Neobvyklá soutěž Stahl fliegt 2011

Letos se v Porýní konal již 11. ročník tohoto originálního klání. Poprvé v historii soutěže byl k účasti přizván také tým ze zahraničí, konkrétně ze Západočeské univerzity v Plzni. O co v soutěži jde? Jak její jméno napovídá, je úkolem každého ze zúčastněných týmů v rámci daných regulí navrhnout a postavit létající objekt z oceli, prezentovat jej před hodnotitelskou komisí a ostatními týmy a ověřit vložené úsilí v závěrečném rozletu. Pravidla, podle nichž mohou až čtyřčlenné studentské týmy za podpory akademických pracovníků navrhnout své létající aparáty, jsou následující. Ke stavbě stroje těžšího vzduchu smějí být použity pouze materiály s minimálně 70% obsahem železa. Hmotnost létajícího objektu nesmí přesáhnout 400 g a musí se vejít do krychle o délce hrany 1 000 mm. Nesmí být poháněn žádným typem motoru. Výjimku tvoří pouze akumulátory energie v podobě gumového svazku. Každý tým má na materiál a stavbu k dispozici rozpočet ve výši 250 eur. V této částce nejsou zahrnuty prostředky poskytnuté případnými sponzory týmu.

Celkové hodnocení, na jehož základě je určen vítěz soutěže, sestává z následujících částí. Průměrný čas letu je vypočítaný ze tří nejlepších z celkem pěti pokusů. Dále se hodnotí nápaditost konstrukčního řešení. A v neposlední řadě kvalita zpracování a prezentování vývojových a konstrukčních prací týmu.

Pohled do historie soutěže

Soutěž Stahl fliegt vznikla z iniciativy prof. Dr. Reinera Koppa z RWTH Aachen s cílem přimět studenty technických oborů nahlížet na ocel jako na moderní, perspektivní materiál a postavit je před nelehký úkol zkonstruovat létající objekt z tohoto v letectví poněkud atypického materiálu. Od studentů se očekává inovativní myšlení, týmová spolupráce a hledání nekonvečních řešení.

Až doposud se soutěž Stahl fliegt omezovala na účast studentů německých technických vysokých škol a univerzit. Letošní ročník je vpravdě zlomový, neboť svou šanci poprvé dostal také tým ze Západočeské univerzity v Plzni, jehož členy jsou Jiří Holeček (Fakulta strojní, FST), Martin Rezek (Fakulta aplikovaných věd) a Michal Trylč (FST). Vedoucím týmu je doktorand FST Ing. Stanislav Kroták. Materiální podpory se týmu dostalo prostřednictvím Výzkumného centra tvářecích technologií (Fortech) a jeho ředitele prof. Dr. Ing. Bohuslava Maška. I jeho zásluhou se ze soutěže čistě německé stala mezinárodní.

Vývoj a stavba letounu plzeňského týmu

Členové týmu se za účelem účasti v soutěži Stahl fliegt 2011 poprvé sešli v polovině února 2011. Na počátku bylo několik nápadů a materiál dodaný prof. Maškem - ocelové fólie tloušťky 20, resp. 25 mikronů, podobné běžné hliníkové fólii, jakou disponuje většina domácností. Jsou tu však rozdíly. Ocel má oproti hliníku přibližně trojnásobnou hustotu. A obdobné je to s poměrem tuhostí obou materiálů. Ocelovou fólii lze sice za běžných podmínek formovat, ale není dostatečně poddajná a v ostrých skladech (o 180°) se láme. Připočtěme ještě hmotnost létajícího modelu z oceli ve srovnání s modelem hliníkovým a vyjde nám, že postavit letuschopný objekt z ocelových součástí není ani zdaleka tak jednoduché.

V myslích plzeňských studentů se během fáze brainstormingu zrodilo množství rozličných koncepcí, z nichž některé byly velmi vzdáleny tomu, co se člověku vybaví pod pojmem letadlo. Nechyběly návrhy padáků, ať už klasických vrchlíků či křídel, jakož i konstrukce vycházející z Codyho draka nebo stroj využívající principu autorotace. Také od vedení týmu vzešel nápad v podobě šípového samokřídla samonosné skořepinové konstrukce ze zmíněné ocelové fólie. Pro zvýšení tuhosti mělo být křídlo opatřeno nehlubokými prolisy, pro jejichž zhotovení se zvažovalo nasazení inovativní tvářecí technologie zvané hydroforming. Pro obtíže při zpracování tenké fólie touto metodou a kvůli očekávaným vysokým nákladům na výrobu formy potřebné pro vytvarování polovin křídla bylo od hydroformingu, jakož i od zmiňovaného konceptu upuštěno.

Koncepce samokřídla

Nakonec se plzeňský tým ke koncepci samokřídla vrátil, ovšem použité konstrukční řešení bylo odlišné od původně zamýšleného. Ke stavbě letounu byly krom ocelové fólie použity ocelové kapiláry o vnějším průměru 3 mm a tloušťce stěny 0,25 mm a kalené dráty 1 mm v průměru z téhož materiálu. Zatímco kapiláry slouží coby vyztužená, dvakrát zalomená náběžná hrana odolná proti nárazu a nabývající též významu hmoty, posouvající těžiště letounu kupředu kvůli získání větší stability za letu, mají dráty kolmo vsazené a zalepené do děr vyvrtaných do kapilár funkci tvarování a vyztužování potahu křídla z ocelové fólie tl. 25 μm (viz obr. 1).

Pro realizované samokřídlo navrhl tým ZČU neúplný profil s hloubkou přes 310 mm vycházející z profilu Clark Y s rovnou spodní plochou. Zakulacení náběžné hrany bylo dosaženo zahnutím potahové fólie a přilepením jejího konce k vodicím obloukům z 1mm drátu symetricky rozmístěných podél náběžné hrany (viz obr. 2). Popisované ohnutí má svůj význam. Slouží pomalu letícímu letadlu jako turbulátor, který jednak stabilizuje let a jednak simuluje obtékání chybějící horní strany profilu (viz obr. 3). Výhodou tohoto řešení je takřka padesátiprocentní úspora hmotnosti potahu oproti profilu uzavřenému.

Letoun o rozpětí necelých 900 mm byl dovážen několika 5g ocelovými vývažky. Při kompletaci bylo použito modelářské lepidlo Sicomet. Samokřídlo bylo vyhotoveno ve dvou takřka identických exemplářích, které se lišily pouze tloušťkou potahové ocelové fólie: 25, resp. 20 μm.

Soutěžní den č. 1

Po osmihodinové cestě z Plzně do Dortmundu tým ZČU ladil poslední detaily powerpointové prezentace a chystal se k veřejnému předvedení svého díla. Na půdě TU Dortmund se sešla početná skupina studentů z univerzit a vysokých škol z celého Německa, celkem 18 týmů. Podle pravidel soutěže může univerzita sestavit až tři týmy pracující na vlastních projektech létajících strojů, což se zpravidla daří těm univerzitám, které se soutěže účastní již od počátků její existence. Jsou to RWTH Aachen, TU Bremen, TU Darmstadt, TU Dortmund, TU Kassel a Universität des Saarlandes. Poprvé byl přítomen tým z TU München a tým z Plzně.

Během prezentací jednotlivých týmů se přítomní mohli seznámit s nejrůznějšími návrhy v rámci zadání soutěže. K vidění byly klasické kluzákové konstrukce, dvoutrupý letoun s kachními plochami, též samokřídla a dokonce házedla složená z tenké ocelové fólie namísto papíru. Pouze jediný z týmů zvolil pohon letounu gumovým svazkem (viz obr. 4). Z nekonvenčních přístupů si zaslouží zmínku házedlo s válcovým křídlem či létající objekt inspirovaný javorovou nažkou, který během svého letu využívá principu autorotace. Přes rozličnost tvarů, velikostí a přístupů k zadání soutěže lze konstatovat, že obecně používaným stavebním, jakož i potahovým materiálem je ocelová fólie nejrůznějších tlouštěk (až po 1 μm) a ocelové kapiláry. Konstrukce jsou povětšinou lepené nebo svařované. Použití lepicí pásky je dovoleno až po absolvování prvního soutěžního letu, zpravidla za účelem nejnutnějších oprav stroje.

Po prezentaci týmů se konala komentovaná prohlídka zkušební haly Institutu pro tváření a stavbu lehkých konstrukcí na TU Dortmund (Institut für Umformtechnik und Leichtbau der TU Dortmund). Studenty zaujalo množství moderního vybavení, jakož i škála experimentů na něm prováděných.

Den D

Druhého dne zrána se v hale č. 6 veletržního komplexu v Düsseldorfu konala vlastní soutěž létajících objektů z oceli. Paralelně hostilo výstaviště v Düsseldorfu veletrhy Gifa, Metec, Thermprocess a Newcast. Na okraji haly, pod jednou z tribun, již byly připraveny typické německé skládací stoly a lavice pro každou příležitost, na nichž soutěžící týmy zřídily své mobilní dílny určené k nejnutnějším opravám během závodu (viz obr. 5).

Po přejímce létajících aparátů, kdy se kontrolovala hmotnost, rozměry a použitý materiál (viz obr. 6), se konečně mohlo začít soutěžit. V hale o rozměrech 145 x 145 metrů a výšce 26 metrů byly přichystány dvě nůžkové plošiny s obsluhou. Odhoz modelů se prováděl z výšky asi 11,5 metru nad úrovní podlahy haly. Vždy jeden člen týmu se nechal spolu se svým modelem vyvézt do patřičné výše, odkud poté, co časomíra oznámila svoji připravenost, model odstartoval. Letuschopnost jednotlivých konstrukcí byla, podobně jako ony samy, velice rozdílná. Některé z letounů, ač oproti stroji plzeňské univerzity opatřených křídlem s klenutým profilem, nedokázaly předvést stabilizovaný let a zřítily se. To byl případ mnoha klasických, letadlových konstrukcí. Naproti tomu například aparát podle vzoru javorové nažky potvrdil správnost konceptu. Zřejmou nevýhodou tohoto jen několik gramů vážícího objektu však je průběh letu, neboť na rozdíl od konstrukcí skutečně létajících dokáže využít pouze dráhu brzděného volného pádu.

Bezesporu nejlepším letounem dne byl model klasické koncepce větroně týmu technické univerzity v Brémách, jehož stabilizovaný a na pohled úchvatný let velmi nízkou rychlostí trval průměrně kolem 25 sekund. Letoun byl opatřen velmi poddajným křídlem, které se za letu přizpůsobilo obtékajícímu proudu. Výsledek práce týmu z TU Bremen tak s nejvyšší pravděpodobností ponese ovoce v podobě vítězství v letošním ročníku soutěže. Je však třeba připomenout, že do celkového hodnocení se krom délky letu započítává také inovativnost návrhu a kvalita prezentace týmu.

A jak si vedl tým z plzeňské ZČU?

Po odhozu pod mírným úhlem šikmo k zemi letoun přešel do klouzavého, poněkud houpavého letu. Tím bylo zaručeno měkké přistání ve srovnání s některými letouny konkurence. Díky tomu a také díky odolné konstrukci letounu se plzeňský tým vyhnul nutnosti provádět mezi jednotlivými lety významné opravy. Výkony a chování samokřídla byly konzistentní a vcelku uspokojující. Dosažená doba letu byla průměrně 10 sekund, což podle odhadu členů týmu stačí na umístění v první polovině startovního pole. Do budoucna však je potřeba zapracovat na zpomalení letu samokřídla, jakož i zaručit jeho větší stabilitu. Výsledky soutěže Stahl fliegt 2011 dosud nejsou známy. Vítězové budou slavnostně vyhlášeni koncem roku 2011.

Pro tým plzeňských studentů byla účast v soutěži Stahl fliegt 2011 cennou a zábavnou zkušeností. Dokázali se prosadit v mezinárodním klání a získali množství inspirace a chuti do dalšího ročníku soutěže. Doufají též, že napříště jejich tým již nebude jediným zástupcem Západočeské univerzity v Plzni a že se na následujícím klání ocelových létajících strojů setkají nejen s kolegy z Německa, ale i z dalších evropských univerzit.

Za tým ZČU v Plzni

Bc. Martin Rezek

e-mail: marrez@students.zcu.cz

ZČU v Plzni 

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete zakoupit v digitální trafice PUBLERO.COM