Légpárnás jármű modellje                                                                                                                                                                                                   


 

1. Bevezető

 

  Maga a légpárnás jármű sem valami közismert, és a modellezés területén szinte teljesen ismeretlen ez a közlekedési eszköz. Ha alaposabban megvizsgáljuk a légpárnás járművek kialakítását, valamint fejlődésük történetét, egy érdekes kettősséget vehetünk észre. A szerkezet elve már több mint 100 éve ismert, de mint oly sok minden más esetben, a megvalósításhoz szükséges anyagok és technológiák nem álltak sokáig rendelkezésre. Mikorra minden lehetőség adottá vált hatékony légpárnás járművek építésére, pontosan a technikai fejlődés miatt olyan más gépek is megjelentek, amik a légpárnásoknak szánt feladatokat jobban, és hatékonyabban végezték el. Így a 60’-as, 70’-es években a légpárnás technikában bekövetkezett nagyreményű fejlesztések után egy kicsit talán feledésbe is merült ez a szerkezet. A légpárnások ígéretes karrierjét végül is a helikopterek gyors fejlődése törte derékba. Ma már inkább, mint sporteszköz tűnik fel, és néhány hadsereg alkalmaz kis számú légpárnás eszközt (a Szovjetunió felbomlása, és az azt követő gazdasági hanyatlás is nagy csapást mért a légpárnásokra, hiszen az eszköz egyik fő fejlesztője és alkalmazója a Vörös Hadsereg volt)

 

1. ábra.

Az SR.N1 légpárnás jármű

 

  1935-ben a finn T. J. Kaario mérnök elkészítette 16 LE-s motorral hajtott légpárnás járművét. Ez a gép tekinthető az első megvalósult, és valóban működőképes próbálkozásnak. A II. Világháború ideje alatt felgyorsuló fejlődésében más eszközök (repülőgép, rakéta stb…) több generációs haladást értek el, de a légpárnás járművek valahogy kimaradtak ebből. Ez különösen azért érthetetlen, mert a szövetséges mérnökök igen komoly energiát fektettek a partraszálló berendezések fejlesztésébe, új eszközök kutatásába, és a légpárnásoknak egyik legkézenfekvőbb felhasználási területe pontosan ez lenne.

 

2. ábra.

Az Arocopter GEM-2 1962-ben. Dr. Bertelsen

kísérleti légpárnás járműve

 

  1959. július 25-én Bleriot La Manche Csatorna átrepülésének ötvenedik évfordulóján egy különös szerkezet érkezett a víz felől a francia partok homokjára. A lapos kis gépezet szinte lassítás nélkül kifutott a partra majd ott a fövenyen haladt tovább, mintha nem is változott volna meg mozgásának közege. Az angol Christopher S. Cockerell a „légpárnások atyja” cím büszke birtokosának SR.N1 típusú járműve volt ez. A légpárnások szerencsétlenségére, ez az esemény sem keltett túl nagy feltűnést. Valószínűleg az menthette meg a légpárnás ügyét, hogy Cockerell kísérleteit a Westland Aircraft Limited pénzelte, és mint minden cég, ez is idővel hasznot akart látni a befektetéseiből. A SR sorozat tagjaként épültek meg az SR.N4 típusjelű gép is, ami már többek előtt ismert, hiszen ezek bonyolították a tengeri forgalmat Dover és Boulogne között. (a nagy légpárnások ezen, stabilnak látszó felhasználási területét ma már a megépített „csalagút” veszélyezteti).

 

3. ábra.

A La Manche Csatornán kompjáratban

közlekedő SR-N4 „The Princess Anne”

 

  A Szovjetunióban 1962-ben bocsátották vízre a Neva légpárnást. Abban az országban ahol az év jelentős részében gyakorlatilag több száz kilométeres hómezők alakulhatnak ki, rosszak az útviszonyok, és sok a vizes, mocsaras terület valóban nagy jövő elé nézhetett a légpárnás jármű. Még mindig 1962-őt írtak, amikor elészült a második légpárnás, a Raduga. A szovjet fejlesztéseket a Folyamhajózási Minisztérium, és a Leningrádi Víziközlekedési Intézet irányította, aminek következtében a légpárnások elsősorban folyami üzemre készültek. Természetesen a hadsereg is hamar meglátta a lehetőséget a légpárnásokban és az egyébként konzervatív szovjet haditechnikusok egész sor igen jó légpárnás csapatszállító járművet fejlesztettek ki.

 

   Az Amerikai Egyesült Államok hadserege az 1960-as években több légpárnás tervet vizsgált meg, keresve az újdonság felhasználási lehetőségeit. Szintén csapatszállító, deszant és logisztikai célú járművekkel kísérleteztek, és kialakították a maguk nagyméretű szállító járműveiket. Az első sikeres légpárnás a Bell Aerosystem Co. SK-5 típus volt. Ez az angol SR.N5 licenszgyártása volt. A további fejlesztéseket erre a típusra alapozták.

 

Offloading fuel for Shell oil exploitation of Peruvian rainforest - Links999 hovercraft news.

4. ábra.

A Schell olajkonszern kutatójárműve az Amazonasz-on.

 

   Fontos megemlíteni, hogy a légpárnás járműveknek még ma is megvannak a maguk stabilnak tűnő „bástyái”. Az elmaradott, rossz infrastruktúrájú területeken, ahol a helikopterek karbantartására sem szakképzett személyzet, sem javítóbázis nem áll rendelkezésre, viszont szükség van egy közepes teherbírású, gyors járműre, ami képes leküzdeni a terep támasztotta nehézségeket, igen kedveltek. Ugyanis a légpárnás járművet egy ügyes kezű autószerelő, teljesen átlagos szerszámokkal is üzemben tud tartani (főleg, ha dugattyús motor a főgép). Ahol a terepjáró kerekes járművek egyáltalán nem használhatóak, ott egy légpárnás könnyedén mozog. Ezen előnyök miatt az olajtársaságok előszeretettel alkalmaznak légpárnásokat távoli fúrási helyeken. A kutatóknak, természetvédőknek is igen nagy szolgálatot tesz ez a furcsa szerkezet, és nem szabad elfeledkezni a kedvtelésből, vagy sportcélokra épített, üzemeltetett példányokról sem.

 

5. ábra.

Hobbi célú légpárnás

 

2. A légpárnás működése

 

  A légpárnás jármű működése igen egyszerű elveken alapul. Ha egy a talajon, vagy vízen lévő tárgy alá levegőt nyomunk akkor az igyekszik a túlnyomás miatt kijutni a tárgy alól. A nyomása addig növekszik, amíg a tárgyat meg nem tudja emelni, majd az így szabaddá vált úton távozik. Ha folyamatosan pótoljuk a kiáramló levegőmennyiséget, tehát fenntartjuk a túlnyomást, akkor a tárgy lebegésben marad, kialakul alatta a légpárna. Mivel a jármű a talajjal, vagy vízfelülettel közvetlenül nem érintkezik a más járműveknél e miatt keletkező súrlódás elmarad. Ez egyfelől nagyon előnyös (különösen a vízi járművek esetében), másfelől nagyon komoly kormányzási, fékezési problémákat vet fel. A súrlódás elmaradása miatt a légpárnások lejtőmászó képessége behatárolt, ami közúti, szárazföldi használatukat minimálisra korlátozza.

   A légpárnás előrehaladásának és kormányzásának megoldását is a lebegés határozza meg. Bár léteznek olyan járművek, amik hajócsavarral és vízbe merülő kormánnyal meghajtottak, kormányzottak, de ezeket csak vízen lehet használni, és elsősorban a nagy sebesség kihasználására épültek. A változó felületen (víz, szárazföl, hó stb…) üzemelni képes légpárnások mind légcsavar meghajtásúak, és a légcsavarszél elterelésével kormányzottak.

 

6. ábra.

A 1956-os légpárnás elvi-modell rekonstrukciós rajza

 

A működés alapelvéből következik, hogy légpárnáshoz szükség van egy berendezésre amely előállítja a jármű alatti túlnyomásos légpárnát. A kis túlnyomás és nagy levegőmennyiség igény miatt ezt egy ventillátorral szokták megoldani. Mind a radiális- mind az axiális-ventillátorok megfelelnek a célnak. Mivel az üzletekben szinte csak axiális elrendezésű ventilátor lapátokat (légcsavart) lehet vásárolni a légpárnás-modellt is ehhez ajánlatos tervezni. 1956-ban az Építők Szakszervezete kultúrházában nyílt meg az első, országos, amatőr, műszaki modellező kiállítás. Itt látható volt egy kis modellt, ami a légpárnás elv bemutatására szolgált. Szájával lefelé fordított 14x20 cm-es fotopapíros dobozba egy 5 cm átmérőjű lyukba kis hengert dugtak, és abban forgott a légpárnát előállító, elektromos motorral meghajtott axiális ventilátor.

  A szerkezet csak nagyon „labor” körülmények között volt képes működni. Teljesen sík felületen, nagyon pontosan kiegyensúlyozva tudott néhány milliméterre lebegni. A működési hiányosságok okainak felderítése segítséget nyújt ahhoz is, hogy valóban használható légpárnás modellt készíthessünk.

  Miért nem emelkedett magasabbra a jármű? Erre magyarázatot adhat, hogy a merev falú doboz, nem volt képes követni a „talaj” egyenetlenségeit, illetve azt sem, ha a jármű valamelyik irányban elbillent. Valami megoldást kell találni arra, hogy a talaj viszonyaitól és a jármű állapotától függetlenül a levegő a szerkezet teljes körvonalában többé-kevésbé egyenletesen áramoljon ki. Erre hivatott az ún. „szoknya” (Skirt). A szoknya kialakítása az egészen egyszerűtől a nagyon bonyolult, összetett megoldásokig terjed. Tulajdonképpen a légpárnás jármű milyenségét, műszaki jóságát a szoknya kialakításának minősége határozza meg. A jármű alatt lévő szoknya a légpárnások „névjegyévé” is vált, hiszen erről a szerkezeti elemről azonnal és egyértelműen azonosítani lehet őket.

   A jármű stabilitását is a szoknya biztosítja. Minél jobb kialakítású ez az alkatrész a jármű annál jobban „tolerálja” a beállítás hiányosságait. A stabilitás alatt ebben az esetben azt értjük, hogy a légpárnás jármű haladás közben mennyire tud a talajjal/vízfelülettel párhuzamos állapotban maradni, illetve ha ebből kibillenti valamilyen erőhatás, mennyire igyekszik visszanyerni ezt az állapotot.

7. ábra.

A légpárnásra ható alapvető erőhatások.

 

  A stabilitás egyben a légpárnásra ható erők, és az azok által keltett nyomatékok egyensúlyát is jelenti. Az 7.ábra.-n feltüntettem ezeket.

G : A szerkezet súlyából  következő gravitációs erő, amelynek támadáspontja az „S” súlypontban van és iránya függőlegesen lefelé mutat.

Fe : emelő erő, amelyet a túlnyomásos légpárna eredményez. Ez a légpárna vetületi felületének középpontjában hat, és a légpárna síkjára merőleges.

Fv : Az előrehaladást biztosító vonóerő.

FR : A szerkezetre ható közeg-, és súrlódási ellenállás eredményezte erők eredője.

 

A rajzon látható, hogy a légpárna emelő ereje nem esik egy hatásvonalra a súlyerővel, mint ahogy a vízkiszorításos hajótesteknél megszoktuk. Ennek az oka, hogy a tolóerővektor, párban az ellenállás erővel igen nagy bólintónyomatékot eredményez. Ezt a nyomatékot úgy lehet kompenzálni, hogy a emelőerő és a súlyerő vektorokkal egy azonos nagyságú, de ellentétes irányultságú nyomatékot  állítunk elő. Az emelőfelület középpontja és a súlypont szükséges távolságát igen nehéz számítással meghatározni, ezért a szerkezetet célszerű úgy elkészíteni, hogy annak súlypontját könnyen lehessen előre, hátra (és mint később látni fogjuk oldal irányban is) változtatni.

 

  Itt kell beszélni a légpárnásoknál még előforduló jelenségről, a hajtómotorok keltette reakciónyomatékról. A légpárnás nincs közvetlen kapcsolatban a talajjal amin halad, ezért a máskor oly hasznos nagyon kicsiny ellenálláserők most egy elég kellemetlen jelenséget eredményeznek.

 

8. ábra.

A hajtómű okozta reakciónyomaték, és annak kompenzálása.

 

A hajtómű nagy fordulatszámon forgó, viszonylag nagy tömegű részei MMR reakciónyomatékot fejtenek ki a légpárnásra. Ettől a légpárnás bedőlni igyekszik, és a dőlés irányában el is akar fordulni. Ezt kétféleképpen kompenzálhatjuk. Egyfelől a kormánylapátok megfelelő trimmelésével, de ez esetben az egyenes haladáskor is kitérítve vannak a kormánylapátok, és ez növeli a veszteségeket. Másfelől a rendszersúlypont eltolásával. Ezzel olyan erőpárt alkot a légpárna emelő ereje és a szerkezet súlyereje, aminek a nyomatéka  ellentételezi a forgó hajtómű keltette reakciónyomatékot. A gyakorlatban a két megoldás együttes alkalmazása szokott megtörténni. A durva beállítást a súlypont helyének megfelelő megválasztása adja, a korrigáló finom beállítást, pedig a kormánylapátok trimmelése.

 

  Ha a jármű emelőventillátorral van ellátva, akkor a fenti jelenség az emelőventillátor motorjának forgása miatt is kialakul.

 

9. ábra.

Az emelőventillátor okozta reakciónyomaték és annak kompenzálása.

 

Ebben az esetben a nemkívánatos nyomaték szintén el akarja fordítani a szerkezetet amit a vonóerővektor oldal irányban való eltérítésével kompenzálhatunk. Ez pontosan úgy néz ki mint a repülőgépeknél a motor oldalelhúzatása, ami egyébként szintén ilyen célokat szolgál.

 

  Még ejtsünk néhány szót a légpárna viszonyairól. A légpárnában nagyobb nyomásnak kell uralkodnia, mint a külső környezetben, hiszen csak így képes felemelni a járművet. Ez a túlnyomás nem lehet nagy értékű, mivel azt egy egyszerű ventillátorral állítjuk elő és tartjuk fenn. A légpárna nyomása (Pp) a légpárna felületére (Ap) hat. Ebből könnyen meghatározhatjuk azt a tömeget amit lebegésben képes tartani.

 

m= (Ap * Pp)/g

 

Ahol m a jármű lehetséges tömege g a gravitációs gyorsulás (g=9,81 [m/sec2]). Az összefüggést úgy is átrendezhetjük, hogy egy adott tömegű és légpárna felületű szerkezet lebegtetéséhez mekkora túlnyomás szükséges.

 

PP= (m * g)/AP

 

Látható, hogy adott túlnyomás mellett nagyobb légpárnafelület nagyobb hordozható súlyt is eredményez. Sajnos a légpárnafelület növelésének van egy gátja. A légpárna alól folyamatosan áramlik ki a levegő. A kiáramló levegő mennyisége függ a légpárna túlnyomásának mértékétől, és a kiáramlás keresztmetszetétől. Minél nagyobb a légpárna túlnyomása és kerülete annál nagyobb teljesítményű ventillátorra van szükség. Mivel a légpárna felületének növelésével nő annak kerülete is, a szükséges ventilátor teljesítményt is fokozni kell a lebegés fenntartásához.

 

  Az értékek számítással való pontos meghatározása (a rengeteg tényező miatt) meglehetősen bonyolult, de a Bernoulli egyenletből levezethető egy nagyon jó közelítést adó egyszerű összefüggés amivel számolhatunk.

ahol vki a kiáramlás sebessége P1 a párna belső nyomása, P2 a külső nyomás q a levegő sűrűsége. A kiáramlás keresztmetszete

 

Aki= Kl * hl

 

Ahol Aki a kiáramlás keresztmetszete, Kl a légpárna kerülete hl a légpárna alsó élének magassága a talaj felett. A fentiek alapján a kiáramlás áramerőssége

 

Iki =Aki * vki

 

Az egyenletek rávilágítanak a légpárnások egyik rossz tulajdonságára is. Ha van egy adott a légpárnát fenntartó Iventillátor erősségű áramlásunk, de a kiáramlás viszonyai hirtelen megváltoznak akkor a légpárna „leereszt” és a jármű felakad. Erre a legjobb példa az, amikor a légpárnás gödör, árok fölé érkezik. Ott az Aki kiáramlási keresztmetszet hirtelen többszörösére nő, és ezzel a kiáramlás erőssége is többszörösére növekszik. Ezt a ventilátor nem képes fedezni, a légpárna leereszt, a jármű felakad.

 

  A légpárnás járművek tervezése, méretezése egy komplex fizikai, matematikai, geometriai feladat. Szakirodalom hiányában sok kísérletezgetés, türelem és sokszor szerencse is kell hozzá. Pontosan ezért, aki szereti a kihívásokat, és van kedve kutatni, kísérletezni, fejleszteni nagyon sok örömet és sikert találhat ezekkel a járművekkel való foglalkozásban.

 

II. RÉSZ >>>