Česká startupová společnost Zuri si klade za cíl vyvinout prototyp letounu typu VTOL. Ten v sobě kombinuje výhody kolmého startu, který je úsporný na místo, a doletových vzdáleností okolo 700 km. Maximální cestovní rychlost přesahuje hodnotu 300 km/h. Kromě civilní dopravy by tento koncept mohl najít uplatnění v celé řadě odvětví lidské činnosti. Kredit: ČVUT VTOL Flight Controls Lab.

Jak probíhá vývoj úplně nové technologie z pohledu odborníků? Jak se liší postup od práce na zavedených technologiích, kde probíhá spíše drobnější zlepšování?

JB:

Při vývoji klasických letadel se používají zavedené matematické modely, které jsou přesné a spolehlivé. Většinou tak vývojář dostane dané parametry, které má letadlo splňovat, a pak jen pracuje s čísly. My ale takový model nemáme, protože naše letadlo má zcela jiné vlastnosti. Před samotným laděním dílčích parametrů si jej sami musíme defacto určit a vytvořit.

Používáme také více motorů, jejichž výkon musí být během manévrů letadla přesně synchronizovaný. Nejproblematičtější pak je změna módu letu, kdy motory letadlo nejdříve vynesou kolmo vzhůru, pak se postupně sklopí dopředu a letadlo změní směr pohybu z vertikálního na horizontální. Tato část letu je dodnes poměrně neprobádaná.

Obdobnou problematikou se zabývají desítky firem, která své know-how ale nedávají k dispozici. Takže obdobný výzkum probíhá na mnoha místech paralelně.

MH:

Ono to na první pohled nemusí být patrné, ale letadlo Zuri se liší v samotných základech. Například při výpočtech aerodynamiky lze u klasických letadel při mnoha výpočtech vrtuli nebo trysku úplně zanedbat. U Zuri to není možné, protože vrtule jsou poměrně velké a také ovlivňují tvar křídla natolik, že je nutné s nimi počítat. Většina odborníků na aerodynamiku od toho raději dá ruce pryč. On vlastně zatím nebyl důvod, proč to zkoumat. Ale nová vlna tzv. urban air mobility to možná změní.

Letectví jako komplexní obor, zahrnující mechaniku a konstrukci letadel stejně jako často velmi komplexní fyziku letu a aerodynamické zákony, zná už desítky (snad i přes sto) let mnoho zásad a vzájemných provázaností, které u letadel fungují. Z toho logicky vyplývají i klasické architektury systémů řízení letu, autopilotů chcete-li, a ty mají řadu klíčových parametrů. Práce leteckých inženýrů probíhá často právě v rámci této parametrizace. My takový luxus nemáme, protože zavedené architektury řídicích systémů jsou využitelné u letadel typu VTOL omezeně nebo vůbec. My musíme hledat nové zpětné vazby a přemýšlet nad tím, jaký parametr změnit a jaký to bude mít důsledek na dynamiku a stabilitu letu. Každý parametr je zároveň spjatý s celou řadou dalších vlastností a jeho změnou se může vyřešit jeden problém a zároveň jinde vznikne nový. Je to celé propojený systém.

I nejlevnější dron má jednoduchý stabilizační systém, který třeba 100x za vteřinu mění výkon jednotlivých rotorů tak, aby zaručil stabilitu a ovladatelnost letounu. Takový luxus my bohužel nemáme.

Jan Belák. Kredit: ČVUT VTOL Flight Controls Lab.

V čem je hlavní problém manévru, při němž VTOL mění směr letu?

JB:

Důležité je uvědomit si, že tento typ letadla je zcela nový. Pokud porovnáme multikoptéru na jednom konci a letoun na druhém, tak VTOL je přesně mezi nimi. Například na stoupání může použít jak tah vrtulí, tak vztlak z křídel. Pro nás je zásadní především to, aby pilot měl pocit, že se letadlo chová, a především ovládá během celého letu stejně. Jednou ze zásadních otázek je, které systémy v takové chvíli k ovládání letadla použít (síla motoru, naklonění směrovky atd.) a jak mezi nimi plynule přecházet. To všechno lze matematicky vypočítat a my hledáme cestu jak toho docílit co nejlépe.

MH:

Tento problém otevírá i další zajímavou otázku. Při takto radikálních změnách by se snadno mohlo stát, že se defacto změní celý systém ovládání letadla a třeba páčka, která ještě před okamžikem znamenala pokyn pro let směrem vzhůru, může mít třeba v důsledku změny letového režimu najednou naprosto opačný efekt. Zabýváme se i myšlenkou zcela nového ovládacího rozhraní, které by bylo pro letouny VTOL nejvhodnější. Já osobně doufám, že se brzy objeví student, který bude mít chuť tento problém řešit v rámci své bakalářské nebo diplomové práce. Důležité je, aby vše bylo pro pilota co nejpohodlnější a nejintuitivnější.

Teď trochu hypotetická otázka, myslíte že projekt typu Zuri má potenciál být prodán jako celek velkému výrobci? Nebo jeho jednotlivé patentové technologie? Případně je nějaká šance, že by bylo možné přejít od vývoje přímo k výrobě?

JB:

Cíl Zuri je vytvořit dopravní prostředek z bodu A do bodu B, ale vyvíjená technologie má mnohem širší možnost využití. Jeho delší dolet a možnost vzletu a přistání mimo letiště mohli využít například záchranáři a hasiči – ať pro samotné hašení nebo monitoring rizikových oblastí. Uplatnění by VTOLy mohly najít i v zemědělství, nebo při zásobování lodí, které díky tomu nemusí vplout do přístavu. Naším cílem je každopádně vytvořit hotový produkt.

MH:

Drony, i ty největší, dokáží v současnosti létat maximálně půl hodiny. VTOL nedrží ve vzduchu vrtulích, které je třeba neustále pohánět, ale na křídlech. To je energeticky mnohem méně náročné. U běžných dopravních letadel může být díky vztlaku křídel výkon motoru a tím pádem i spotřeba paliva poměrně malá. Letadla získávají sílu pro let díky svému pohybu dopředu. Je to vlastně takový malý zázrak založený na fyzice.

A jaký pohon vlastně používá Zuri? Je elektrický?

JB:

Pohon všech moderních VTOLů je defacto elektrický. Elektrické motory jsou menší a především lehčí, a lze jich osadit více. Problém je ale v tom, kde mají tyto motory čerpat energii. V současnosti mnoho projektů využívá baterie a vlastně staví „létající Teslu“. My postupujeme jinak a jako základní pohonnou jednotku plánujeme využít spalovací motor. Ten je vlastně generátorem, který vyrábí elektřinu pro elektromotory. Baterky využíváme, ale pouze jako záložní zdroj pro případ, kdyby centrální motor vysadil. Díky tomu očekáváme mnohem delší dolet než eVTOL koncepty.

MH:

Ono to na první pohled může působit nelogicky, ale přitom má tohle řešení spoustu výhod. Spalovací motor může jet na svých konstantních otáčkách, díky čemuž má nižší spotřebu a méně se namáhá. Přebytek energie se ukládá do vestavěné baterie. Pokud potřebují elektrické motory více energie, využijí baterii, pokud je energie potřeba méně, tak se baterie automaticky dobíjí. Navíc k jednotlivým motorům nemusí vést transmise, stačí pouhé dráty. Konstrukce je tak vlastně mnohem jednodušší.

Martin Hromčík, Kredit: ČVUT VTOL Flight Controls Lab.

V čem je podle vás největší současný limit rozvoje elektrických letadel a VTOLů? Kdybyste si mohli vybrat jednu technologii, kterou byste mohli skokově zlepšit, co by to bylo?

JB:

Myslím, že největším problémem jsou stále baterie. Dnešní vývojáři primárně neřeší poměr energie, kterou jsou baterie schopné uchovat, vůči jejich hmotnosti. Zatímco v autech nemusí být problém vézt dvoutunovou baterku (trochu to zvýší odpor, ale to je v zásadě zanedbatelné) u letadel, kde se počítá každý kilogram, který potřebujeme dostat do vzduchu, je to zásadní problém. U eVTOlů a elektrických letadel obecně je tedy největší problém minimalizovat hmotnost baterií.

MH:

Na první pohled to vypadá jednoduše – všichni známe letadla, která létají pomocí křídel, a pak drony, které se pohybují pomocí několika vrtulí s vyváženým výkonem. Normálně bychom si tedy řekli – dáme to dohromady a bude to fungovat. To ale vůbec není pravda. Vzniká mnoho nových problémů, které nejde vyřešit pouhou kombinací dosavadních postupů, a je nutné vytvořit postupy zcela nové.

Například křídla mají u letadel VTOL jiné funkce než u klasických letadel. I takový základní koncept, jako je křídlo, které zná lidstvo už přes sto let, se u těchto letadel chová jinak, a je potřeba přijít na jeho ideální konstrukci. Například během překlápění motorů na něj působí dosud nevídané síly a momenty. To, že něco vypadá jako křídlo, neznamená, že to musí být křídlo, jaké známe.

JB:

Já tady navážu, nemusí to být na první pohled patrné, ale i kmitání a vibrace, které mohou vést k deformaci křídla, můžeme ovlivnit pomocí řídích systémů. Zjistit, proč ke kmitání dochází, a následně upravit práci motorů tak, aby k tomu nedocházelo. Vždy je lepší něco změnit po softwarové stránce, než to celé navrhovat znovu. I tady je pro nás velký prostor.

A jak je to s certifikací? Počítají současné předpisy s VTOLy? Nemůže se stát, že v nějakou chvíli budou tato letadla po technické stránce vyvinutá, ale do vzduchu nebudou moct kvůli legislativě?

MH:

U velkých firem jde certifikace ruku v ruce s úřady, je to především o vzájemné komunikaci. Cílem této komunikace je dokázat si vzájemně vysvětlit postoje a přesně si ujasnit možná sporná místa. Jestli (nebo spíše až) se podobných projektů například chytne nějaký velký hráč, nové legislativní opatření věřím rychle prosadí. Nebo tento tlak na certifikační autority vzejde z velkého množství startupů, jako je právě Zuri, až zalétají své první experimentální full-scale prototypy a vzbudí zájem o jejich provozování, kdo ví. Každopádně s tím, jak se bude byznys rozjíždět, budou vznikat i nová pravidla. Mohl by to být podobný proces jako u dronů.

Jak dlouho probíhá spolupráce katedry na projektu Zuri? V jaké fázi projektu se váš tým zapojil?

MH:

Hlavním pojítkem mezi projektem a katedrou je Honza Belák, student magisterského programu naší katedry. Už od bakaláře jsou jeho specializací řídicí systémy fly- a drive-by-wire. Ty ve své bakalářské práci aplikoval na automobily a nyní je vyvíjí pro VTOL Zuri. Musel se zkrátka rozhodnout, zda auta nebo letadla. Ta to nakonec vyhrála, a tak přišel za mnou. V té době mě vlastně ani nenapadlo, že by to mohlo směřovat k dizertaci, ale teď je to víceméně jasné. I pro mě je tam řada nových věcí, a to mě baví. Důležité je, že o ten Honzův doktorát má zájem i samotná firma. Výzkum, články, je to úžasný živý projekt. V letectví je takto blízká spolupráce v mnoha zemích běžná a jsem rád, že to jde i u nás.