Miękkopłaty Jerzego Wolfa - część I

W tym roku, w dniu 26 lipca mija dziesiąta rocznica odejścia Jerzego Wolfa – inżyniera i  konstruktora lotniczego, autora licznych rozwiązań patentowych, pilota lotni i motolotni, twórcy pionierskich i innowacyjnych rozwiązań w dziedzinie miękkopłatów.

Starsi i bardziej dociekliwi entuzjaści swobodnego latania z pewnością pamiętają to nazwisko - Jerzy Wolf dla wielu kojarzy się z lotnią Z-80 „Zeta” i koncepcją motolotni sterowanej drążkiem zwaną ZEM. Te konstrukcje są jednak jedynie dwoma dziełami z jego niezwykle bogatego dorobku konstruktorskiego obejmującego studia, badania i realizacje wielu różnych miękkopłatów, które powstały w okresie 34 lat pracy pomiędzy rokiem 1970 i 2004.

Docent dr inż. Jerzy Wolf (1926-2004), poznaniak z pochodzenia, specjalista w dziedzinie aerodynamiki i konstrukcji lotni i motolotni, w latach 1945-1951 studiował na Wydziale Mechanicznym (Sekcja Lotnicza) Politechniki Łódzkiej, gdzie uzyskał dyplom  magistra inżyniera. Pracę w Instytucie Lotnictwa rozpoczął w 1951 roku, początkowo w Dziale Silników gdzie opracował konstrukcję tłumika hamowni silników odrzutowych.

Pracę doktorską pt. „Przeponowe wymienniki równoległo-prądowe” obronił w 1962 roku na Politechnice Warszawskiej. Pracował również w dziedzinie agrolotnictwa  badając na ruchomym stanowisku (samochód z zabudowanym wiotkim skrzydłem) wpływ wirów na wyrzut granulatów i oprysk upraw. W latach 1973-1985 był kierownikiem Zakładu Prognozowania w Instytucie. W latach 1987-1990  kierował Pracownią Miękkopłatów w Zakładzie Badań w Locie.

W 1990 przeszedł na emeryturę ale w dalszym ciągu pracował aktywnie nad realizacją swoich koncepcji. Jego pasją były lotnie i motolotnie. Brał udział w konferencjach międzynarodowych na ich temat. Konstruował lotnie oraz motolotnie o oryginalnej konstrukcji – tzw. wychyłopłaty, sterowane za pomocą konwencjonalnych sterownic z kabiny pilota. Sam je badał w powietrzu. Podczas badań miał kilka wypadków, które nie zrażały go jednak i ciągle ponawiał próby. Ostatnia próba, 26 lipca 2004 skończyła się tragicznie.
[Notka biograficzna na podstawie  opracowania Jerzego Grzegorzewskiego i Tadeusza Królikiewicza pod tytułem "80 lat Instytutu Lotnictwa" Biblioteki Naukowej Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2006.]

Jerzy Wolf (fot. Andrzej Moldenhawer, źródło: Skrzydlata Polska).

Prace Jerzego Wolfa dotyczące miękkopłatów warto przypomnieć, gdyż stanowią unikalny w światowej skali zbiór dokonań i poszukiwań konstruktora – wizjonera.

Niezwykle istotne jest także i to, że rozwiązania Jerzego Wolfa nie stanowią kopii lub rozwinięcia podpatrzonych, istniejących w swoim czasie rozwiązań z zakresu techniki lotniowej. Ich wspólnym mianownikiem jest całkowita oryginalność – rzecz najtrudniejsza także w myśli inżynierskiej, cechująca prawdziwie innowacyjnych, wybitnych twórców.

Koncepcja sprężystego skrzydła.
Zainteresowanie Jerzego Wolfa ideą powszechnie dostępnego, swobodnego lotu zrodziło się najpewniej wraz z informacjami o dokonaniach pionierów światowego lotniarstwa, którzy w latach sześćdziesiątych XX wieku odkrywali nową dziedzinę, wykorzystując dla sportu wynalazek Francisa Rogallo pochodzący rodem z techniki kosmicznej.

Rogallo „Parawing” (źródło: history.nasa.gov)

Najbardziej wtedy popularny i najchętniej rozwijany przez entuzjastów – konstruktorów układ lotni powstał na podstawie koncepcji Francisa Rogallo i jest znany pod nazwą „Standard Rogallo”. Lotnie tego typu posiadały szkielet konstrukcyjny, w którego skład wchodziło pięć głównych elementów: 2 krawędzie natarcia tworzące kąt ok. 80 stopni, dźwigar, kil i sterownica – wszystko w postaci rur lub prętów usztywnionych linkami. Do szkieletu konstrukcyjnego  przymocowywano pokrycie skrzydła – początkowo foliowe, później z tkanin stabilizowanych – głównie dakronowych. Układ taki o ostrym kącie dziobowym i wybrzuszeniach pokrycia, które tworzyły się pod wpływem działania sił aerodynamicznych stanowił istotę wynalazku Rogallo.

Richard Miller leci pod swoim "Bamboo Butterfly” około 1961r.
(fot. George Uveges, źródło wikimedia commons).

Lotnia Z-70.
Pierwsza lotnia według projektu Jerzego Wolfa zbudowana została w Instytucie Lotnictwa w Warszawie w 1970 roku. Stała się ona pierwowzorem późniejszych miękkopłatów. Badania konstrukcji odbyły się na bocznych pasach lotniska Okęcie w Warszawie przy użyciu specjalnego pojazdu, zbudowanego na podwoziu samochodu ciężarowego Star 20. Próby prowadzono do złamania skrzydła, które nastąpiło przy przeciążeniu 6,75g. Pojazd pomiarowy wyposażono między innymi w wagę aerodynamiczną i dynamometry umożliwiające pomiary sił i wyznaczanie biegunowych. Badania te zapoczątkowały prace i rozwój sprężystego skrzydła Wolfa.

Jerzy Wolf pragnął wyeliminować naturalne ograniczenia i wady klasycznego układu lotni. Ograniczenia związane były z niewielką doskonałością aerodynamiczną, która dla klasycznego skrzydła Rogallo wynosi około 4 i jest trudna jest podwyższenia z powodu między innymi niewielkiego wydłużenia skrzydła - około 3,5. Ponadto jedną z głównych wad skrzydła Rogallo jest naturalna skłonność do  wystąpienia drgań – łopotu pokrycia począwszy od krawędzi spływu, która znacznie ogranicza warunki użytkowania i jest potencjalnie niebezpieczna.
W wyniku prac nad Z-70 powstały w późniejszych latach lotnie Z-71, Z-73, Z-75-7, Z-76.

Lotnia Z-70 na specjalnym samochodzie do badań prowadzonych w roku 1970.
(źródło: Skrzydlata Polska 1977).


Lotnia Z-70 po próbie niszczącej. (źródło: Skrzydlata Polska 1977)

Skrzydło o napiętej obwodowo sprężystej powłoce.
(wynalazek chroniony patentem zgłoszonym w 1970 roku).
Jerzy Wolf po przeanalizowaniu koncepcji Rogallo zaprojektował i przebadał lotnię Z-70 - miękkopłat o odmiennej konfiguracji, którego założenia projektowe eliminowały wady układu Rogallo. Uznał, że kluczowym parametrem dla podniesienia doskonałości projektowanej lotni jest zwiększenie wydłużenia, natomiast dla poprawy bezpieczeństwa należy pozbyć się naturalnej tendencji pokrycia do trzepotania. Swoje rozwiązanie tak przedstawił w 1970 roku w opisie patentowym pod tytułem: „Skrzydło o napiętej obwodowo sprężystej powłoce”:

„(…) Dotychczas znane skrzydła elastyczne składają się z dwóch trójkątnych powłok zamontowanych bez napięcia wstępnego dwoma krawędziami do trzech połączonych poprzecznym dźwigarem belek, schodzących się w jednym punkcie na przodzie skrzydła. Wadami tych skrzydeł są: małe wydłużenie, nadmierne skręcenie, niska doskonałość aerodynamiczna, skłonność luźnej powłoki do marszczenia się i trzepotania przy małych kątach natarcia.  Celem wynalazku jest usunięcie dotychczasowych niedogodności oraz umożliwienie zbudowania bardziej lekkiego, a jednocześnie bardziej wytrzymałego i doskonalszego aerodynamicznie skrzydła.

Cel ten osiągnięto przez opracowanie nowej struktury nośnej, która tworzy szkielet o kształcie sześcianu, ośmiościanu lub wrzecionowatego wielościanu. (…) Napiętą obwodowo powłokę, połączono ze szkieletem w czterech punktach w ten sposób, że stanowi ona dwa trójkątne boki wielościanu.(…)

W odmianie skrzydła zastosowano dwuścienną powłokę wypełnioną powietrzem lub lekkim gazem o niskim ciśnieniu umożliwiającą uzyskanie profilu o zmiennej grubości.

Skrzydło według wynalazku jest samostateczne poprzecznie na skutek niskiego położenia środka ciężkości w stosunku do środka sił aerodynamicznych, jak również stateczne kierunkowo szczególnie dzięki zastosowaniu statecznika rozpiętego bezpośrednio na jego konstrukcji oraz może być stateczne podłużnie przez zastosowanie odpowiedniego profilu centralnego względnie skosu i skręcania płata. Skrzydło w porównaniu do miękkopłatów typu „Rogallo” posiada większą doskonałość aerodynamiczną i może pracować przy mniejszych kątach natarcia bez łopotania powłoki. Ponadto może posiadać mniejsze niż dotychczasowe miękkopłaty wybrzuszenie i skręcenie profilu, a także większe wydłużenie rzędu 5 – 10. Dalszą poważną zaletą skrzydła według wynalazku jest stosunkowo duży, nieosiągalny w innych skrzydłach o podobnym wydłużeniu i ciężarze jednostkowym współczynnik niszczący wyrażający stosunek obciążenia niszczącego do ciężaru własnego.(…)”.

Schemat skrzydła o napiętej obwodowo sprężystej powłoce. Rysunek pochodzi z opisu patentowego.

Skrzydło o napiętej obwodowo sprężystej powłoce w postaci konstrukcyjnej. Rysunek pochodzi z opisu patentowego.

Skrzydło o napiętej obwodowo sprężystej powłoce w trzech rzutach. Rysunek współczesny na podstawie opisu patentowego.

Skrzydło o napiętej obwodowo sprężystej powłoce – widok perspektywiczny, wizualizacja współczesna na podstawie opisu patentowego. Opracowanie graficzne Maciej Kolek.


Skrzydło o napiętej obwodowo sprężystej powłoce – widok perspektywiczny, wizualizacja współczesna na podstawie opisu patentowego. Opracowanie graficzne Maciej Kolek.


Skrzydło o napiętej obwodowo sprężystej powłoce – widok perspektywiczny, wizualizacja współczesna na podstawie opisu patentowego. Opracowanie graficzne Maciej Kolek.

Skrzydło sprężyste (wynalazek chroniony patentem zgłoszonym w 1973 roku).
Rozwiązanie podejmowało dalszy ciąg prac nad koncepcją skrzydła elastycznego. Istotę wynalazku stanowi nadanie stałego skrzydłu profilu aerodynamicznego niezależnie od jego naturalnej sprężystości w celu  poprawy własności aerodynamicznych.

Jerzy Wolf rozwiązanie to opisał następująco:

„(…) Znane konstrukcje żaglo – podobnych skrzydeł mają powłoki usztywnione za pomocą płaskich, elastycznych, prostoliniowych listewek przylegających swoją powierzchnią do powierzchni powłoki. Listewki te, najczęściej wsunięte do pochewek naszytych na powłoce, wyginają się odpowiednio do wysklepienia powłoki i obciążenia siłami aerodynamicznymi. Usztywnienie takie ma głównie na celu umożliwienie zmiany kierunku obciążenia siłami aerodynamicznymi. Jego wadą jest niestałość profilu skrzydła i mało skuteczne eliminowanie łopotania powłoki przy wzroście prędkości opływu powietrza. (…) Celem wynalazku było uzyskanie możliwości nadania powłoce skrzydła sprężystego trwałego profilu, niezależnego od wartości obciążenia skrzydła siłami aerodynamicznymi i jego odkształceń. (…) Zaletą skrzydła sprężystego o usztywnionej żebrami powłoce według wynalazku jest nieosiągalna w inny sposób ultralekkość konstrukcji płata nośnego przy jednoczesnej wysokiej wytrzymałości i stosunkowo bardzo dobrych własnościach aerodynamicznych. Cechy te osiągnięte są dzięki korzystnej współpracy cienkich i lekkich żeber z powłoką, które mimo wiotkości utrzymują zadany profil skrzydla, stanowiąc rodzaj teowych, korzystnie zakrzywionych, zginanych belek o dużej sztywności.”

Skrzydło sprężyste. Rysunek pochodzi z opisu patentowego.

Równolegle z pracami teoretycznymi: koncepcyjno – projektowymi Jerzy Wolf budował i dokonywał prób w locie miękkopłatów, które powstawały według przyjętych przez niego założeń. Od około 1975 do 1979 roku zostało zrealizowanych i wypróbowanych szereg wariantów konstrukcyjnych. Na podstawie zachowanych fotografii można zauważyć wielokierunkowość rozwiązań i ewolucję układu.

Lotnia Z-75-7.
ok. 1975 – próby w locie zbudowanej na podstawie autorskiej koncepcji skrzydła o napiętej obwodowo sprężystej powłoce z 1970 roku.

Lotnia Z-75-7 z doskonale widocznym jednopunktowym zamocowaniem powłoki skrzydła do końca dźwigara. (źródło: Skrzydlata Polska nr 39/1978).


Lotnia Z-75-7 (źródło: Skrzydlata Polska).


Lotnia Z-75-7 (źródło: Skrzydlata Polska).


Lotnia Z-75-7 (źródło: Skrzydlata Polska).

Lotnia Z-77.
Ok. 1977 roku - badania i próby w locie kolejnych wariantów rozwojowych lotni Z-77 zbudowanej na podstawie autorskiej koncepcji skrzydła o napiętej obwodowo sprężystej powłoce z 1970 roku oraz z wykorzystaniem elementów koncepcji sprężystego skrzydła z 1973 roku.

Lotnia Z-77 – skrzydło sprężyste, giętnoskrętne nie wyposażone w typowy układ szkieletu składającego się z rur dźwigara i krawędzi natarcia, a tylko jedną rurę (ø 45) o kącie rozwarcia krawędzi natarcia 180º. Zastosowana konstrukcja odznaczała się dużą swobodą sprężystych skręceń powłoki. Lotnia wyposażona w grzebieniaste żebra według wynalazku konstruktora. Zastosowano profile samostateczne o odpowiednio dobranym przebiegu momentu pochylającego w funkcji kąta natarcia. Lotnia Z-77 była stateczna i sterowna również w przeciągnięciu.

Dane techniczne:
Powierzchnia nośna: 20 m²
Rozpiętość: 12,0 m
Wydłużenie: 7
Kąt rozwarcia krawędzi natarcia: 180º

Lotnia Z-77 w wariancie z belką na krawędzi natarcia spadochronuje przy lądowaniu (źródło: Skrzydlata Polska nr 39/1978).


Lotnia Z-77 w pierwotnym wariancie z linką na krawędzi natarcia. (źródło: Skrzydlata Polska nr 39/1978).


Lotnia Z-77 w wariancie z linką na krawędzi natarcia ustawiona nosem pad wiatr. Widoczne są przyczyny przetarć powłoki. (źródło: Skrzydlata Polska nr 39/1978).


Skrzydło Z-77 oblatywane przez S. Besowskiego. (źródło: Skrzydlata Polska nr 23/1978).


Jeden z ostatnich wariantów Z-77. (źródło: Skrzydlata Polska nr 39/1978).


Lotnia Z-77, rysunek w trzech rzutach (źródło: Skrzydlata Polska).


Lotnia Z-77 (źródło: Skrzydlata Polska).


Lotnia Z-77 (źródło: Skrzydlata Polska).


Lotnia Z-77 (źródło: Skrzydlata Polska).


Lotnia Z-77 (źródło: Skrzydlata Polska).

Lotnia Z-79.
Jerzy Wolf startował na lotni Z-79 w Lotniowych Mistrzostwach Świata 1979 we Francji w St. Hilare, które odbyły się w dniach 29 lipca do 12 sierpnia.

Lotnia Z-79 (źródło: Skrzydlata Polska nr 37/1979).


Lotnia Z-79  (źródło: Skrzydlata Polska nr 37/1979).

Poprawa osiągów lotni dzięki zastosowaniu ultralekkiego skrzydła elastycznego -  referat Jerzego Wolfa na międzynarodowej konferencji dotyczącej problematyki niskich prędkości i lotów bezsilnikowych zorganizowanej w ośrodku NASA w dniach 29-30 marca 1979 roku w Hampton, USA.

W swoim referacie Jerzy Wolf przedstawił analizę skuteczności sterowania poprzecznego zmianą wyważenia w związku z rosnącymi rozpiętościami skrzydeł lotniowych. W pierwszej części referatu podano wyniki obliczeń czasu przechylenia skrzydła dla jego różnych podatności skrętnych i wykazano, że najkrótsze okresy przechylenia, a więc największą sterowność, posiada elastyczne skrzydło, najdłuższe zaś – skrzydło sztywne. W drugiej części referatu opisano rozwój elastycznego skrzydła w zastosowaniu do lotni Z-77. Wymagało to między innymi opracowania i praktycznego sprawdzenia szeregu samostatecznych profili. Profile te posiadają ustalony obrys grzbietu i sprężyście odkształcającą się linię spodu. Dzięki temu ich biegunowa stanowi obwiednie szeregu biegunowych otrzymanych dla różnych chwilowo ustalonych szkieletowych profilu. Cecha ta polepsza pracę profilu przy małych kątach natarcia, przyczyniając się do zmniejszenia oporu profilowego i powiększenia użytkowego zakresu prędkości lotu.

Praca ta wydaje się podsumowaniem badań i prób Jerzego Wolfa dotyczących jego autorskiej koncepcji i prac nad skrzydłem o napiętej obwodowo sprężystej powłoce, które rozpoczął w 1970 roku oraz koncepcji sprężystego skrzydła z 1973 roku.

W sympozjum, oprócz J. Wolfa uczestniczyły największe światowe sławy z dziedziny aerodynamiki i mechaniki lotu, jak np. prof. R. Eppler, dr Paul McCready, czy wreszcie twórca miękkopłatów Francis Melvin Rogallo.

(źródło: Jerzy Wolf, Improvement of hang glider performance by use of ultralight elastic wing, 1979r.)


Profile dla małych liczb Re opracowane i badane przez Jerzego Wolfa (źródło: Skrzydlata Polska).


Częściowo samowysklepiający się profil stosowany w lotni Z-77 (źródło: Skrzydlata Polska).


(źródło: Jerzy Wolf, Improvement of hang glider performance by use of ultralight elastic wing, 1979r.)


Twórcy miękkopłatów podczas rozmowy: Francis Rogallo i Jerzy Wolf  (źródło: Skrzydlata Polska).

Podziękowania dla Zbigniewa Czerwika, inspiratora powyższego opracowania, za udzielone konsultacje, oraz dla Dariusza Parzyszka za korektę.
Artur Caban

Koniecz częsci 1.

Bibliografia, źródła informacji:
- Opis patentowy nr 71138 - Skrzydło o napiętej obwodowo sprężystej powłoce, 1970r.
- Opis patentowy nr 75433 - Skrzydło sprężyste, 1973r.
- Jerzy Wolf, Technological prospects for oscillating – wing propulsion of ultralight gliders, 1974r.
- Jerzy Wolf, Improvement of hang glider performance by use of ultralight elastic wing, 1979r.
- Jerzy Wolf, Tadeusz Idziak, Wojciech Narożniak, Zakończenie skrzydła lotni. Instytut Lotnictwa, Warszawa, Biuletyn Urzędu Patentowego z 1985r.
- Jerzy Wolf, A metod for determining the lift-to-drag ratio of a propeller hang-glider, Aeronautical Journal, February 1996.
- Zbigniew Czerwik ”Historia Lotniarstwa w Aerokubie Łódzkim”, lotniczapolska.pl, 2006 r.
- J. Grzegorzewski, T. Królikiewicz "80 lat Instytutu Lotnictwa", Biblioteka Naukowa Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2006r.
- samolotypolskie.pl
- lotnie.pl
- homebuildairplanes.com
- Skrzydlata Polska, roczniki 1977 – 1988.
- Przegląd Lotniczy PLAR 10/2004.
- Horyzonty Techniki, rocznik 1988.
- Rozdział dotyczący żagli poziomych opracowano na podstawie:
Krzysztof Mnich „Pod parasolem" - http://www.zeglarstwo.sail-ho.pl/proa/memuary/nietopiso.htm
- Komunikat nr 78 Prezesa ULC z dnia 24 października 2007r. w sprawie zdarzenia lotniczego Nr 176/04.
- T. Makowski „Współczesne konstrukcje lotnicze Polski”, Agencja Lotnicza Altair, Warszawa 1996r.
- Relacje ustne: dr inż. Zbigniew Czerwik