Wiatrakowiec (autożyro, autogyro, gyrokopter) to bardzo ciekawy i nietypowy rodzaj modelu. Nie jest to ani helikopter, ani samolot, a jego „ulotnienie” stanowi prawdziwe wyzwanie. Tym tematem interesuję się już od dawna, ale dopiero Piotrek, zaczynając swoją przygodę ze śmigłowcami, podziałał na mnie mobilizująco i to poskutkowało rozpoczęciem prac nad takim modelem.
Na początek trochę informacji ogólnych, pozwalających zrozumieć, jaka jest specyfika tego rodzaju modeli. Samoloty posiadają stałe płaty wytwarzające siłę nośną oraz napęd, który wytwarza ciąg, umożliwiający przemieszczanie się w poziomie. Śmigłowce mają napędzany silnikiem wirnik, który dzięki skomplikowanemu sposobowi cyklicznego sterowania łopatami wytwarza zarówno siłę nośną jak i i siłę ciągu pozwalającą na jego lot poziomy. W wiatrakowcu wirnik nie jest napędzany - pracuje w trybie autorotacji, wytwarza siłę nośną, ale obraca się pod wpływem pędu powietrza przy poruszaniu się modelu do przodu, do czego podobnie jak w samolocie potrzebny jest silnik ze śmigłem. Przed startem wirnik należy rozkręcić (tzw. prerotacja), start następuje podobnie jak w przypadku samolotu przez rozbieg, natomiast lądowanie jest zbliżone do lądowania śmigłowca.
W modelach najbardziej typowe są konstrukcje pokazane schematycznie na rysunkach: dwa wirniki (obracające się w przeciwnych kierunkach), pojedynczy wirnik z napędem pchającym (najczęściej stosuje się 3 łopaty) oraz pojedynczy wirnik z napędem ciągnącym (2 lub 3 łopaty). W dwóch ostatnich wariantach stosuje się głowicę sterowaną lub niesterowaną. Sterowanie pozwala na pochylanie głowicy wirnika na boki i ew. do przodu/do tyłu. Usterzenie na rysunkach jest przedstawione schematycznie, w praktyce stosuje się bardziej rozbudowane, szczególnie pionowe. Stateczniki w połączeniu z głowicą sterowaną w 2 osiach zwykle nie mają sterów, czasem pomocniczo stosuje się ster kierunku. Ogólnie rozumiane ustawienia dla określonej konfiguracji (rodzaj głowicy, sposób umieszczenia napędu) z dużym prawdopodobieństwem nie będą odpowiednie dla innej konfiguracji.
Dwa wirniki obracające się w przeciwnym kierunku idealnie się równoważą pod względem występujących sił i momentów obrotowych. Problemy związane z pojedynczym wirnikiem są rozwiązane w śmigłowcach poprzez zastosowanie śmigła ogonowego oraz skomplikowany układ dynamicznego sterowania kątem natarcia łopat. W wiatrakowcu moment obrotowy wirnika równoważy rozbudowany ogon, natomiast sposób rozwiązania drugiego problemu jest omówiony poniżej.
Model porusza się do przodu z prędkością Vp. Kiedy łopaty znajdują się w położeniu prostopadłym do kierunku ruchu ich prędkość chwilowa względem modelu wynosi Va dla łopaty nacierającej i jest skierowana w kierunku ruchu, dla łopaty odchodzącej Vb i jest skierowana przeciwnie do kierunku ruchu. W związku z tym prędkość względem ziemi dla łopaty nacierającej A wynosi Vza=Va+Vp, dla łopaty odchodzącej B wynosi odpowiednio Vzb=Vb-Vp. Większa prędkość oznacza większą siłę nośną, w efekcie w tym położeniu łopat wypadkowa siła nośna Fw jest odchylona od osi wirnika w stronę łopaty odchodzącej i powoduje przechył modelu. Zjawisko to kompensuje się przez stosowanie sterowanej głowicy (odchylanie wirnika w stronę przeciwną) lub zastosowanie (przy niesterowanej głowicy) automatycznej kompensacji kąta natarcia łopaty - zasadę wyjaśniona jest poniżej.
Wyobraźmy sobie, że łopaty są zamocowane do zawiasów, w łopacie A zawias jest umieszczony równolegle do cięciwy łopaty i umożliwia jej obrót (podniesienie) względem osi a-a, natomiast w łopacie B zawias zamocowany jest skośnie i pozwala na obrót łopaty względem osi b-b. Łopaty leżące płasko na płaszczyźnie (kolor zielony) unosimy chwytając za końce na podobną wysokość (jest to obrót względem osi a-a i b-b odpowiednio). Widać wyraźnie, że kąt natarcia łopaty A nie ulega zmianie (dolna krawędź równoległa do podstawy), natomiast kąt natarcia łopaty B zmniejsza się (na schemacie jest wręcz ujemny). Zmniejszenie kąta natarcia oznacza zmniejszenie siły nośnej. I na tym właśnie polega ta autoregulacja. Przy danych obrotach wirnika zwiększona siła nośna na łopacie nacierającej powoduje jej podrywanie do góry w stosunku do łopaty odchodzącej, co skutkuje zmniejszeniem kąta natarcia a tym samym siły nośnej i w efekcie końcowym eliminację zjawiska pochylania modelu w kierunku łopaty odchodzącej. Brzmi prosto, ale w praktyce niekoniecznie działa zgodnie z oczekiwaniem.
Długo zastanawiałem się od jakiego modelu zacząć. Z opinii na zagranicznych forach wiatrakowcowych wynika, że najłatwiejsze do oblatania i pilotażu są modele z dwoma wirnikami - tam w zasadzie wystarczy wymienić w kadłubie „zwykłego” samolotu płat nośny na belkę z dwoma wirnikami i powinno latać. Miejsce środkowe na skali trudności oblatania zajmują wersje z pojedynczym wirnikiem i sterowanym w dwóch kierunkach pochylaniem głowicy (zwykle 3-łopatowe z łopatami mocowanymi na stałe), natomiast najtrudniejsze w oblocie są modele z pojedynczym wirnikiem i łopatami na zawiasach. Ilość łopat w teorii nie powinna mieć znaczenia, istnieją latające konstrukcje doświadczonych modelarzy, w których łopata jest tylko jedna, natomiast z praktyki wynika, że łatwiej oblatać modele z wirnikiem 3-łopatowym niż z dwoma łopatami. Prawdopodobnie kiedy model jest już dobrze wytrymowany, można zmniejszyć ilość łopat i też poleci.
W roku 2007 trafiłem na aukcji internetowej na plany wiatrakowca autorstwa modelarza z Warszawy - p. Jacka. Wydały mi się idealne, bo model był prosty w budowie (dwułopatowy) i co najważniejsze sprawdzony. Nie zdawałem sobie wtedy sprawy, że nie mając żadnego doświadczenia w wiatrakowcach biorę się za wariant, który wymaga najmniej pracy w warsztacie, za to sprawi najwięcej problemów w lataniu. Model p. Jacka nazywał się „Ważka” i był zaprojektowany tak, aby dało się go zrobić przy użyciu najprostszych narzędzi i materiałów:
„Ważka” była kolejną (uproszczoną) wersją wcześniej wykonanego i oblatanego przez p.Jacka wiatrakowca z 3-ma łopatami:
Ja dysponując dobrze wyposażonym warsztatem postanowiłem zrobić własną wersję, bazującą na geometrii ( wymiary, kąty, położenie SC) „Ważki”, przykładając się do dużej precyzji wykonania. W zamyśle miało to pomóc w pozbyciu się ew. problemów wynikających z niedokładności uproszczonej technologii. Zakładałem również, że kadłub musi mieć większą odporność na kraksy (a takich się spodziewałem). Tak wyglądała moja wersja przed rozpoczęciem prób lotniskowych:
A tak przedstawiają się szczegóły głowica wirnika:
Model został zrobiony z depronu i balsy, łopaty balsowe (wkrótce pojawi się artykuł o ich wykonaniu), napęd silnikiem 3F (przeróbka z CD-Rom) zasilanym z pakietu LiPo 2S1P 1300mAh, długość modelu - 570mm, średnica wirnika - 720mm, cięciwa łopat - 45mm, masa całkowita do lotu - 300g.
Przystępując do oblotu modelu takiego rodzaju, którym nie latało się samemu, ani nie latał nikt znajomy, kto mógłby udzielić sensownych rad, ma się dużo stresu i wszystko jest dużą niewiadomą. W pierwszym starcie z ręki asystował mi Piotrek, a przebieg tego startu przedstawiają 3 poniższe fotki zmontowane z klatek filmu, nakręcanego w czasie startu przez Grześka..
Najpierw należy rozkręcić wirnik - pokręca się nim lekko ręką we właściwą stronę, następnie z modelem trzymanym w ręku dziobem ostro w górę należy podbiec. To powoduje rozkręcenie wirnika do dużych obrotów (pojawia się wyraźny odgłos charakterystycznego świstu), wtedy ciągle biegnąc, łagodnie przekręcamy model do pozycji poziomej, luzujemy chwyt i wiatrakowiec wychodzi z dłoni do góry. W naszym starcie przebiegało to zgodnie z opisem, prędkość wirnika była chyba jednak za duża, bo model wystrzelił w górę jak z katapulty, zaczął łapać przechył w bok aż do kąta 90 stopni, w tej fazie był już całkowicie niesterowny (zresztą wszystko trwało chwilę, bez wyrobionych automatycznych odruchów trudno jest w takiej sytuacji sensownie zareagować sterami) i spadł na ziemię.
Wykonałem wiele prób tego rodzaju, niestety wszystkie kończyły się utratą sterowności spowodowaną mocnym przechyłem na bok, w stronę łopaty odchodzącej. Widać to dobrze na poniższych zdjęciach, wykonanych podczas jednej z prób startu z ziemi:
Model zaraz po oderwaniu się od pasa zaczyna się przechylać. Kontra sterami przywraca go na chwilę do poziomu, rozpoczyna się wznoszenie w lekko obróconej w poziomie i pionie pozycji (stery cały czas nie są w neutrum), przechył jednak stopniowo się powiększa, aż do utraty kontroli i wznoszenia w nienaturalnej pozycji, po czym następuje twarde lądowanie.
Na szczęście to co w moim modelu działa dobrze - to „kraksoodporność”. Wszystkie próby (a wykonałem ich kilkanaście) zakończyły się kraksą, kilka razy ze sporej wysokości, w sytuacji, w której z modelu samolotu nie byłoby co zbierać. Kilka razy trzeba było dokonać drobnych napraw, ale w większości wypadków wystarczyło przestawić łopaty oraz silnik ze śmigłem we właściwe położenie. Złamałem podczas prób kilka śmigieł GWS, prócz tego żadne elementy (w tym silnik i łopaty) nie uległy destrukcji. Do pozytywów można zaliczyć również to, że występuje autorotacja i siła nośna, a to też na początku nie zawsze działa.
Podsumowanie:
Na razie w moim pojedynku z wiatrakowcem wynik to 0:1 dla wiatrakowca. Oblot okazał się całkiem trudnym wyzwaniem. Próbowałem wielu ustawień, zmieniając pochylenie wirnika, położenie SC, wyważenie, silniki i śmigła. Konsultowałem sytuację z autorem „Ważki” (podziękowania dla p. Jacka), mimo to próby zakończyły się niepowodzeniem. Z uzyskanych informacji wynika, że bardzo trudno jest dobrać wszystkie parametry tak, aby tego rodzaju model latał poprawnie. Mimo niepowodzenia próby dały mi już trochę praktycznej wiedzy dot. jego zachowania i na pewno to zaprocentuje w przyszłości. Wiele wskazuje na to, że łopaty nie do końca pracują jak należy, więc kolejne próby mam zamiar kontynuować już z następną wersją modelu, mam nadzieję, że jeszcze w tym sezonie.