DAVIDO: hmm, to je koukám pořád oblíbená mantra, to "sraní na fyziku"... co na tom, že problémy už i u předchozích konstrukcí nebyly ve fyzice, ale spíš v praktických otázkách (typu jak by se to chovalo za jiných podmínek, než bezvětří, jak to provozovat na letištích určených pro naprosto jiný typ letadel, apod.). takže nový koncept, který na většinu těhle praktických připomínek nějak reaguje a jako bonus přináší i podstatně reálnější čísla, která se týkají i té fyziky zareaguješ... jak jinak... že "seru na fyziku"... hmm.

ok, počkám si do dubna na Solar Impulse II, jak moc bude "srát na fyziku" (rozuměj: jak rychle bude létat v té cca 10 km výšce, pro kterou je stavěný) a jestli v jeho (přetlakové) kabině pilot taky zmrzne (musí vydržet až 2 noci, zatímco můj projekt by v noci nelétal...).

ale samozřejmě... ještě že se tu bavím se samými nadprůměrně chytrými nadlidmi, kteří díky svému úžasnému mezioborovému rozhledu přesně vědí, které věci nikdy v budoucnu nebudou jinak, než jsou dnes...

NINE_OF_NINE: to je docela dobrý postřeh... akorát celou dobu zdůrazňuju, že u dopravního solárního letadla počítám pouze s denními, nikoliv s nočními lety (stroj bude naložený cestujícími - nikoliv akumulátory pro celonoční výdrž). takže ano: v noci by v tom letadle zřejmě mrzlo - ale naštěstí, v akumulátorech bude kapacita tak max. na hodinu motorového letu, takže večer prostě bude muset přistát. Samozřejmě je možné, že by pilot porušil provozní předpisy a i po soumraku by díky kombinaci vodorovného letu a bezmotorového plachtění pořád letěl ve výšce přes 10 km: a stejně tak může porušit předpisy pilot dnešních letadel a provést nějaký jiný nebezpečný nesmysl.

DAVIDO: den druhý odstavec sis mohl odpustit :-) "udusí se a zmrznou" asi se stejnou pravděpodobností, jako v čemkoliv jiném, co dostupuje do výšky počínaje těmi cca 12 km a není to

AQUARIUS: takže když letíš dostatečně rychle, tak tě to ohřívá, zatímco když letíš pomalu, tak zmrzneš? :-) existují i stratosférické balóny... a nebo prostě výškové s velkou výdrží, viz http://en.wikipedia.org/wiki/Breitling_Orbiter (konstrukce gondoly tohohle balónu je asi relevantní i pro moje úvahy... z hlediska vzduchu jednoduše měli kyslíkové bomby, ale z hlediska vytápění... zřejmě elektrické topení solárními panely?)

další věc je, že v té stratosféře nebude to solární letadlo až tak dlouho - pouze v ní překonáš největší část horizontální vzdálenosti, to ano. ale bude tam odhadem tak půl dne... nad 10 km skutečně jen tak asi 6 hodin...

AQUARIUS: ok... tak pro začátek, letadlo s malým plošným zatížením křídla nepoletí ve stratostéře až tak extra rychle... celkový chladící účinek by tedy měl být menší, nebo stejný, než u běžných dopravních tryskáčů ve výškách do 12 km... víc se ale dozvíme, až bude hotový projekt stratosférického větroně, na kterém se asi právě pracuje (ale zase jsem zapoměl jméno)... ostatně, zajímavé bude i odhalení Solar Impulse II (taky s přetlakovou kabinou)

jako čekal bych kritiku/korektury spíš co se týče těch výpočtů rychlosti, stoupavosti, výdrže baterií, případně dopočet té fáze, kdy to přejde z vertikálního do normálního klouzavého stoupání (dodají na tuhle fázi panely dostatek elektřiny?). tam jsem skoro určitě udělal nějakou chybu, resp. jsou to viditelně optimistické odhady bez rezerv a tak.

ale že přetlaková kabina pro 40 lidí bude vážit ty cca 2t, to beru prostě jako hotovou věc: ano, bylo to předmětem kritiky už dřív... ale k tomuhle postupně konvertují i normální, nesolární, neelektrická letadla... vezmi si jen, že přechodem na VTOL můžu prakticky eliminovat podvozek (takhle rozsáhlé letadlo by stejně bylo těžké někam stěhovat... navíc ani nebude přistávat na letištích...)

AQUARIUS: tak jedna věc je, jestli by to s dnešními materiály šlo postavit: určitě ano. druhá věc, jestli by to lítalo i na papíře s razítkem: to asi ne, viz https://en.wikipedia.org/wiki/Cabin_pressurization#Cabin_altitude největší vyjímku má A380, do 13 km.

FAA se nijak zvlášť nechce ani do certifikace SpaceShip Two (resp. razí Hlavu XXII - chce to certifikovat až na základě zkušebních letů, ale ty budou drahé, takže bez záruky certifikace na základě těhle letů se do toho Bransonovi moc nechce - což jako podnikatel chápu)

faktem je, že experimentální letadla od Scaled Composites létají běžně tak do 16 km výšky a hmotnostně celkem odpovídají číslům, která uvádím já... jsou to ale experimentální letadla, která samozřejmě nejsou certifikovaná pro přepravu cestujících.

osobně si myslím, že těch cca 9 kW odpadního tepla motorů (při solárně poháněné fázi letu) by na vyhřívání kabiny prostě stačit mělo. nemluvě o tom, že každý 1 m2 vakuovaného solárně termálního kolektoru ti přidá v téhle výšce další cca 1 kW (klidně 1.5, ale Slunce nebude přímo nad hlavou, po většinu letu). jinak v první fázi stoupání motory pojedou na plný výkon, na baterie, takže odpadního tepla bude až až. osobně si ale myslím, že od určité výšky ti ubývá ochlazování vlivem proudu studeného vzduchu, vzhledem k jeho klesajícímu tlaku: takže ačkoliv vnější teplota je ve 12 a 21 km cca stejná, tak ochlazování prouděním studeného vzduchu kolem trupu bude větší výšce méně citelné (protože řidší vzduch - technicky v podstatě skoro vakuum - rozhodně aspoň tak dobré, jak v průměrné termosce)

jinak ještě https://en.wikipedia.org/wiki/Cabin_pressurization#Mechanics_of_pressurization
Some aircraft, such as the Boeing 787 Dreamliner, have re-introduced the use of electric compressors previously used on piston-engined airliners to provide pressurization. The use of electric compressors increases the electrical generation load on the engines and introduces a number of stages of energy transfer, therefore it is unclear whether this increases the overall efficiency of the aircraft air handling system. - co je "unclear" u Dreamlineru, to je poměrně "clear" u solárního elektrického letadla, které létá jen přes den a je od hlavy až k patě pokryté solárními panely...

AQUARIUS: v zásadě asi jo - nevytápěné (ale i neklimatizované!) zavazadlové prostory letadel po cestě celkem promrzají. ale možnost solárního vytápění kabiny viz výše....

souhlasím, že ten obrázek [ XCHAOS @ Solární letadla a vzducholodi (pilotovaná i bezpilotní + stratosférické létání + rychlostní rekordy solárních aut) ] je až dost optimistický - přetlaková část kabiny by měla být v podstatě něco-jako-kulová-bublina, tedy: krátká, a tlustá. jenže pak ti zase vyjde čelní průřez blížící se ploše, kterou zaberou cestující a to taky nechceš. výsledkem bude nutně muset být nějaký kompromis... ale pořád jde posadit třeba 3+2 lidi do 8 řad, místo 2+2 do deseti řad...

jedna věc je, jestli kabina vydrží ten přetlak - podle mě se tak dá navrhnout, za cenu použití hodně pokročilých postupů při konstrukci (v podstatě isogrid žebra, jako u kosmických lodí, dnes snáze dostupná díky postupům jako 3D tisk, CNC odvrtávání, apod.). tady je jádrem sporu to, jestli jde o to, zda bych to dokázal navrhnout do posledního šroubečku (nikdo na světě by to nedokázal - na všem pracují týmy inženýrů, specializovaných....), a nebo zda jde o to, zda v hrubých rysech lze očekávat, že něco, co by dnes znamenalo "kosmickou technologii" by mohlo za dalších 10 let být běžně komerčně dostupné...

AQUARIUS: popravdě - ani jsme se neshodli, jestli tu kabinu bude potřeba spíš ohřívat, nebo chladit! (v noci určitě ohřívat, ok... ale přes den?)

o tom tlaku se ledacos dá najít tady: https://en.wikipedia.org/wiki/Cabin_pressurization o teplotě nic najít nemůžu, ale fakt nevěřím, že argument se zmrznutím v kabině je relavantní (nápověda: existují přetlakové stratosférické balóny!)

AQUARIUS: tak rozhodně existovala pístová letadla s dostupem do stratosféry. kompresor lze pohánět i elektrickým motorem

dnes existují přetlakové kompozitní kabiny: průkopníkem jsou např. experimentální letadla od Scaled Composites (viz wiki), tam přes 20 km létají SpaceShip One i Two - mají celokompozitní konstrukci a od toho co navrhuju, se to zas tak strašně moc neliší (možná, že tvar kabiny by se při použití kompozitů ukázal výhodnější kratší a baňatější, ale nevím ...v každém případě aerodynamická proudnice směrem k ocasu nemusí být uvnitř hermetizovaná a může být velmi lehká). když se podíváš na hmotnostní rozpočet, tak vidíš, že bez baterií to má vážit 4t: to vypadá jako celkem hodně, ale i hodně obrovská kompozitní letadla váží běžně (celá) kolem 2t. koukal jsem se na novější typy menších letadel a je celkem běžné, že prázdná konstrukce (u elektrických letadel občas i s bateriemi) váží zhruba stejně, jako užitečné zatížení. pravda, nejsou to letadla pro 40 lidí... ale vývoj jde tímto směrem.

podle mě důvodem, proč se až tak moc nelétá do stratosféry (kromě vojenských letadel a Concorde) není to, že by kabinu nešlo udržet natlakovanou a vyhřát jí: rozdíl mezi 12 a 21 km není z hlediska přežití při dehermetizaci nebo venkovní teploty zas tak zásadní. podle mě je důvodem, že 1) vláčet do té výšky palivo tě stojí další palivo 2) motory tam mají málo kyslíku (zvlášť pístové)

3. odpadní teplo motorů rozhodně nebude nulové (elektrická letadla potřebují elektromotory chladit proudem vzduchu) a baterie budou v gondolách motorů. uznávám, že potenciální problém je v tom, že ti baterie "zamrznou" - ale ve chvíli, kdy máš energii na to je dobíjet, máš i energii na to je ohřát (nějakým odporovým drátem)

4. "provozní násobky" si nechám poradit, jaké jsou v oboru běžné :-) vzhledem ke spíše nižším rychlostem, kterými se to bude pohybovat nízko u země, to bude v zásadě bezpečnější, než když se např. tryskáč pokusí o nouzové přistání a jeho rychlost je pořád v rádu stovek km/h. podstatné je tam právě to překlápění křídla: je jasné, že takhle lehké nesložené křídlo o délce 210m by se bez ohledu na použité materiály při podepření ve třech bodech prostě prohlo a zůstalo ležet na zemi. proto tam pořád řeším nějaké to skládání - a teď jsem ho konečně snad vyřešil.

ono to vypadá blbě... ale vystoupat absolutní (tedy nulovou vertikální) rychlostí 3 m/s do 6000 m (za cca 35 minut) může být skutečně způsob, jak ušetřit spoustu energie: protože pokud stoupáš šikmo dopředu a letíš nezanedbatelnou rychlostí, tak prostě odpor vzduchu trupu se počítá. a proti běžným vrtulníkům nebo tilt-rotorům má tilt-wing (a i historické německé a obří ruské dvourotorové vrtulníky s rotory na příhradových konstrukcích po obou stranách trupu) výhodu, že do proudu vzduchu z rotoru nezasahuje svým průřezem trup či část křídla (čelní průřez motorové gondoly může být minimální.. zvlášť když bude podlouhlá, jak je to v tomhle případě tak jako tak potřeba). prostě pokud šetříme, tak v hustém vzduchu není moc chytré letět rychle dopředu: s tím je lepší počkat na řídký vzduch a levnou energii ze slunce nad mraky...

AQUARIUS:

1. to ale znamená, že i běžné soukromé tryskáče musí mít přetlakované kabiny a nějaké zařízení na udržování tlaku v kabině: problém s dehermetizací kabiny by byl ve 21 km zhruba stejně fatální jako ve 12 km. prostě spotřebuješ trochu víc energie na stlačování toho čerstvého vzduchu do kabiny - ale principiálně použiješ stejné klimatizační zařízení (podle mě)

2. z toho grafu ti vyplývá, že mezi 12 a 21 km není extra velký rozdíl, co do teploty: v krajním případě ti může stačit natřít horní střechu kabiny načerno, resp. umístit na ní nějaký vakuovaný teplovodní kolektor (ovšem taky bude celkem dost odpadního tepla z motorů, i když pravda...ty jsou +/- 30 daleko od kabiny v motorových gondolách... ale stejně by se asi odpadním teplem rozmrazovala náběžná hrana křídla, apod.

uvědom si taky, že kabina je _hermeticky_ uzavřená (nutně) a že do ní musíš čerstvý vzduch vhánět pod tlakem: běžné levné rekuperační větráky mají přitom účinnost až 70%. může se docela dobře stát, že v kabině (osvětlené poledním sluncem, apod.) budeš mít problém spíš s přehříváním, než s podchlazením (a létat to bude logicky jen přes den... nevydrží to potmě bez baterií dýl jak hodinu, z definice)

Tak konečně zpět k solárním letadlům... na představení Solar Impulse II si počkáme do 9 dubna (a na první zkušební lety ještě kdoví dokdy), takže prozatím další čirá fikce z dílny Arachne Aerospace.

Minimálně rok jsem si lámal hlavu, jak vyřešit problém potřeby nízkého plošného zatížení křídla solárního letadla při skutečně rychlém stratosférickém letu: z předchozích úvah vycházela asi nejlíp tato: http://teckacz.arachne.cz/xchaos/files/telescoping-wing-stratospheric-solar-biplane-0.3.gif - ale ta čísla stejně moc neseděla, "zasunovatelnost" křídel do sebe je po mechanické/konstrukční stránce problematický koncept a nízké plošné zatížení křídla celkově snižuje bezpečnost letadla během startu a přistání (prostě s tím pak může poryv větru libovolně "třísknout o zem", do strany či dolů...). Místo zasouvání jsem už dříve vymýšlel různé zběsilé "otáčení" či harmonikové skládání křídel: základní koncept není úplně mimo, měnitelná geometrie křídel se u letadel historicky používala celkem dost - ale stejně to úplně nevycházelo, vedlo by to k posouvání těžiště letadla, apod. No, koneckonců o tom touhle dobou přemýšlím už asi 3 roky - takže není divu, že jsem vyzkoušel víc možností, jak to celé "poskládat"

Takže po roce je tu úplně nový nápad: obejít problémy s nízkým plošným zatíženém křídla během startu a přistání přechodem na čistě VTOL (nejpodobnější tomuhle je asi https://en.wikipedia.org/wiki/Bell_Boeing_V-22_Osprey , z novějších https://en.wikipedia.org/wiki/AgustaWestland_AW609 - samozřejmě, to jsou vojenská letadla... a třeba stoupavost apod. je někde úplně jinde... a celý koncept je zdokumentovaný pod označením https://en.wikipedia.org/wiki/Tiltrotor - ovšem u mě se otáčí celé křídlo, z důvodu nutnosti jeho složení, nejen rotor - takže spíš https://en.wikipedia.org/wiki/Tiltwing - což by mohl být i název celého konceptu, napříště - s tím se experimentovalo hodně v 50. a 60. letech, ale mechanická složitost překlápění celého křídla za to asi nestála )

Takže můj vlastní solární stratosférický VTOL zde:

http://teckacz.arachne.cz/xchaos/files/stratospheric-solar-VTOL-0.1.odg
http://teckacz.arachne.cz/xchaos/files/stratospheric-solar-VTOL-0.1.pdf

Samozřejmě je to jen první nástřel a zejména výkon motorů při letu na baterie jsou zřejmě dramaticky podhodnocené. Zase jsem nově přidal letovou obálku, která zhruba znázorňuje v jaké výšce (červeně) a v jaké fázi dne (osa x) lze zhruba očekávat jakou rychlost (zeleně). Jsou to všechno jen velmi hrubé odhady!

Některé zajímavé výhody tohohle konceptu:
- možnost operovat mimo letiště (měla by stačit travnatá plocha 100x100 m)
- start a přistání se odehrají ráno a večer, kdy je Slunce nízko nad obzorem. Solární křídla otočená do vertikální polohy budou i navzdory tomu, že budou z části složená "zády ke slunci" osvětlena relativně více, než horizontální křídla - navíc, větší část solární ploch bude po složení mířit stejným směrem
- křídla bude možné - dokonce nutné! - rozložit ještě před jejich překlopením do horizontální polohy a během stoupání je natočit směrem ke Slunci - to může za dobrého počasí výrazně snížit vybití baterií a urychlit stoupání do cestovní letové hladiny)
- možnost rekuperace energie během přistávání (?? odehrávalo by se v režimu "vírník"? možná nesmysl :-)
- akumulátory budou umístěné v motorových gondolách - tzn. prakticky třetina veškeré hmotnosti se nachází blízko těžiště (a navíc vztlak křídla se bude velmi rovnoměrně rozkládat do tří bodů, nejen na trup)
- křídlo se skládá zásadně ve směru, kterým nebude při aerodynamickém letu zatěžováno (jako na letadlových lodích)
- křídlo nemusí být duté (na rozdíl od teleskopického křídla) - tedy konstrukčně by mělo být relativně jednoduché
- jako mechanismus "přehýbání" křídla (navíc opačným směrem, než bude zatěžováno při letu) stačí relativně velmi jednoduchý "pant" - první přímo u trupu ohebný v řádu jednotek stupňů, dále pak jde o tupý úhel cca 120 stupňů
- velký průměr vrtulí (sloužících během VTOL jako rotory) se ideálně uplatní v řídkém vzduchu ve stratosféře (kde klesá i rychlost zvuku) - naopak při vertikálním startu a přistání by průměr vrtulí byl problém
- skládání křídla s mírným negativním šípem je i na schématu úmyslně znázorněné tak, že křídlo nemůže v případě nějakého "nedovoleného" ohybu narazit ani do rotorů, ani do trupu - pouze samo do sebe (ale jen "naplacato")
- "podvozek" bude umístěný na spodním okraji kormidla a koncích motorových gondol - to jsou tři strukturálně dobře rozložené body, příhodně blízko k místům největšího soustředění hmotnosti (baterie, trup)
- konstrukce křídla otočeného do vertikální polohy je zjevně daleko robustnější než ta samá konstrukce "naplacato", přitom ale celou váhu trupu bude nutné přenášet mezi oba rotory, které od něj budou poměrně vzdálené: i proto je pro předpokládanou ultralehkou konstrukci křídla vhodnější uspořádání "tiltwing" než "tiltorotor"
- kolmý start a přistání zajistí, že většina horizontálního pohybu vysokou cestovní rychlostí se bude odehrávat v relativně řídkém vzduchu (protože ztráty v důsledku odporu vzduchu rostou s druhou mocninou rychlosti)

Jasné nevýhody, resp. kritické problémy designu:
- i "do spirály složené" křídlo bude pořád náchylné k tomu, aby na něj působily poryvy větru (boční vítr, protivítr) - kritická plocha bude ale výrazně menší než např. u vzducholodě
- vertikální start a přistání zcela vylučuje ze hry konvenční letiště (i když to je spíše asi dobře, když je o úplně nový typ dopravy, pro úplně nové cílové skupiny)
- klouzavost 50:1 odpovídá jenom těm nejlepším větroňům (na druhou stranu - jde tentokrát o velmi čistý aerodynamický design, bez jakýchkoliv vzpěr, výztuh, apod. a tvar křídla lze vysloveně optimalizovat pro řídký vzduch ve stratosféře, protože v hustém vzduchu u země nebude nikdy používáno)

Jinak už jsem ani nepřemýšlel, že by solární dopravní letadlo někdy mohlo být kompaktní - a vymýšlel jsem různé koncepty, podobající se vlečení větroně během startu motorovým letadlem (v tomto případě elektrickým, s bateriemi - nejvíc se mi líbil koncept, kdy dvě identická solární letadla budou jedno naložené bateriemi, druhé cestujícími a budou si navzájem asistovat při startu - a to vlečné pak bude zbytek dne kroužit nad mraky a dobíjet baterie vybité při startu... i u téhle varianty ale nízké plošné zatížení dost zhoršovalo šance na bezpečné přistání...).

Každopádně to není poslední nápad, ale jedno je jisté: motat se nízko u země s obřími větroni (stejně jako s obřími vzducholoďmi!) je nepraktické, a v případě výkyvů počasí i nemožné. VTOL je pro specializovaná stratosférická letadla možná ta nejlepší možnost - ale možná se ukáže, že ani částečné složení křídla není bezpečné a nutné bude jeho úplné složení nebo úplně jiný tvar (dvouplošník s kruhovým uzavřeným křídlem, symetricky "křížem" skládaným během startu a přistání?). je to prostě verze 0.1 ...