Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej uczestniczą w budowie innowacyjnego bezzałogowego prototypu ekranoplanu. Są odpowiedzialni m.in. za projekt aerodynamiczny obiektu, projekt wytrzymałościowy, opracowanie modeli dynamicznych platformy oraz dobór napędu. Ekranoplan to statek powietrzny poruszający się nisko nad powierzchnią wody z bardzo dużą prędkością. W przyszłości będzie wspierać działania Wojsk Specjalnych na akwenach morskich.
Ekranoplany wykorzystują tzw. efekt przypowierzchniowy (ang. Wing In Ground Effect), czyli efekt wznoszący w samolotach, ale występujący również w śmigłowcach. Badany jest on także pod kątem potencjalnej przydatności w konstrukcji pociągów, których działanie wykorzystuje efekt poduszki powietrznej. W lotnictwie efekt ten ma wpływ na wartość siły nośnej generowanej przez skrzydła, przy zastosowaniu odpowiedniej prędkości i kąta natarcia. Skrzydła statku powietrznego lecącego na bardzo małej wysokości, równej około połowy długości skrzydła, wytwarzają większą siłę nośną, w porównaniu z lotami na dużych wysokościach.
„Projekt jest realizowany w kluczowej dla bezpieczeństwa państwa nowoczesnej technologii. Rośnie zapotrzebowanie w zakresie obronności kraju na szybkie wsparcia działań Wojsk Specjalnych na akwenach morskich, w tym do przerzutu zaopatrzenia. Znakomitym rozwiązaniem w tym aspekcie okazuje się bezzałogowa platforma nawodno-powietrzna wykorzystująca efekt przypowierzchniowy tzw. efekt ekranu. Odpowiednie jego wykorzystanie, w połączeniu z modułową budową jednostki pływająco-latającej stanowi kluczowe rozwiązanie szybkiego wsparcia działań Sił Specjalnych na obszarach morskich. Pokonanie barier technologicznych i technicznych będzie skutkowało powstaniem demonstratora bezzałogowej platformy nawodno-powietrznej wykorzystującej efekt przypowierzchniowy” – wyjaśnia dr inż. Maciej Majcher z Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT.
Do tej pory tego typu konstrukcje pozostawały w sferze projektów jednostek załogowych, a ich wykorzystanie w postaci platform bezzałogowych o przeznaczeniu militarnym nie zostało jeszcze wdrożone. Badania i rozwój technologii zapewniającej bezpieczny lot z wykorzystaniem efektu przypowierzchniowego przyczyni się do rozwoju układów sensorycznych i sterowania.
Zadaniami stawianymi platformie są:
- szybki transport sprzętu wojskowego na obszarach wodnych;
- realizacja lotu na niskie pułapie z wykorzystaniem efektu przypowierzchniowego;
- możliwość zastosowania platformy jako jednostki pływającej.
„Realizacja tych zadań zagwarantuje wzrost poziomu bezpieczeństwa państwa oraz rozszerzy funkcjonalność sprzętu wojskowego. Szybki transport na stosunkowo małej wysokości pozwala na zwiększenie dopuszczalnej masy startowej w porównaniu z masą własnej jednostki. Lot taki przełoży się na utrudnienie wykrycia platformy a swobodne przejście z fazy lotu do fazy unoszenia się na wodzie będzie gwarantowało ciągłość realizacji misji w stosunkowo trudnych warunkach atmosferycznych” – tłumaczy naukowiec.
Projekt jest realizowany przez Konsorcjum w składzie: Politechnika Gdańska, Wojskowa Akademia Techniczna oraz Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych. Ze strony WAT zaangażowani są pracownicy Instytutu Techniki Lotniczej WAT.
Wojskowa Akademia Techniczna jest w głównej mierze odpowiedzialna za projekt aerodynamiczny obiektu, projekt wytrzymałościowy, opracowanie modeli dynamicznych platformy oraz dobór napędu.
„Kadra naukowa WAT, przed rozpoczęciem realizacji projektu, podjęła się wykonania analiz numerycznych wpływu efektu przypowierzchniowego na charakterystyki aerodynamiczne samolotów latających na małych wysokościach. W tym celu pracownicy zaprojektowali i zbudowali wirtualny model tego typu statku powietrznego. Został on zdyskretyzowany na potrzeby przeprowadzenia numerycznych symulacji opływu dla wariantów z uwzględnieniem wpływu bliskości ziemi oraz dla tzw. lotu swobodnego. Uzyskane wyniki potwierdziły przyrost współczynnika siły nośnej oraz spadku oporu całkowitego przy uwzględnieniu wpływu bliskości ziemi” – mówi dr inż. Maciej Majcher.
Na tym etapie prac wykonany został projekt aerodynamiczny platformy oraz wyznaczone zostały jego podstawowe charakterystyki aerodynamiczne z wykorzystaniem metod numerycznych i badań doświadczalnych w tunelu aerodynamicznym. Trwają aktualnie prace nad systemem sterowania, projektem wytrzymałościowym platformy oraz wyznaczaniem charakterystyk aerodynamicznych dla ustalonych konfiguracji.
„Głównym powodem, dla którego zainteresowano się tego typu konstrukcjami jest możliwość transportu cięższego ładunku, w porównaniu z samolotami realizującymi lot swobodny, oraz osiągania wyższych prędkości niż statki. Ekranoplany pomimo tych zalet nie cieszyły się wielką popularnością, a ich produkcja była ograniczona” – tłumaczy naukowiec.
Początkowo konstrukcje te budowano w celach militarnych. Samoloty latające na małych wysokościach, dzięki wykorzystaniu efektu przypowierzchniowego, mogły być o wiele cięższe niż ich klasyczne odpowiedniki. W związku z tym mogły przewozić one o wiele więcej wyrzutni, działek, żołnierzy czy mobilnego sprzętu wojskowego. Loty na małych wysokościach utrudniały również wykrycie przez radar, ponieważ taki statek powietrzny znajdował się poniżej jego charakterystyki zasięgowej.
Historycznie ekranoplany o przeznaczeniu militarnym, były konstrukcjami o znacznych wymiarach. Dawało to możliwość bezpieczniejszego lotu na małej wysokości. Ciężka, solidna konstrukcja była odporna na uderzenia fal, czy niespodziewane lądowanie na wodzie wywołane na przykład błędem załogi. Obecnie budowane ekranoplany, są mniejsze, o bardziej zwartej konstrukcji. Coraz rzadziej są wykorzystywane do celów militarnych. Także duże korporacje nie zajmują się problematyką samolotów latających na małych wysokościach, co doprowadziło do pojawienia się małych firm specjalizujących się w ich projektowaniu. W konstrukcjach tego typu dostrzeżono duży potencjał badawczy, transportowy (transport towarów czy pasażerów) oraz sportowy. Jednak do tej pory nie doczekały się one komercyjnego sukcesu.
Ekranoplany mogą stanowić dobrą alternatywę dla poduszkowców. W ich przypadku istnieje możliwość modyfikacji podwozia co umożliwia również start z terenów przygodnych, zasolonych jezior, pustyń, lodowców. Mniejsze konstrukcji mogę być obsługiwane ze statku. Dzięki temu rośnie ich zasięg i możliwość bezpiecznego testowania na otwartym morzu czy oceanie.
Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Programu na rzecz obronności i bezpieczeństwa państwa pn. „Rozwój nowoczesnych, przełomowych technologii służących bezpieczeństwu i obronności państwa” pk. „SZAFIR” – Konkurs nr 4/SZAFIR/2021.
Marcin Wrzos
fot. Oleksandr Perets