X-29 - když je něco moc nestabilní tak ani počítač nepomůže

Určitě všichni znáte fotku tohodle letadla. Křídla naruby, jinak F-5a.

Je to X-29 vyrobená firmou Grumman v roce  1984 jako experimentální letoun financovaný agenturou DARPA, letectvem USA a NASA pro testování a ověření  mnoha nových technologií.

• křídel s obrácenou šípovitostí
• konstrukci z pokročilých kompozitních materiálů
• proměnný aeroelastický povrch křídel
• párových kachních ploch
• klapek na otokové hraně ocasu
• a spousty dalších :)

V podstatě to nejzajímavější se odvíjí od jeho obrácené šípovitosti a kachních ploch. Je několik důvodů proč se konstruktéři rozhodly udělat křídla tak jak je udělali.

1. Klapky a křídla neztrácí vztlak při extrémních úhlech náběhu, je tedy plně manévrovatelné i při prudkých změnách výšky ve velké rychlosti. Je excelentně manévrovatelné až do úhlu náběhu 45°.
2. Letadlo je samo od sebe prudce staticky nestabilní při nízkých rychlostech do cca 1 Mach po překročení rychlosti zvuku se jeho těžiště a působiště vztlaku posunou blíže k sobě a tím se letadlo stane jen mírně nestabilním.

Díky negativnímu šípu má letadlo posunuté těžiště a působiště aerodynamických sil dál od sebe a to ještě takovým způsobem, že působiště aerodyn. sil je PŘED těžištěm. U pozitivní (normální) šípovitosti je to naopak a letadla se proto stávají s přibývající rychlostí více nestabilní neboť působiště se posouvá vzad a tedy se vzdaluje od těžiště. Proto byla u X-29 zvole obrácená šípovitost, která vytlačí působiště vpřed a to se s rostoucí rychlostí blíží k těžišti. Moment kdy se tyto dva body shodují je při okolo rychlosti Mach 1.5. V tomto okamžiku se letadlo stává podélně staticky stabilním.

Kachní plochy na letadlech zajišťují lepší obtékání křídel a tím zvyšují stabilitu, současně zabraňují ztrátě vztlaku a společně s negativním šípem zajišťují již zmíněnou dobrou manévrovatelnost až do úhlu náběhu 45°. U X-29 byly využity ještě z důvodu zlepšení satabilizace při podzvukových rychlostech.

Na obrázku je ukázáno jak při extrémních úhlech náběhu zlepšují kachní plochy u reverzního šípu vztlak na křidélkách umístěných na konci ocasu.

 Řídící systém je plně elektro-mechanický tedy tipu fly-by-wire, stejná technologie byla využita např. u raketoplánů. Řídící pokyny pilota jsou před jejich přenesením na aktuátory (křidélka, směrovku a pod.) předzpracovány počítačem a jsou do nich zaneseny korekce aby bylo letadlo vůbec schopné letu.

X-29 má triplexní digitální řídící systém s analogovou zálohou pro každý kanál. Systém je navržený tak aby byl plně provozuschopný po ztrátě jednoho počítače a bezpečný po zrátě dvou. Systém provádí 40 korekcí za vteřinu. To je plně mimo liské možnosti, proto X-29 létá jen díky řídícímu systému který je proto dostatečně zálohován a vcelku dost robusní.

Hlavním úkolem řídícího systému je stabilizovat letadlo. Jakousi přidanou hodnotou je, že během letu neustále trimuje řídící prvky tak aby bylo dosaženo co nejmenšího odporu vzduchu a tím zvýšení efektivity
letu.

Zjednodušené schéma řídícího systému příčné dynamiky.

Řízení v příčném směru je zajištěno čtyřmi zpětnovazebními signály. Příčná dynamika je pro rozumné úhly náběhu vcelku konvenční proto jí nebudu více rozebírat.

Zednodušené schéma řídícího systému podélné dynamiky.

Tři zpětnovazební signály (úhel klopení, normálové zrychlení a pozice kachních ploch) jsou použity pro stabilizaci letadla podélně. Jak je z diagramu vidět, sčítají se v jednom bodě Yt0. Což znamená, že podélná osa může být brána jako single-input-single-output systém s jednou dobře definovanou open-loop přenosovou funkcí. To dovolilo využít fázovou a amplitudovou bezpečnost pro určení stability systému.

Jak již bylo zmíněno, letadlo bylo předem konstruováno jako nestabilní při podzvukových rychlostech, nicméně inženýři zjistili, že je nestabilní až příliš (nestabilní pól mělo v +6 rad). Přitom využitelné pásmo pro řízení má šířku jen 40 rad/s je to dáno především kostrou letadla která není zcela tuhá a rychlostí řídících počítačů.

Pro vojenská letadla jsou normy pro stabilitu určeny jako Phase Margin(PM) = 45° a Gain Margin (GM) = 6 rad . U X-29 vyšlo PM = 35° a to teoreticky jako max. možný, už tady je vidět problém. Pro takto nestabilní letadlo ještě v dnešní době není možné vyvinout dostatečně robusní řídící systém. X-29 je od roku 1992 uzemněna a jediné 2 prototypy jsou vystaveny v Leteckém muzeu v Daytonu a druhý je zakonzervován v Dryden Research center při Edwardsově letecké základně. Nicméně i přez problémy se řízením se tento letoun ukázal jako velice přínosný a na několik technologií vyvynutých pro tento stroj je nyní využívaáno v F-22 a budoucích F-35 JSF.

Zatím v spočasné době platí pravidlo, že pro návrh rozumného řízení musí mít letadlo šířku pásma větší než desetinásobek nestabilního pólu.

Díky za přečtení doufám, že se vám pst líbil. Pokud ste odhalili chybu nebo hloupost neváhejte a dejte mi vědět :)