AVIOANE FARA MOTOR – Competitia Kremer

CM1         Dornic sa se elibereze din catusele gravitatiei, Homo Sapiens a invidiat intotdeauna pasarile pentru accesul lor la cea de-a treia dimensiune. A incercat deci sa le imite cu mijloacele de care dispunea el.

Probabil, prima incercare de zbor atestata este intalnita in mitologia greaca. Arhitectul Dedal, retinut in captivitate dupa ce construise faimosul Labirint din Creta pentru regele Minos, si-a construit pentru sine si pentru fiul sau Icar niste aripi din pene lipite cu ceara. Cu ajutorul lor, cei doi s-au avantat spre inaltimi si libertate. Dar Icar, imbatat de zbor, a uitat indicatiile tatalui sau si s-a apropiat prea mult de Soare. Ceara s-a topit si el s-a prabusit, devenind prima victima a zborului.

Cateva sute de ani mai tarziu, un inventator chinez a incercat sa se desprinda de sol agatandu-se de un zmeu tractat de cativa prieteni. Viteza atinsa fiind insuficienta pentru sustentatie, aeronautul si-a procurat un sistem de propulsie mai eficient sub forma unei rachete. In felul acesta a decolat, dar s-a prabusit repede, dand satisfactie celor care fusesera suficient de intelepti sa ramana cu picioarele pe pamant.

Obsesia zborului persista in Evul Mediu, apoi in Renastere, dar omul are, in continuare, la dispozitie doar forta muschilor sai. Mai multe tentative, inregistrate istoric sau doar in legenda, se sfarsesc prin inevitabila cadere, prin sfarmarea aripilor si a visurilor. Nici geniul lui Leonardo da Vinci nu a putut ramane strain de idea unei masini de zbor cu aripi batante. El a studiat miscarea complexa a pasarilor remarcand ca, prin intermediul aripii, se transporta o masa de aer catre inapoi, obtiinandu-se astfel tractiune si portanta.

dedal si icar

Pasarile stapanesc instinctiv aceasta miscare complicata. Aripa lor se roteste in jurul axei proprii in timp ce urca intr-o directie si se roteste in directia opusa in timp ce coboara. Pentru un mecanism, ce ar reproduce aceasta miscare, ar rezulta dificultati mecanice complexe si probleme de rezistenta din combinatia miscarii de bataie si cea de rotatie. Oricum, pasarile se bucura de avantajul unei forte musculare, raportata la greutatea proprie, mult mai mare decat a omului.

COMPETITIA  KREMER

Pentru a se misca liberi prin vazduh, oamenii au trebuit sa rezolve mai intai problema propulsiei. Zborul controlat nu a devenit posibil decat dupa aparitia unor motoare eficiente, cele cu explozie. In momentul in care, la inceputul secolului XX, la masinile de zburat au fost inhamati caii-putere ai motoarelor cu explozie, majoritatea aeronautilor seriosi au inceput sa considere absurda si puierila propulsia cu forta umana. Doar cativa romantici incorigibili s-au mai cramponat, in anii ’20 si ’30, de aceasta obsesie, dar fara prea mult succes. Cicloplanul lui Gerhardt, in America, planorul-ornitopter al lui Lipisch in Germania, avionul lui Bossi si Bonnomi in Italia au confirmat, prin micile lor salturi, atat dificultatea, cat si fezabilitatea zborului cu forta umana. Abia in perioada de dupa razboi, progresele tehnologice in domeniul constructiei aeronautice au determinat reconsiderarea problemei de catre ingineri respectati. Dintre acestia, un nucleu activ a determinat instituirea, in 1959, de catre Societatea Regala de Aeronautica din Marea Britanie, a Competitiei Kremer, care a impulsionat eforturile individuale in domeniu.

Pe scurt, un premiu de 50 000 de lire sterline urma sa fie atribuit primului zbor cu forta umana, avand o traiectorie bine definita: aparatul de zbor trebuia sa descrie un traseu in forma de 8, ocolind doi piloni distantati la 800 m, zburand la o inaltime de minimum 3 m, in aer stationar (vant sub 5 m/s). Echipajul, oricat de numeros, era obligat sa asigure atat propulsia, cat si pilotarea aparatului. Nu se permitea utilizarea unor dispozitive auxiliare cu gaze portante sau de stocare prealabila a energiei, nici largarea unor componente ale avionului dupa inceperea rulajului de decolare. Toate aceste conditii, destul de severe, au determinat o adevarata emulatie tehnica si sportiva.

MYFLY

Avionul fara motor „Mayfly”, 1910

In urmatorii 20 de ani, nu mai putin de 30 de aparate de zbor au fost construite special pentru a raspunde provocarii lansate. Cel putin 25 dintre ele au zburat (intr-o masura sau alta). In urma acestor tentative, a devenit unanim acceptat ca, folosind exclusiv forta umana, se pot efectua, in principiu fara probleme, decolarea, urcarea la 8 -10 m si se poate zbura rectiliniu pe parcursul a mai multi kilometri. Totul incurajator, pana cand venea vorba de viraj.

Mii de ore de lucru, eforturi materiale considerabile, calcule aerodinamice sofisticate au avut acelasi rezultat: constructia unor aparate de zbor remarcabile, uneori de dimensiuni  „uriase”, dar cu greutate incredibil de mica, ingloband solutii ingenioase si sperante. Au aparut astfel  „Puffin” si  „Mayflay” in Marea Britanie,  „Aviette” in Franta,  „Cochkanoff” in Canada, MPA- I in Statele Unite si o intreaga serie de avioane in Japonia, construite la Universitatea Nihon.

Nici prabusirile de la joasa inaltime, deteriorand aparatele fragile, nici insuccesele sau dificultatile materiale nu i-au descurajat pe entuziasti. In 1976, studentii japonezi, condusi de profesorul Kimura, construiesc un nou aparat din seria  „Stork”. Dupa incercari cu rezultate incurajatoare,  „barza” se profileaza ca favorit in Competitia Kremer. Nu sunt admise decat doua variante posibile: cucerirea trofeului sau demonstrarea ca cerintele impuse nu vor putea fi satisfacute niciodata.

Dar, in timp ce japonezii sunt ocupati cu modificarea aripii pentru a putea sustine virajele la viteza mica, un competitor-surpriza apare din urma, facand progrese rapide. Inginerul aeronautic Paul Mac Cready, impreuna cu o mica echipa, realizeaza in numai trei luni  „Gossamer Condor”, cu greutate proprie de 31 kg, de plastic si fire de otel (cel mai usor avion pilotat construit pana atunci), cu anvergura de 29 m. Ingloband solutii constructive ingenioase, o proiectare aerodinamica extrem de ingrijita,  „Condorul” reuseste de la inceput sa se impuna prin zboruri reusite. E drept, echipa beneficiaza de prezenta unui teren de incercare cu conditii meteo foarte bune in California. O calitate cu totul deosebita a solutiei este ca avionul poate fi cu usurinta reparat dupa orice contact mai brutal cu solul (si au fost numeroase).

GC 1

Gossamer Condor, 1977

Chiar cu o saptamana inaintea tentativei incununate de succes, aparatul, avand ca pilot pe Bryan Allen, executa traseul in forma de 8, dar pe ultima portiune este perturbat de curentii de aer formati la aterizarea unui mic avion agricol si cade, deteriorandu-se. Reparatia dureaza trei zile si, la 23 august 1977, echipa lui Mac Cready castiga Trofeul Kremer, zburand cu o viteza de 16 km/h (cea mai mica viteza realizata cu un avion vreodata), in jurul celor doi piloni regulamentari. Ce a fost oare atat de greu ?

Principala dificultate a zborului cu forta umana o constituie valoarea foarte mica a raportului putere/greutate a  „motorului”. Un atlet de 60 – 70 kg poate produce, cu muschii picioarelor, aproximativ 0,37 kW, continuu, timp de o ora, ceea ce inseamna sub 0,05 kW/kg. Un motor de automobil produce maximum 0,4 – 0,5 kW/kg, iar un motor de aviatie peste 5 kW/kg. Greutatea aparatului de zbor este limitata de puterea instalatiei de propulsie. Astfel, cu un motor de 0,4 kW ar fi posibila, in conditii de aerodinamica extrem de ingrijita, decolarea cu o greutate de ordinul sutei de kilograme. Parametrii problemei sunt astfel fixati destul de strict: greutate mica plus aerodinamica buna la viteze mici, adica anvergura mare a aripii si suprafete de comanda eficiente. Acest compromis nu se poate rezolva decat prin utilizarea unor materiale extrem de usoare, devenite disponibile doar in contextul tehnologiei actuale. Anvergura mare, de ordinul zecilor de metri, mai are, in afara greutatii mari, un alt efect dezavantajos: la viteze mici, singurele accesibile propulsiei umane, in cursul virajului, extremitatea aripii dinspre interiorul virajului isi pierde portanta, putand ajunge chiar in domenii critice. Acestea au fost principalele motive pentru care au trebuit sa treaca aproape 20 de ani de eforturi sustinute, pana cand Competitia Kremer – o cursa plina de interes pentru spectatori si de frustrari pentru participanti – sa poata fi castigata, in sfarsit.

AVIOANE ULTRAUSOARE

Multi dintre cei care au urmarit recordurile aviatiei sportive au realizat, probabil, dificultatile tehnice deosebite ce au putut fi depasite numai cu eforturile comune ale unor colective de specialisti ce beneficiau de fonduri substantiale. Pentru amatorii pasionati de zbor, dar neavand asemenea posibilitati, s-a recurs la alte solutii. Una dintre acestea este zborul cu avioane ultrausoare sau diverse alte mijloace de planare. Preocuparile in aceasta directie sunt foarte vechi. Un punct de plecare hotarator l-au reprezentat primele planoare construite la jumatatea secolului al XIX-lea de catre un inginer din Berlin, Otto Lilienthal. Acestea aveau aripi in forma de liliac cu structura din ramuri de salcie, acoperite cu o tesatura de in. Temerarul zburator a executat peste 2 000 de planari, avantandu-se de la inaltime, atarnat de aripi, si controland aparatul prin inclinarea corpului.

Primul avion ultrausor, construit din bambus si matase impregnata cu lac, a fost realizat in 1907 si imbunatatit in 1909 de catre brazilianul Alberto Santos Dumont, proiectant de dirijabile usoare. Denumit  „Demoiselle” si poreclit  „Dragonfly”, el semana mult cu aparatele de astazi. Era un monoplan cu aripa sus, care cantarea 110 kg si era echipat cu un motor de 20 CP de 2 cilindri, ce asigura o viteza de 77 km / h.

demoiselle-100anos1

foto:  Demoiselle

Dupa jumatatea secolului trecut, cum era si firesc, constructia de avioane a fost reorientata spre avioane complexe si sofisticate, tot mai mari si mai sofisticate, tot mai mari si mai costisitoare, cele doua razboaie mondiale influientand radical acest domeniu. Si totusi, cativa specialisti pasionati au reluat proiectele si ambitiile pionierilor de altadata si au continuat aventura zborului, bazandu-se insa pe cunostintele teoretice acumulate de-a lungul anilor.

Astfel, in 1951, Francis M. Rogallo de la NASA a patentat un nou tip de aripa portanta de forma unui  V obtuz, care consta dintr-o tesatura ce se curbeaza de o parte si de alta a unui ax central, fara lonjeroane intermediare. Acest design simplu si elegant a fost scanteia care a dus la renasterea planorului sustinut manual si a declansat un nou sport, foarte popular – deltaplanorismul.

deltaplan 1

Aripa de dacron (tesatura sintetica) si tevi de aluminiu, fiind usor de construit, a facut ca inca din anii  ’70 sa apara numerosi amatori de deltaplanorism.  Din partea pilotului nu se cere mai mult de o buna pregatire fizica si, bineinteles, ceva curaj…  In mod inevitabil, multi dintre cei care practica acest sport si-au dorit mai mult decat o simpla planare in josul pantei. Asa a inceput evolutia  deltaplan – motodeltaplan – avion ultrausor.

Fata de avionul modern, ce a evoluat in 100 de ani, avionul ultrausor, care a pornit de la deltaplan, s-a dezvoltat in aproape 10 ani. Multi deltaplanoristi amatori au montat pe deltaplanul lor un motoras usor si o elice, incercand sa prelungeasca aventura zborului planat. Astfel, in 1975, John Moody, dispunand de un motor de 10 CP si utilizandu-si picioarele ca  „tren de aterizare”, a alergat pe suprafata unui lac inghetat pana ce s-a ridicat si a zburat jumatate de mila.

Performantele s-au marit si s-au inmultit intr-un ritm foarte rapid.

motodeltaplan

Pornind de la vechile desene ale lui Santos Dumont, un tanar de 25 de ani, John Lasko, a construit, in 1977, un aparat de zbor, devenit ulterior extrem de popular, numit de el  „Quicksilver” (argint viu). Ultrausorul este un aparat de zbor in miniatura, construit din tevi de aluminiu si folie de dacron, propulsat de un motoras. El decoleaza si aterizeaza in 15 – 20 m la  37 km / h, urca la un plafon de 3 800 m cu 240 m / min si zboara cu viteza mica la joasa inaltime.

quicksilver

foto:  Quicksilver

Pilotul sta intr-un scaun prins in centuri, fara carlinga, in bataia vantului, manevrandu-si aparatul cu mansa si palonierul, iar motorul cu maneta de gaze, dupa principiul oricarui avion. Acest aparat nu cantareste mai mult de 70 – 115 kg. In sfarsit, cu ajutorul lui, miracolul zborului a ajuns la indemana tuturor !

In anii  ’80, in SUA, erau deja aproximativ 50 de constructori de avioane ultrausoare, multi incercand sa si le construiasca in garaje sau magazii improvizate. Cele mai reusite modele se vand intr-un numar mare, ce depaseste totalul vanzarilor de avioane personale mici. Ele sunt livrate sub forma de kit-uri, pe care cumparatorul le asambleaza singur, in aproximativ 40 de ore, conform instructiunilor insotitoare. Unele firme fac si un control al aparatului montat si ofera lectii de zbor proprietarului. Intrucat aparatul nu este prevazut cu loc si pentru instructor, o metoda interesanta de pregatire consta dintr-o platforma mobila pe care se afla ancorat avionul ultrausor cu pilotul asezat la comenzi. In timp ce platforma se deplaseaza cu viteza necesara aparitiei portantei pe aripile avionului, instructorul da indicatii elevului, al carui aparat decoleaza sau aterizeaza fara nici un risc pentru incepator.

quick silver  kit

Ultrausoarele sunt foarte sensibile la zborul in atmosfera turbulenta, motiv pentru care se recomanda evitarea conditiilor atmosferice nefavorabile. Oricum, accidentele sunt mai putin grave, intrucat energia de impact este cu atat mai mica cu cat avionul e mai usor si are viteza mai mica. Pentru mai multa siguranta, unele modele sunt prevazute cu o parasuta montata pe aparat sau la pieptul pilotului. In cazul unei cedari a structurii, aparatul si pilotul sunt sustinuti de parasuta. Raportul de planare este intre  4  si  10, adica aparatul planeaza 10 m lungime pentru o pierdere de altitudine de 1 m.  Se poate urca la 1 500 m, se opreste motorul si se aterizeaza, la alegere, pe o raza de  16 km. O varianta constructiva cu si mai mare siguranta, ce s-ar putea numi  „paravion”, este un aparat de zbor cu motor, de a carui aripa – o parasuta dreptunghiulara –  se suspenda cadrul triciclu in care sta pilotul. El cantareste cca 70 kg si zboara cu 40 km / h.

Iata-ne deci intr-o epoca in care zborul pare tot mai accesibil pentru amatorii cu mijloace modeste. Si cu toate ca aparatele lor seamana ca forma din ce in ce mai mult cu cele ale pionierilor de la inceputul secolului XX, ele beneficiaza astazi de tot progresul tehnologic.

Catalin Milescu

 

GPS – Sistemul global de pozitionare prin satelit

GPS 1

foto: myroute.ro

GPS – Sistemul global de pozitionare prin satelit este un sistem de navigatie ce foloseste pozitionarea prin satelit, suportul fiind undele radio.

Principiul de functionare al GPS-ului are la baza folosirea unor sateliti din spatiu ca referinta pentru localizarea la sol.

Prin masurarea foarte exacta a distantei in linie dreapta dintre receptor si cel putin patru sateliti se poate determina pozitia oricarui punct de pe Pamant (latitudine, longitudine, altitudine).

Distanta intre satelit si receptor se calculeaza prin cronometrarea timpului de care are nevoie semnalul radio sa ajunga de la satelit la receptor.

Pentru localizarea 3D a unui punct de pe suprafata terestra cu ajutorul pozitiei satelitilor se foloseste metoda triangulatiei. Receptionarea semnalelor si calculul pozitiei se poate face in doua moduri:

– modul absolut

– modul diferential

GPS 2

Modul absolut foloseste un singur receptor GPS, iar precizia de pozitionare este de circa 10 – 15 m.

Modul diferential presupune folosirea a doua receptoare, dintre care unul are rolul de statie de baza, fiind instalat intr-un punct fix cu coordonate cunoscute. Se masoara diferenta dintre coordonatele punctului cunoscut si cele rezultate pentru acelasi punct din analiza semnalelor GPS. Aceste diferente se folosesc pentru corectare coordonatelor determinate cu un receptor mobil in alte puncte din zona respectiva.

Acest mod de lucru este foarte precis (1 – 5 cm), dar distanta dintre receptorul mobil si statia de baza nu trebuie sa depaseasca 30 km.

LUMINA LASER – amplificarea cuantica a luminii

mai-tinerii-care-indreapta-laserele-spre-aeronave-risca-sanctiuni-aspre-1347442659

Amplificarea cuantica a luminii este un fenomen care se produce in cazul interactiunii luminii cu anumite substante ce pot emite cuante de energie de aceeasi frecventa, faza si directie de propagare ca ale undelor care au indus emisia acestor cuante.

Fenomenul se produce doar in anumite conditii specifice si se bazeaza pe procesul de emisie stimulata. Un atom sau un sistem cuantic de particule, ce pot fi atomi, ioni sau molecule, au capacitatea de a trece dintr-o stare energetica in alta emitand sau absorbind cuante de energie. Acest proces de trecere de pe un nivel energetic inferior pe unul superior are loc numai cu absorbtia unei anumite cantitati de energie, egala cu diferenta energiilor de pe cele doua nivele. Invers, recerea de pe un nivel superior pe unul inferior are loc cu emisie de energie. Procesul se poate produce spontan sau stimulat, in acest din urma caz acesta are loc doar sub actiunea unei energii exterioare.

Un atom care absoarbe un foton incident trece intr-o stare energetica superioara, dar instabila, revenind apoi intr-o stare energetica inferioara si emitand doi fotoni similari cu cel absorbit; iar doi fotoni absorbiti vor provoca emisia a patru fotoni etc.

Numarul de fotoni emisi stimulat va fi cu atat mai mare cu cat numarul de atomi aflati intr-o stare energetica superoara va fi mai mare. La echilibru termodinamic, in mod normal, intr-o stare energetica superioara se gasesc mai putine particule (atomi, ioni sau molecule) decat intr-una inferioara. Astfel, emisia stimulata se produce cand are loc o inversiune a numarului de particule din cele doua stari, procs care se numeste  „inversiune a populatiilor”.

Albert Einstein a studiat acest fenomen inca din 1917, insa realizarea practica a fost posibila abia in a doua jumatate a secolului XX, cand a fost posibil sa se obtina o inversiune a populatiilor. Procedeul a fost numit  „pompaj optic” si a fost inventat de A. Kastler. Mai tarziu au fost inventati laserii, dispozitive complexe in care se realizeaza amplificaea cuantica a luminii.rubylaser2-300x209

Fenomenul are locastfel: intr-o substanta unde se petrece aceasta amplificare, un foton care strabate aceasta substanta cu viteza luminii provoaca intr-un timp scurt emisia unui numar foarte mare de fotoni similari cu el, de viteza,frecventa si faza identice si care se propag impreuna producand un fascicol de lumina foarte intens. Astfel, fotonul exterior care a provocat emisiile stimulate iese din dispoitiv amplificat sub forma de lumina laser.

Lumina laser are o serie de proprietati specificecare si-au gasit aplicabilittea in numeroase domenii. Putand fi concentrata intr-un fascicol extrem de ingust, dar de intensitate si putere foarte mari, lumina laser este utilizata in telecomunicatii, industrie,astronautica, medicina, cercetare stiintifica si in multe alte domenii.