problémů vystoupal do půlmetrové výšky, kterou dovolovala poutací lana. Při čtvrtém pokusu bohužel shořelo vinutí motoru a do konce války nebylo opraveno. Tím pokusy s PKZ-1 skončily.

Zdroje:
Grosz Peter: PKZ-2 WWI Austro-Hungarian Helicopter, Windsock minidatafile 02, ISBN 0948414731
Periodika: L+K, Air Enthusiast
Web:
http://www.aviastar.org/helicopters_eng
http://www.grancpetrovce.sk
http://www.petrvaldobec.cz/encyklopedie/objekty1.phtml?id=16999
http://1.air_war.sweb.cz/pkz/pkz.htm
http://www.freepatentsonline.com/3801050.html
Autor : Ing. Radek ˝ICE˝ Panchartek / ICE 🕔19.02.2010 📕17.830

Komentáře Disqus

Komentáře Facebook

Sociální sítě

Reklama

Poslední komentáře