Firma TL-ULTRALIGHT zahájila ve spolupráci s Leteckým ústavem VUT v Brně projekt s cílem zvýšit pasivní bezpečnost posádky UL a LSA letounů, což má vést ke zlepšení užitných vlastností nově vyvíjeného letounu TL-Stream a vytvoření náskoku před mezinárodní konkurencí. Článek popisuje dílčí úspěchy v projektu a zamýšlí se nad možnostmi komplexního řešení této otázky.

Autoři:  Martin Zahálka, Michal Mališ

Současný vývoj letadel v kategorii UL a LSA dospěl do stádia, kdy již není možné výrazně inovovat v oblastech, které mají za následek zvyšování výkonových parametrů. Nastala tedy situace obdobná automobilovému průmyslu, kdy většina vozů nabízí obdobné vlastnosti, důraz se však nyní spíše klade na vedlejší užitné vlastnosti a zejména bezpečnost. Úroveň jejího řešení je častým kritériem při rozhodování zákazníka.

Pasivní bezpečnost jak u automobilů, tak u letounů funguje jen v omezených rychlostech. Automobily jsou konstruované na utlumení nárazu při nízkých „městských“ rychlostech, pasivní bezpečnost u lehkých letounů uvažuje jen s haváriemi při nezvládnutém vzletu nebo přistání, při malých rychlostech a pády z velmi malých výšek (jednotky metrů). Rozdílnost charakteru nárazu a typické konstrukce automobilu a malého letounu nedovoluje prvky pasivní bezpečnosti z automobilu jednoduše přesunout do letounu. Automobily počítají většinou s několika typy čelního nárazu, kdy veškerou energie nárazu musí pohltit absorbéry před prostorem pro cestující, tak aby deformace konstrukce nezasáhla bezpečný prostor pro posádku. U letounu se uvažuje jako nejhorší případ nárazu letounu pod uzlem 30° při pádové rychlosti (obrázek 1).

Obrázek 1: Typický náraz lehkého letounu

Tyto údaje vychází z příručky pro návrh pasivně bezpečné konstrukce letounu (Small Airplane Crashworthiness Design Guide) vydané v roce 2002, jejíž základem jsou mnohaleté výzkumy pasivní bezpečnosti na lehkých letadlech v NASA. Konstrukce pasivně bezpečné kabiny lehkého letounu musí zabezpečit celistvost konstrukce při úvodním nárazu, zajištění bezpečného přežitelného prostoru pro posádku při důsledném využití bezpečnostních pásů a zabránění vzniku požáru po nárazu včetně možnosti rychlého opuštění letounu. U typického nárazu, podle typu dopadové plochy, dochází ke sklouznutí a dobrzdění na dopadové ploše. Energie nárazu je pohlcena několika mechanismy. Jednak čelní plochou kokpitu, u standardních uspořádání letounu s motorem vepředu, energii může utlumit i motorové lože. Stále však platí, že deformace konstrukce nesmí ohrozit pilota.  K dalšímu pohlcení energie dochází při následném sklouznutí a dopadu letounu na břicho. Velkou část energie pohltí navazující skluz a tření mezí letounem dopadovou plochou. Podle tření dopadové lochy pak ještě hrozí převrácení letounu na střechu.

Reálné zkoušky pasivní bezpečnosti se však provádějí na letounech velmi omezeně. Pádové zkoušky celých letounů jsou technicky náročné a dosti nákladné. Realizovány jsou zatím jen pro výzkumné účely. Při objemu výroby malých letounů by se náklady vložené do testů těžko vracely. Jedinými zkouškami pasivní bezpečností zanesenými v požadavcích na konstrukci letounu kategorie GA, jsou dynamické zkoušky leteckých sedaček. Zkoušky mají zjistit správnou funkcí bezpečnostních pásů při celním nárazu a ochranu páteře při svislém nárazu. Požadavky na dynamické zkoušky sedaček byly do stavebních předpisů zahrnuty v polovině 1985 na základě statistiky nehod a odhadu přežitelného nárazu.

Samostatnou kapitolou při řešení pasivní bezpečnosti jsou numerické modely. Jejich tvůrci by rádi modely povýšili na tzv. „virtuální testování“, aby mohli navýšit množství teoretických modelů a snížit množství reálných experimentů. Ačkoliv se jedná o lákavou cestu roli experimentů stále nelze při řešení pasivní bezpečností odstranit. Zejména pro simulace nárazu konstrukcí z kompozitních materiálů jsou považovány numerické simulace za neprediktivní nástroj. Numerická simulace tedy musí být laděna pomocí reálné zkoušky.

Technické řešení projektu „zvýšení pasivní bezpečnosti letounu TL-ULTRALIGHT“ je rozděleno na tři problémové okruhy, které zahrnují komplexní řešení pasivní bezpečnosti lehkého letounu. Jedná se o problematiku ochrany hlavy a páteře v průběhu havarijního přistání, dále pak zabezpečení celistvosti konstrukce při havarijním přistání a ochranu kokpitu proti průrazu okolních částí konstrukce.

Průběžným výsledkem spolupráce byla nově vyvinuta sedačka pro letoun TL-Stream. Konstrukce sedačky vycházela z konstrukce původní sedačky, zejména tvar sedací části je tvarově nezměněn. Podstata pasivně bezpečné sedačky spočívá v předání části energie absorbéru, který je instalován pod sedací částí sedadla.  Vzhledem k typu konstrukce sedačky je sedací část rozdělena na pevnou a pohyblivou část sedáku (obrázek 3). Pohyblivá část je k sedačce připevněna jen pomocí absorbéru, který je v okamžiku nárazu tlačen směrem do absorbéru. Ten se tlakem zbortí a tím utlumí zatížení působící na páteř pilota.

Obrázek 2: původní sedačka letounu TL-Stream    Obrázek 3: Nová sedačka letounu TL-Stream

 Na jaře tohoto roku byla sedačka testována ve společnosti Dekra cz a.s. na zkušebně silničních vozidel (obrázek 4). Sedačka upnuta v rámu vybavení testovací figurínou byla rozjeta na rychlost cca 10 m/s a rychle zabrzděna za 0,1s při maximálním přetížení 19g. Zkoušena byla původní i nová sedačka. Testy prokázaly snížení maximálního zatížení v páteři pilota, měřeném na figuríně (obrázek 6).  Následující případné konstrukční úpravy budou probíhat na základě výsledků numerických analýz (obrázek 5), které jsou kalibrovány podle již provedených experimentů.      

Obrázek 4: Zkouška sedačky

Obrázek 5: Numerická simulace zkoušky

Obrázek 6: Porovnání sily do páteře pilota pro původní a novou sedačku

 V tomto roce připravujeme ještě jednu dynamickou zkoušku na automobilní zkušebně s využitím figuríny, která bude umístěna v kokpitu letounu. Cílem zkoušky bude analýza správné funkce bezpečnostních pásů, jejich uchycení v konstrukci letounu a odhad možného zranění hlavy pilota při případném střetu hlavy s vnitřní konstrukcí kokpitu.

V následujícím roce připravujeme dvě pádové zkoušky celého letounu. Vzhledem k materiálním a technickým možnostem nepůjde o nárazy uvedené na obrázku 1, ale o pády, které odpovídají pádu letounu na bezpečnostním padáku s vytaženým a nevytaženým podvozkem. Cílem bude odhadnout rozsah poškození při pádu s otevřeným podvozkem a odhad poranění pilota při pádu letounu na pádu se zavřeným podvozkem. Následující odhad rozsahu poškození a rizika poranění členů posádky při nárazu podle typického nárazu (obrázek 1) budou provedeny na základě numerických simulací metodou konečných prvků.

Hlavní cílem projektu je vývoj, návrh a experimentální ověření prototypu letounu kategorie UL a LSA, který bude vycházet ze současného ověřeného typu společnosti              TL-ULTRALIGHT a budou do něj implementovány prvky zvyšující pasivní bezpečnost posádky. Tento prototyp bude sloužit jako etalon pro následující výrobu inovovaného produktu (letounu), u kterého použitím zvolených prvků dojde ke zvýšení užitných vlastností a tím i vzniku konkurenční výhody.