W pierwszej części artykułu opisałem początki moich zmagań z wiatrakowcem, którego konstrukcja bazowała na modelu „Ważka”. Drugą próbą zmierzenia się z tematem był polski model „Cobra Morlock Family”. Zestaw kupiłem latem 2009 trochę pod wpływem impulsu, kiedy pierwsze próby z moim wiatrakowcem pokazały, że temat nie jest banalny. Spodziewałem się, że porównanie ustawień, geometrii, kątów w obu modelach, pozwoli wyciągnąć jakieś dodatkowe wnioski odnośnie problemów z oblotem pierwszego modelu. „Kobrę” zbudowałem zimą 2009/2010, model przedstawia się następująco:
Model, choć wymiarami trochę większy, pod względem geometrii okazał się bardzo podobny do mojego - dwułopatowy wirnik, piasta działająca na tej samej zasadzie (choć innej konstrukcji), podobne kąty zawiasów, podobny kąt odchylenia masztu. Zbudowałem go starając się trzymać dokładnie instrukcji, aby uniknąć ew. problemów związanych z typową dla modelarzy skłonnością do „ulepszania” dobrze opracowanych konstrukcji. Zmiany, które wprowadziłem są bez znaczenia dla właściwości lotnych – wzmocniłem podwozie, bo to z zestawu było w stanie przetrzymać tylko łagodne lądowania, a także w inny sposób zamocowałem oś wirnika na maszcie. Próba oblotu odbyła się w czerwcu 2010 i zakończyła się niepowodzeniem. Model po prostu nie chciał latać, zachowanie mojego wiatrakowca było w podobnych okolicznościach dużo lepsze. Wirnik kompletnie nie miał ochoty na autorotację, niezależnie, czy była to próba podbiegu z „Kobrą” w ręku, czy próba kołowania po asfalcie. Nie ma autorotacji – nie ma siły nośnej. Diagnoza mogła być tylko jedna – łopaty nie pracują zgodnie z oczekiwaniem. Model powędrował na półkę i czeka na inną, nową parę łopat, wykonanych wg mojej technologii. Przewiduję, że kolejne próby odbędą się dopiero w następnym sezonie. Poprawy wymaga również głowica wirnika, w czasie ostatniej próby rozbiegu po asfalcie łopaty zaczepiły o kępę trawy na poboczu, w efekcie głowica się rozkleiła w kilku miejscach.
Czy można polecić ten model osobom, które chcą rozpocząć przygodę z wiatrakowcem? Chyba jednak nie i to z dwóch przyczyn. Pierwsza to sam rodzaj modelu – dwułopatowy niesterowany wirnik. Taka konstrukcja, nawet jeśli się uda ją skłonić do latania, będzie miała wszystkie „wbudowane” wady tego rodzaju konfiguracji – tę kwestię omówię szerzej w podsumowaniu artykułu. Druga sprawa to łopaty. Zestaw, w którym kluczowy dla każdego wiatrakowca element – łopaty – należy wykonać od podstaw samemu (używając przy tym mało precyzyjnej metody), nie przedstawia wielkiej wartości dla początkujących.
Kadłub - czy są to elementy wycięte na CNC, czy wycina się je ręcznie wg planów - zrobić jest stosunkowo łatwo i trudno przy tym popełnić jakieś większe błędy. Z łopatami jest inaczej, odwzorowanie profilu gra decydującą rolę, szczególnie kiedy w czasie lotu nie mamy żadnej możliwości zmiany ich kąta natarcia. Kiedy ma się działające łopaty, na wzór których dorabiamy kolejne, metody uproszczone mogą się sprawdzać, bo zawsze jest możliwość weryfikacji z oryginałem. Kiedy się je robi trochę „na oko” pierwszy raz, to albo się uda, albo nie, a od tego zależy powodzenie całego przedsięwzięcia.
Ciekawie została rozwiązana głowica (na zdjęciach pokazana już po moich modyfikacjach), jest wykonana z cienkiej sklejki, oryginalnie wzmacniana prętami laminatowymi (ja wymieniłem je na płytki z cienkiego laminatu epoksydowego), zawiasy są natomiast wykonane ze „zbrojonej” gospodarczej taśmy klejącej – dwie warstwy sklejone ze sobą. Nie bardzo podoba mi się piasta wykonana z rurki handlowej, z łożyskami osadzanymi na klej epoksydowy. Chociaż tego typu rozwiązania stosuje się w amatorskich konstrukcjach, od zestawu można byłoby oczekiwać więcej. To jest kolejne miejsce, w którym mniej wprawny modelarz może popełnić istotny błąd geometrii i ten element również wymieniłem. Porównanie obu głowic znajduje się na fotkach poniżej:
Postanowiłem więc powrócić do własnego projektu. Zbudowałem kolejny model, w którym uwzględniłem wnioski, jakie nasunęły mi się w czasie testowania pierwszej wersji. Nadałem mu nazwę „Ważniak”, jako że inspiracją (żeby nie powiedzieć – matką) była dla niego „Ważka”. Zakładając, że model będzie kolejną przejściową wersją, nie robiłem systematycznej dokumentacji budowy, ale kilka poniższych fotek wyjaśnia zasadę konstrukcji:
Podstawowa rzecz, jaką wprowadziłem do tej wersji (jak się okazało, był to „strzał w dziesiątkę”) to regulacja nachylenia masztu w kierunku „do przodu-do tyłu”. Następne zmiany, to wyżej umieszczony wirnik, niżej umieszczone wyposażenie, co dało w efekcie obniżenie środka ciężkości. Inaczej również rozwiązałem podwozie, co pozwoliło podwieszać pakiet w najniższym miejscu modelu, a także przesunąć koła w kierunku śmigła, co z kolei poprawiło zachowanie wiatrakowca w czasie rozbiegu po asfalcie. Mocowanie pakietu na rzep umożliwiło „płynną” korektę położenia SC. Kadłub (w przeciwieństwie do „skrzynkowego” w pierwszej wersji) jest warstwowy, i to zdecydowanie nie stanowi zalety, ale świadomy wad (co zresztą również potwierdziło się w testach) zdecydowałem się na to rozwiązanie, ze względu na szybszą budowę i mocowanie wyposażenia na zewnątrz kadłuba (za wyjątkiem odbiornika). Przed rozpoczęciem testów „Ważniak” wyglądał następująco:
Maszt i łopaty pozostały z poprzedniej wersji, pewnym modyfikacjom uległa natomiast sama głowica. Podejrzewając problemy związane z pracą zawiasów, poprawiłem kształt bazowego ceownika, a także wymieniłem ograniczniki wychylenia łopat (zwiększenie kąta wychylenia). Eksperymentalnie dodałem również zaczepy, umożliwiające połączenie łopat gumą . To realizacja pomysłu, który nasunął mi się podczas analizy niepowodzeń – rodzaj sprzężenia zwrotnego między łopatami, kiedy łopata nacierająca wychylając się do góry „ciągnie” do dołu łopatę odchodzącą, powodując tym samym zwiększenie jej kąta natarcia. Próby pokazały, że pomysł ma pewien potencjał, ale nie zdążyłem go zweryfikować w sposób systematyczny. Drugi eksperyment miał natomiast na celu zrozumienie jaki wpływ ma na pracę łopat stopień elastyczności zawiasów. W głowicach sterowanych zawiasy mają zwykle bardzo ograniczoną elastyczność, w moim wariancie były całkowicie luźne. Zastosowanie gumy miało w zamyśle regulować tę elastyczność, ale na razie trudno o wnioski, bo nie zdążyłem porządnie przebadać tego zagadnienia.
Podobnie jak przy poprzedniej serii testów, tym razem odbyło się również wiele prób. Niestety kadłub okazał się znacznie mniej wytrzymały i musiał być kilka razy poważnie naprawiany. Natomiast były również pozytywne momenty, model zachowywał się wyraźnie lepiej niż poprzednik i czułem, że ma chęć polecieć, trzeba było tylko popracować jeszcze nad ustawieniami. Kluczowym czynnikiem okazała się możliwość regulacji pochylenia masztu, a także zastosowanie podkładek nadających łopatom ujemny kąt natarcia. Wyjaśniają to poniższe rysunki:
Określenie „ujemny kąt natarcia” nie oznacza w tym przypadku ujemnego kąta w stosunku do toru lotu (bo łopata nie wytwarzałaby wtedy siły nośnej) tylko kąt w stosunku do powierzchni zawiasów, na których łopaty są mocowane. Na to nakłada się kąt odchylenia masztu do tyłu, rzeczywisty (sumaryczny) kąt natarcia łopaty w stosunku do kierunku lotu jest nadal dodatni.Tego typu rozwiązanie było mi znane od dawna, gdyż powszechnie się je stosuje w modelach z wirnikiem sterowanym. Zarówno „Ważka” jak i „Kobra”, miały „zerowy” kąt natarcia, starałem się więc trzymać takiego założenia. Dodatkowo konstrukcja mojej piasty nie była idealna pod kątem zastosowania klinowych podkładek. Wprowadzone modyfikacje głowicy poprawiły tu sytuację, wyczerpały się jednocześnie inne możliwości regulacyjne, więc pozostało przetestować regulację kąta odchylenia masztu. I to był kluczowy moment. Najpierw wirnik zaczął zauważalnie łatwiej – nawet pod wpływem bardzo lekkiego wiatru – wchodzić w autorotację, potem pierwsze próby startu z ręki pokazały, że nie trzeba wcale startować z mocnego rozbiegu. Przy słabym wietrze wystarczy zrobić kilka kroków do przodu, przy silniejszym sam „wychodzi” z ręki, a po korektach położenia środka ciężkości, po prostu POLECIAŁ! Łatwo sobie wyobrazić jak bardzo byłem zadowolony, kiedy w końcu to się stało.
Załączony film pokazuje to zdarzenie. Niestety nie udało się zrobić fotek w locie, gdyż w kolejnej próbie rozbiłem model w taki sposób, że nie nadawał się już do naprawy. Od razu zabrałem się za budowę następnej wersji. Kolejne testy udało się przeprowadzić jeszcze tej jesieni, relacja ukaże się wkrótce.
Podsumowanie
Nie uważam się jeszcze za specjalistę od wiatrakowców, ale pokuszę się o zebranie wniosków, które być może staną się pomocne osobom „przebijającym się” przez ten temat. Wnioski pewnie będą prawdziwe częściowo dla wszystkich takich modeli, ale nie można zapominać, że piszę to, mając za sobą doświadczenia z wiatrakowcem dwułopatowym z niesterowanym wirnikiem, a jako że w wiatrakowcach niuanse grają zasadnicza rolę, niekoniecznie poniższe uwagi muszą okazać się trafne dla innych konfiguracji.
- Z moich prób wynika, że zasadniczą rolę odgrywa kombinacja kąta zamocowania (natarcia) łopat w połączeniu z kątem odchylenia masztu. Sprawa jest pozornie oczywista, bo w płatowcach przecież też się ustawia kąt natarcia płata, a jednak w tym przypadku regulacja jest o wiele trudniejsza, bo w grę wchodzi kombinacja dwóch kątów w związku z dwoma zjawiskami aerodynamicznymi. W płatowcu w uproszczeniu chodzi nam o zapewnienie siły nośnej w zadanym przedziale prędkości, w wiatrakowcu „walczymy” o siłę nośną oraz zdolność do autorotacji w czasie lotu.
- Na w/w czynniki nakłada się jeszcze kwestia autoregulacji siły nośnej na łopacie nacierającej w stosunku do łopaty odchodzącej. Z tym wiąże się kąt zawiasów, na których są mocowane łopaty i jest to w zasadzie trzeci kąt do regulacji, powiązany z dwoma wcześniej wymienionymi. Jeśli się zastanowić, to w zależności od tego jaki jest wypadkowy rzeczywisty kąt natarcia łopaty (kombinacja kąta pochylenia masztu z kątem zamocowania względem płaszczyzny wirowania) to jasne się staje, że autoregulacja będzie działać skutecznie tylko w określonym (wąskim) zakresie kątów zawiasów. Efektywnie mamy więc do „zgrania” aż trzy kąty.
- W tej sytuacji moje przekonanie, że lepszym wyborem na model jest wersja ze sterowanym wirnikiem, zmienia się w pewność. Bezsprzecznie łatwiej jest robić obloty mając możliwość zmiany jednego z tych kątów w locie, niż regulować to przed startem, przeprowadzać próbę zakończoną kraksą, naprawiać model, wprowadzać korektę, ponowny lot, ponowna kraksa itd. To jest wyjątkowo mało wydajna metoda eksperymentowania.
- Kolejnym ważnym czynnikiem jest położenie środka ciężkości. W płatowcach w praktyce regulujemy to w jednej płaszczyźnie – przód/tył, dbając aby znalazł się on w odpowiedniej odległości od krawędzi natarcia płata. Nie zastanawiamy się zbytnio w jakim jest położeniu w płaszczyźnie góra-dół. Wiadomo, są górnopłaty (większa stabilność), średniopłaty i dolnopłaty (mniejsza stabilność) – ale wszystkie te rodzaje płatowców latają. W wiatrakowcu obie te odległości mają zasadnicze znaczenie. Położenie w płaszczyźnie przód/tył odgrywa podobną rolę jak w płatowcach, w płaszczyźnie góra/dół znaczenie jest większe, bo choć wiatrakowiec to rodzaj górnopłata (SC jest zawsze niżej niż powierzchnia nośna), to położenie SC musi wypadać odpowiednio nisko dla zapewnienia stabilności. W przeciwnym wypadku model z niesterowanym wirnikiem zachowuje się trochę jak samolot z płatami bez wzniosu w którym nie ma lotek (brak samostateczności poprzecznej). Nawet niezbyt duży przechył wytrąca go z położenia równowagi i nie da się tego ustabilizować sterami ogonowymi.
- Na wyżej wymienione czynniki nakłada się jeszcze dobór napędu. Typowe rekreacyjne płatowce w większości przypadków mają lepszą lub gorszą zdolność do szybowania. Dobór napędu – o ile zapewnia on wznoszenie – nie jest krytyczny. Wiatrakowiec nie szybuje, a obroty silnika są równorzędnym do sterów instrumentem pilotażu. Ster wysokości decyduje raczej o efektywnym kącie odchylenia wirnika, a za lot ze wznoszeniem lub opadaniem odpowiada napęd, musi być więc on dość starannie dobrany.
- Z powyższych rozważań dość jasno wynika, że czynników niezbędnych do ustawienia, a jednocześnie wpływających w sposób krytyczny na zdolność do lotu, w przypadku wiatrakowca jest więcej niż przy płatowcach. To prawdopodobnie wyjaśnia trudności na jakie należy być przygotowanym, zabierając się za budowę takich modeli. Osobną kwestią jest zdolność do ich pilotażu. Być może pilotom śmigłowców jest łatwiej (a tego nie wiem, bo ja nie posiadam tej umiejętności), dla mnie pilotaż wiatrakowca to spore zaskoczenie i wygląda na to, że odruchy wyrobione podczas lotów płatowcami momentami wręcz przeszkadzają przy wiatrakowcu.