Petrik Ottó
Légpárnás jármű modellje
Hogyan működik a légpárna?
A légpárna technikai megoldása tulajdonképpen végtelenül egyszerű: ha egy szabadon felfekvő felület alá kis túlnyomással levegőt fújunk, akkor annak a levegőnek előbb-utóbb ki is kell jönnie a felület alól. Ugyanis ha a levegő olyan nyomást ér el, amely megegyezik a felületet terhelő külső nyomással, megemeli a felületet, és kiszökik alóla. Ha tehát huzamos lebegést akarunk elérni, nem kell mást tennünk, mint gondoskodni a megfelelő nyomású levegő folyamatos utánpótlásáról.
Hazánkban az Építők Szakszervezete Rózsa Ferenc Kultúrházában 1956 augusztusában megnyílt első Országos Amatőr Műszaki Modellező Kiállításon látott a közönség első ízben légpárnás „modellt". Abban az időben jelentek meg a szaklapokban az első híradások erről az új technikai megoldásról. A „modell" kifejezést azért tettük idézőjelbe, mert csupán az elvi működést szemléltető, igen egyszerű kis berendezés volt látható. Keresztmetszetét a 15. ábrán látjuk.
15. ábra.
A modell törzse egy, szájával lefelé fordított fotópapíros doboz volt - 14x20 cm alapterülettel -, s ennek pontosan a közepén egy kb. 5 cm átmérőjű nyílásba egy rövid papírhengert szorítottak. Ezen keresztül szívta be egy kis villamos motorral hajtott szélkerék (propeller) a levegőt. Ez a primitív szerkezet nem működött tökéletesen: elsősorban a levegő az alsó perem mentén nem egyenletesen távozott, s ezért először a motort kellett az eredeti megoldásnál sokkal komolyabban rögzíteni (erős cérnával kikötve), majd az egész berendezést megfelelően egyensúlyozni, felragasztott lemezdarabkákkal. Az asztalra sem feküdt fel egyenletesen, s ezért később üveglapra helyezték, amelynek billentésével már bizonyos „irányítást” is el lehetett érni. A nem kielégítő működés legfőbb okai: a stabilitás hiánya, a levegő terelésének, és az ún. „szoknyának" a hiánya, a ki nem egyenlített forgatónyomaték, valamint a szívónyíláson visszaáramló viszonylag nagy mennyiségű levegő. Ezekkel a kérdésekkel a továbbiakban részletesen foglalkozunk.
16. ábra.
Az eddig kialakult légpárna alaptípusokat a 16. ábrán foglaltuk össze.
A légpárnás járművek kifejlesztése során először az a) ábrán látható, úgynevezett nagynyomású légpárnával kísérleteztek. Ennél a pontosan síkra megmunkált felületek közé néhány (1 ... 7) kp/cm2 nyomással levegőt fújnak, és így néhány tized (0,25... 0,5) mm vastag levegőfilm keletkezik. Ezt az elképzelést az Egyesült Államokban 1950-ben hozta nyilvánosságra a Ford Motor Co., és egy egyszemélyes, acéllemez körpályán futó modellt is készítettek. Nyilvánvalóvá vált, hogy ez a megoldás csak kötött pályás járműveken alkalmazható; ebben az irányban készítették is a további terveket, mivel azonban nem vált be, a kísérleteket 1962-ben abbahagyták. A sűrített levegő ugyanis nem gazdaságos energiahordozó, sok a hőveszteség; a fajlagos teljesítményszükséglet a rossz hatásfok miatt - csupán a lebegtetéshez- igen nagy (kb. 60 LE/Mp) volt.
A b) ábrán vázolt nyitott kamrás légpárnás járművekről az első elképzelések az ötvenes évek közepén jelentek meg. Ennél a kamrába befújt nagyobb mennyiségű, de kisebb nyomású levegő viszonylag egyenletes kiáramlást tesz lehetővé. A kezdetben függőleges, merev falat később rugalmas anyagból készült, úgynevezett „szoknyával" látták el, hogy a levegő kiáramlását csökkentsék. Ez a megoldás egyúttal lehetővé teszi a jármű lebegését egyenetlen felszín felett is. Ezen az úton indult el mind az angol, mind a francia fejlesztés, mégpedig a szabad pályás kétéltű és kötött pályás járműveknél egyaránt. A legegyszerűbb kivitelű nyitott kamránál a teljesítményigény már csak 30...40 LE/Mp, a levegő nyomása pedig , csupán 0,01 ... 0,02 kp/cm2, azaz egy-két század atmoszféra!
Csupán a teljesség kedvéért és érdekessége miatt említjük meg a harmadik alaptípust, a c) ábrán látható, ún. negatív légpárnát. Ennél a megoldásnál gerendára függesztett kamrában légritkítást állítanak elő, s az ennek következtében beáramló levegő lebegteti a járművet. Természetes, hogy ez a megoldás csakis kötött pályás járműveknél alkalmazható: a francia URBA típusú városi függővasútnál kísérleteznek vele.
Bennünket a szabad pályás, kamrás típus érdekel. Hogy az így jól működő járművet milyen egyszerű kivitelben lehet megépíteni, arra egy példát a 17. ábrán mutatunk be. A kétszemélyes járművet az angol Mike Pinder tervezte 1973-ban; súlya; mintegy 170 kp, legnagyobb sebessége szárazon és vízen kb. 50 km/h. Ára alacsonyabb mint egy kis kétszemélyes gépkocsié (Angliában igen elterjedtek a háromkerekű kiskocsik); a két darab beépített motorkerékpár-motor közül az egyik a légpárnát állítja elő, a másik a toló légcsavart hajtja. Az ábrán jól látható a sűrítő lapátkereke, valamint az egyszerű kivitelű szoknya elrendezése.
17. ábra.
A nyitott kamrás légpárnás járműveknek azonban két hiányossága van: a viszonylag nagy fajlagos teljesítményszükséglet és a kicsiny stabilitás. (Ez utóbbi kérdés főleg a szabad pályás járműveknél jelentős, hiszen a kötött pályásoknál mód van az oldalirányú stabilizáláshoz külön légpárnák elhelyezésére.) A további kísérletek folyamán került sor a (nem teljesen helyes kifejezéssel elnevezett) zárt kamrás járművek kifejlesztésére. Ezek néhány típusát a 18. ábrán mutatjuk be.
18. ábra.
A hatásfokot javítani lehet, ha a kamra alját középen az a) ábra szerint lezárjuk. Ilyenkor a levegő a perem mentén, az aerodinamikailag helyesen kiképzett - felülnézetben gyűrű alakú - csatornán lép ki. A levegő egy része a fenéklemez alá áramlik, és bizonyos felhajtóerő-többletet állít elő; ennek következtében a lebegési magasság is megnő, s ez a szabad pályás járműveknél jelentős előny. Tekintve, hogy ekkor a kamra térfogatának már nincsen olyan jelentősége, mint a szabad kiömlés esetén, mód nyílik arra, hogy (az ábrán szaggatott vonallal berajzolt) úszótestet benne elhelyezzék. Így egyszerű megoldással biztosítható a kétéltű (vagy csak vízi) járművek úszóképessége a motor leállása esetén.
A zárt kamra egy másik típusát - a b) ábra szerint - az Egyesült Államokban fejlesztették ki, rugalmas fenékkel. Ennél a stabilabb lebegtetéshez bizonyos önszabályozó, külső és belső nyomáskülönbséget hasznosítanak. Az ilyen megoldás az alsó perem mentén fényegesen érzékenyebb a súrlódás okozta kopásra, mint az előbbiek. Mivel azonban elsősorban kötött pályás járműveknél tervezik alkalmazni, ott ez a kérdés nem túlságosan jelentős.
Az említett hátrányt a franciák a c) ábra szerinti megoldással igyekeznek kiküszöbölni. A kényes sarokpontra kis szoknyát erősítenek, továbbá csak az oldalfalat alakítják ki rugalmas anyagból: a fenék szabad mozgását a csuklók körül elforduló lapokkal teszik lehetővé. Ezt a légpárnát is elsősorban a kötött pályás járműveken alkalmazzák - például az Aérotrain cég Tridim szerelvényénél -, azonban az ún. „K” típusú légpárna szabad pályás járművekhez is alkalmas.
Igen tanulságos a 18. ábrasorozatot a 16/b ábrával összehasonlítani. Ennek során azt látjuk, hogy egy viszonylag - és elsősorban elméletileg - igen egyszerű megoldás miként válik a gyakorlat követelményei, igényei alapján fokozatosan mind bonyolultabbá: először nyitott kamra merev oldalfallal, majd szoknyával, utána zárt kamra kerületi kiömléssel, később rugalmas fenékkel, végül olyan szerkezet, amely rugalmas és mozgó alkatrészeket egyaránt tartalmaz. Csupán megjegyezzük: egyáltalában nem biztos, hogy ez a fejlődés helyes útja...
Itt ki kell térnünk még néhány kérdésre.
A 16/b és a 18/a ábrát figyelmesen megtekintve láthatjuk, hogy mind a nyitott, mind pedig a zárt kamránál alul az oldalfal befelé hajlik - azaz be van húzva -, függetlenül attól, hogy merev vagy rugalmas anyagból készült-e. Erre két okból van szükség: a stabilitás emelése és a lebegési magasság növelése miatt. Van egy bizonyos - különböző tényezőktől függő - optimális szög, amely mellett a lebegési magasság a legnagyobb. Elméletileg ez az érték 60' körül van, s ezt a modell készítésénél is figyelembe kell vennünk.
A stabilitással kapcsolatban megjegyezzük, hogy valamely légpárnás járművet akkor nevezünk stabilnak, ha az képes nyugodtan egy helyben lebegni. Ez egyszerű nyitott kamrával - még rugalmas szoknya esetén is - nehezen érhető el, s ezért már ott is próbálkoztak különböző megoldásokkal. Ilyeneket mutatunk be - a Bell Aerosystems Co. szabadalmi rajza alapján - a 19. ábrán. Az a) ábra szerint a légsűrítőn áthaladó, és a centrifugális erő következtében kifelé tartó légáramot úgynevezett stabilizáló kamrába vezetik; a b) ábrán vázolt esetben pedig erőteljesebben terelik, és meg is osztják. A levegő kényszerpályán történő áramlását a nyilak mutatják. Ezt a két megoldást első sorban azért említettük, mert egyszerű kivitelű modelleknél jól felhasználhatók.
19. ábra.
A stabilitással kapcsolatban megemlítjük még, hogy ezt elsősorban a perem mentén egyenletesen kiömlő levegő biztosítja. Ezért elméletileg a kör alakú légpárnás jármű lenne az ideális megoldás. Valóban, az említett C. Weiland egyik első terve ilyen volt, és Ch. Cockerell SR.N1 típusjelű járműve sem sokkal tért el ettől. A gyakorlat követelményeinek azonban ez a geometriai forma nem felel meg (elsősorban szárazföldön, de a rakodási, beszállási nehézségek miatt is), és ezért a mai járművek hosszúkás alakúak. Mint az 1. és 2. táblázatból látható, a szélesség és a hosszúság aránya kb. 1:2 - a komphajóknál ennél inkább kisebb, míg a gyors, kis méretű járműveknél (így a katonai járműveknél is) nagyobb. A szélesség túlzott csökkentése a stabilitás rovására megy, és ezért jelenleg csak a hibrid járműveknél sikerült elfogadható értéket elérni.
Néhány szót kell szólnunk a légpárnás járművek teljesítményszűkségletéről is. Ezt a tényezőt azonban ketté kell választanunk: a lebegtetéshez, valamint a hajtáshoz, illetve irányításhoz szükséges teljesítményre. (Az ilyen elválasztás csak a szabad pályás járműveknél helytálló, mivel a kötött pályás járműveknél - a megoldás technológiája következtében - a lebegtetés és az iránytartás teljesítményszükségletét szükségképpen össze kell vonni.)
Az előbbiekben említett, különböző kamratípussal rendelkező vízi és kétéltű légpárnás járművek lebegtetéséhez napjainkban 25...65 LE/Mp teljesítményre van szükség. A hajtás teljesítményigénye a kívánt sebességtől függ. Az ilyen járművek szempontjából reálisnak tekinthető 100... 150 km/h sebességhatárral kapcsolatban megállapíthatjuk, hogy a felső érték környezetében a teljesítményszükségletük már ma is megközelítően azonos a gépkocsi és a repülőgép igényével; ez 90...150 LE/Mp között van. Alacsonyabb sebességtartományban a gépkocsi gazdaságosabb, a repülőgép azonban - különösen a helikopter, amelynek helyettesítésére a légpárnás jármű több területen is alkalmas lehet - gazdaságtalanabb. A várható technikai fejlődés ezeket az arányokat még módosíthatja a légpárnás járművek előnyére.
Végül a légpárna előállítására szolgáló légsűrítőkkel is foglalkoznunk kell. A kis nyomású kamrás járműveknél ez a feladat - a „nagy" és a modelltechnikában egyaránt - viszonylag egyszerű berendezéssel, úgynevezett ventillátorral megoldható. Ez az elnevezés a közismert szellőztető, légfrissítő szerkezetekre utal, és felépítés tekintetében a légpárnás járműveken alkalmazott készülékek sem nagyon térnek el az előbbiektől.
20. ábra.
A működési mód alapján két különböző ventillátorról beszélhetünk, amelyeknek a sematikus vázlatát a 20. ábrán mutatjuk be. Az a) vázlaton a közismert megoldás látható, amely a levegőt egy hengeren át tengelyirányban szívja. Ezért nevezik axiális ventillátornak (a latin axis szó = tengely). A gyűrűvel vagy csővel körülvett ventillátorok járókereke (szélkeréknek is mondják) állandó emelkedésű szárnyakkal készül, és ezért ezek kifelé vékonyodnak. (Modellkivitelben - mint majd látják - más megoldást célszerű alkalmazni.)
A b) ábrán a radiális ventillátort (a latin radius szó = sugár) mutatjuk be. Ez a tengely közelében szívja be a levegőt, ez utóbbi a lapátok közé kerül, majd a forgás miatt a centrifugális erő az úgynevezett csigaházba szorítja ki. A csigaház fokozatosan növekvő keresztmetszetű cső, és ennek kiömlőnyílásán távozik a sűrített levegő: (A beömlőnyílást a szemből nézeten szaggatott vonallal ábrázoltuk.) A modelltechnikában egyszerűbb kivitel is megfelel.
Felhívjuk olvasóink figyelmét, hogy a légpárna mechanikájával részletesen foglalkozik Öveges József: A fegyverek fizikája (Zrínyi Katonai Kiadó, Budapest, 1972.) című munkája. A könyv a modellezők számára fontos fizikai alapfogalmakról is részletesen tájékoztat.
♣ Archiválta SRY 2008 október 06. ♣ CANON
LiDE system ♣ Microsoft Word ♣ SRY MODELL 2008