Nowa architektura napędu BPS. Co wynika z fizyki, a co musi potwierdzić prototyp?

Zapraszamy do lektury artykułu "Nowa architektura napędu BPS. Co wynika z fizyki, a co musi potwierdzić prototyp?" napisanego przez Macieja Kmeta, inżyniera UAV i systemów wbudowanych. Autor prowadzi innoTronics oraz jest założycielem i CEO/CTO SmartDrones. Od 15 lat pracuje przy systemach autonomicznych, awionice, fuzji danych z sensorów oraz integracji sprzętu i oprogramowania.

Opracowanie przedstawia niezależną analizę koncepcji od strony lotniczej: zasadę działania, bilans pędu, interpretację obliczeń patentowych, konsekwencje dla integracji ze statkiem powietrznym oraz program prób przed ewentualnym lotem.

Cztery fazy jednego cyklu

Podstawą BPS są dwa tory przypominające wydłużoną bieżnię. Po każdym z nich krąży kilka niezależnie napędzanych jednostek. Na pierwszej prostej jednostka rozpędza się własnym silnikiem. Następnie przechodzi z dużą prędkością przez półkolisty zakręt. Na drugiej prostej zwalnia dzięki hamulcowi aerodynamicznemu, który dokumentacja przedstawia jako rozkładany spadochron. Ostatni zakręt pokonuje wolniej i wraca do początku cyklu.

Jednostki na drugim torze mają poruszać się w przeciwnym kierunku. Przy dobrej synchronizacji może to ograniczyć część sił poprzecznych, momentów i drgań. Patent dodaje do tego zawieszenie elektromagnetyczne, bezkontaktowe przekazywanie energii, pomiar położenia oraz sterowanie obu torów. W wersji spalinowej patent przewiduje również automatyczne tankowanie w wolniejszej części obiegu.

Dla konstruktora lotniczego oznacza to jedno: cały BPS trzeba traktować jako zespół napędowy. Do bilansu wchodzą nie tylko silniki, lecz także tory, jednostki ruchome, hamulce, zasilanie, sterowanie, chłodzenie i osłona bezpieczeństwa.

Na poziomie architektury BPS nie jest przypisany do jednego rodzaju pędnika. Tor i zsynchronizowany cykl mogą współpracować z różnymi modułami wymiany pędu, między innymi wentylatorami kanałowymi lub zespołami odrzutowymi. Każdy wariant będzie jednak inną instalacją lotniczą: zmieni masę ruchomą, dynamikę, przepływ, termikę, zasilanie, drgania i przypadki awaryjne.

Także nazwa „napęd bezśmigłowy” wymaga ostrożności. Na zewnątrz może nie być dużego śmigła, ale wentylator kanałowy nadal ma wirnik i łopaty. Silnik turbowentylatorowy zawiera z kolei sprężarki, turbiny i wentylator. Dokładniej byłoby mówić o cyklicznym napędzie torowym bez dużego zewnętrznego wirnika.

Oryginalne jest właśnie takie połączenie elementów. Osłonięcie części ruchomych może ułatwić oddzielenie ich od ludzi i otoczenia. Wiele jednostek daje też możliwość badania, czy przebieg siły można kształtować przez zmianę ich fazy. Oba założenia można sprawdzić w próbach, ale w bilansie trzeba uwzględnić masę osłony, przepływ wewnątrz urządzenia i wymagania obsługowe.

Skąd bierze się użyteczna siła

Najważniejsze jest właściwe wyznaczenie granicy układu. Jeżeli patrzymy tylko na tor, jednostka przechodząca przez zakręt wywiera na niego dużą siłę. Dla toru jest to obciążenie zewnętrzne. Po włączeniu do analizy jednostek i reszty maszyny te same oddziaływania stają się siłami wewnętrznymi.

Po pełnym cyklu każda jednostka wraca do tego samego położenia i prędkości względem urządzenia. Okresowa zmiana kierunku ruchu masy nie może sama stale zwiększać pędu całego zespołu. Układ nie działa więc dlatego, że zakręt tworzy nową siłę z niczego.

BPS nie należy analizować jako zamkniętego układu mechanicznego. Jest otwartą objętością kontrolną, która podczas przyspieszania wymienia pęd ze spalinami lub strumieniem wentylatora, a podczas hamowania aerodynamicznego z otaczającym powietrzem. Zakręty kierują ruchem jednostek i porządkują obciążenia, ale nie tworzą pędu. Standardowe prawa zachowania pędu i energii pozostają w pełni stosowalne.

Jednym z celów BPS jest odzyskanie części energii kinetycznej podczas zwalniania i wykorzystanie jej w kolejnych cyklach. Może to ograniczyć zewnętrzne zapotrzebowanie na energię, ale wpływ na całkowitą sprawność trzeba zmierzyć. Jednocześnie zmniejszenie udziału hamowania aerodynamicznego może zmienić zewnętrzny impuls przekazywany powietrzu. Dlatego w pierwszym programie prób należy porównać hamowanie aerodynamiczne, regeneracyjne i mieszane, mierząc równocześnie siłę oraz przepływ energii.

Uczciwym punktem odniesienia jest napęd bezpośredni o tej samej masie zainstalowanej i tej samej mocy wejściowej. Śmigła i duże wentylatory dobrze wypadają w zawisie, ponieważ nadają mały przyrost prędkości dużej masie powietrza. Układ cykliczny musi więc pokazać inną korzyść, która uzasadni energię rozpędzania, hamowania i prowadzenia jednostek. Może nią być sposób zabudowy, bezpieczeństwo kontaktowe, sterowanie przebiegiem siły albo cecha ważna w szczególnym zastosowaniu.

170 kN nie jest średnim ciągiem

Przykład obliczeniowy przyjmuje masę jednostki 202 kg, prędkość około 29 m/s i promień szybkiego zakrętu równy 1 m. Ze wzoru F = mv²/r wynika około 170 kN. Obliczenie jest poprawne. Odpowiada przyspieszeniu około 85,8 g i pokazuje, jak duże obciążenia wystąpiłyby w skali użytej w patencie.
Kolejny krok wymaga rozdzielenia trzech różnych wielkości. 170 kN to lokalne maksimum siły normalnej. Składowa tej siły w wybranym kierunku zmienia się podczas przejścia przez półokrąg. Jej warunkowa średnia wynosi około 108,2 kN, jeżeli szybki łuk jest stale zajęty, a wkład wolnego zakrętu można pominąć. RMS tej samej składowej to około 120,2 kN.

W patencie pojawia się wartość około 119 kN. Po zaokrągleniu odpowiada RMS, nie średniemu ciągowi. RMS opisuje obciążenie cykliczne, lecz analiza drgań, zmęczenia i dobór czujników wymagają także wartości szczytowej oraz pełnego przebiegu siły. Ciąg trzeba wyznaczać ze średniej algebraicznej siły albo z impulsu podzielonego przez czas.

Po zastosowaniu średniej siły i zachowaniu pozostałych założeń przykładu BPS idealizowany wskaźnik zużycia paliwa względem impulsu wynosi około 6,45 g/(kN·s), a nie 5,74 g/(kN·s). To nie jest TSFC kompletnego systemu. Pełny bilans wymaga pomiaru wszystkich wejść paliwowych i energetycznych oraz strat zawieszenia, zasilania, sterowania i chłodzenia.

Dla statku powietrznego liczy się cała instalacja

Rozpędzenie jednostki o masie 202 kg do 29 m/s oznacza około 85 kJ energii kinetycznej. Przy częstotliwości przyjętej w przykładzie średnia moc związana z rozpędzaniem wynosi około 0,785 MW na każdy tor, a dla dwóch torów co najmniej 1,57 MW. Są to wartości brutto, przed stratami i przed ewentualnym odzyskiem. W konfiguracji z hamulcem aerodynamicznym część energii jest oddawana do powietrza; jeżeli BPS ma ją częściowo odzyskiwać, trzeba zmierzyć energię pobraną, odzyskaną i rzeczywiście ponownie wykorzystaną w pełnym cyklu.

Bilans masy jest równie wymagający. Nawet przy korzystnym założeniu, że hamowanie trwa tyle samo co rozpędzanie, oraz po pominięciu czasu wolnego zakrętu, utrzymanie dziewięciu przejść na sekundę wymaga około 14 jednostek na tor. Daje to około 2,8 t masy ruchomej na jednym torze i ponad 5,6 t na dwóch. Nie ma w tej liczbie prowadnic, magnesów, paliwa, zasilania, osłony ani konstrukcji nośnej.

Wersja elektryczna o znacznie mniejszej skali może zachowywać się inaczej i warto sprawdzić ją osobno. Przykład z jednostkami klasy FJ44 jest przydatny do weryfikacji obliczeń, ale nie powinien być traktowany jako gotowy projekt dla UAV. Obciążenie zakrętu zależy od mv²/r, natomiast masa konstrukcji, chłodzenie, szczelina magnetyczna, sprawność wentylatora i energia hamowania skalują się inaczej. Dwa demonstratory o różnych rozmiarach powiedzą tu więcej niż jedna duża konstrukcja.

Dla płatowca podstawowe wskaźniki to średni ciąg do masy całej instalacji, ciąg do mocy, energia na jednostkę impulsu, tętnienie siły, obciążenia poprzeczne i zapas cieplny. Dopiero taki bilans pokaże, czy mocną stroną układu jest sprawność, zabudowa, bezpieczeństwo, akustyka czy sterowanie siłą.

Jednym z celów konstrukcyjnych BPS jest ograniczenie masy zainstalowanej i liczby odrębnych mechanizmów przez integrację funkcji w torze i ruchomych modułach. Modułowa architektura może też ułatwić dopasowanie do różnych geometrii płatowca. W zastosowaniu lotniczym oceną musi jednak zostać objęta cała instalacja: prowadnice, osłona, zasilanie, chłodzenie, sterowanie i elementy bezpieczeństwa. Korzyść masową można wykazać dopiero przez porównanie z napędem bezpośrednim wykonującym tę samą funkcję.

Obciążenia cykliczne, osłona i awarie

Tor nie musi jedynie wytrzymać pojedynczego obciążenia 170 kN. Musi przenieść wiele powtarzalnych cykli. Potrzebna jest analiza zmęczenia wysokocyklowego, postaci drgań własnych, owalizacji prowadnicy, stateczności zawieszenia, tolerancji szczeliny oraz zachowania po utracie zasilania.

Jednostka z energią około 85 kJ musi zostać bezpiecznie zatrzymana również po awarii prowadzenia. Osłona jest więc elementem bezpieczeństwa i konstrukcji nośnej, nie tylko obudową akustyczną.

W wersji z silnikiem turbinowym dochodzą obciążenia łożysk i wirników, momenty żyroskopowe, praca instalacji olejowej i paliwowej, zniekształcenia wlotu oraz możliwość recyrkulacji spalin. Wersja z wentylatorem elektrycznym upraszcza część problemów, lecz nadal wymaga kontroli luzów wirnika, mocowania, zasilania bezkontaktowego i pracy w zmiennym napływie.

Dwa tory, na których jednostki poruszają się w przeciwnych kierunkach, mogą ograniczać drgania tylko w stanie symetrycznym. Błąd hamulca, utrata ciągu, błąd położenia lub zanik lewitacji jednej jednostki wprowadzi siłę i moment, których drugi tor nie skompensuje. Sterowanie lotem musi mieć rezerwę do przejęcia takiego zaburzenia, a sam napęd potrzebuje ochrony przed nadmierną prędkością, kolizją i uwolnieniem elementu.

W locie dochodzi napływ czołowy i boczny. Zmieni on pracę wlotów, hamulców i przepływ wewnątrz osłony. Nadal trzeba też zdefiniować praktyczny sposób wektorowania ciągu. Obracanie całego zespołu zwiększy masę i bezwładność. Sterowanie różnicowe może z kolei sprzęgać zmianę siły z dodatkowymi momentami i drganiami.

Od stanowiska naziemnego do prób na uwięzi

Kolejny etap walidacji powinien wykorzystywać demonstrator zbudowany przede wszystkim do pomiarów, a nie do lotu. Osobno trzeba sprawdzić ciąg modułu w ruchu, straty zawieszenia, powtarzalność hamulca i ewentualny odzysk energii. Następnie kompletny pojedynczy tor powinien trafić na dynamicznie scharakteryzowaną, sześciosiową platformę pomiaru sił i momentów.

Wszystkie kanały pomiarowe muszą być zsynchronizowane do wspólnej podstawy czasu: siły, momenty, położenie i prędkość jednostek, moc lub przepływ paliwa, stan hamulca, prądy zawieszenia, odkształcenia, drgania, temperatury i przepływ powietrza. Wynikiem podstawowym jest średnia algebraiczna siły z wielu pełnych cykli. Maksima i RMS należy pokazać oddzielnie.

Dokładna waga nie wystarczy. Impulsowy cykl może wzbudzać drgania rezonansowe stanowiska. Przewody, mocowanie albo struga uderzająca w element laboratorium mogą stworzyć pozorny wynik. Potrzebne są kalibracja dynamiczna, pomiar sprzężeń między osiami i jawny budżet niepewności. Surowe dane powinny być dostępne do ponownego przeliczenia.

Po zamknięciu bilansu pojedynczego toru można uruchomić drugi. Wynik warto sprawdzić po odwróceniu kierunku, obrocie całego stanowiska o 180 stopni, zmianie odstępów i celowym wprowadzeniu niewielkiej asymetrii. Następny etap to stanowisko o geometrii zbliżonej do lotniczej, badane w napływie czołowym i bocznym.

Próbę na uwięzi rozważałbym dopiero po potwierdzeniu osłony, zachowania po awarii i sterowania wektorem siły. Później obwiednię lotu można rozszerzać krok po kroku.

Jak podejść do certyfikacji

Nie ma jednej ścieżki certyfikacji dla każdego statku wykorzystującego ten napęd. Zależy ona od kategorii płatowca, rodzaju napędu i planowanej operacji. Dokumenty EASA SC-VTOL oraz SC E-19 pokazują, że nietypowy układ można oceniać względem celów bezpieczeństwa, a nie tylko przez porównanie z jednym znanym projektem.

W tym przypadku kluczowe będą analiza bezpieczeństwa całej instalacji, utrata pojedynczej jednostki, wspólne przyczyny awarii, integralność osłony i przewidywalność ciągu w całej obwiedni. Te wymagania warto uwzględnić już przy pierwszym demonstratorze, nawet jeśli nie będzie on przeznaczony do certyfikacji.

Co wynika z analizy, a co musi pokazać prototyp

BPS stanowi oryginalną, otwartą architekturę systemową złożoną ze znanych elementów. Można jednoznacznie wskazać źródła zewnętrznej wymiany pędu, a najważniejsze parametry zweryfikować pomiarem. Ogólną wartość inżynierską koncepcji oceniam na 5/6, a oryginalność architektury na 6/6. Oceny te nie obejmują dojrzałości wdrożenia ani potwierdzonych osiągów, które pozostają nieocenione do czasu wykonania prób kompletnego systemu.

Dokumentacja i przedstawione uzasadnienie inżynierskie dają podstawę do budowy dobrze opomiarowanego demonstratora. Jego wyniki pozwolą ilościowo określić sprawność, masę, skalowalność i osiągi w locie. Jedna korekta obliczeniowa pozostaje konieczna: średniego ciągu nie wolno zastępować wartością RMS. Pozostałe parametry powinny zostać wyznaczone z danych kompletnego systemu.

Jeżeli wyniki demonstratora będą powtarzalne i korzystne w porównaniu z napędem bezpośrednim przy tej samej masie i mocy, dalszy rozwój wersji lotniczej będzie uzasadniony. Przed pierwszą próbą na uwięzi zespół musi jeszcze potwierdzić skuteczność osłony, reakcję na awarie i sposób sterowania kierunkiem siły.

Nota o niezależności

Autor wykonał odpłatną, niezależną ocenę techniczną BPS. Nie otrzymuje oddzielnego wynagrodzenia za przygotowanie ani publikację tego artykułu, jednak zgodnie z ustalonym harmonogramem część wynagrodzenia za ocenę staje się należna po pierwszej publikacji zewnętrznej. Twórcy technologii mogli zgłaszać uwagi do faktów technicznych, ale nie kontrolowali tekstu ani jego wniosków. Za dobór źródeł, obliczenia i treść odpowiada autor.

Źródła
[1] European Patent Office, EP3565971B1: Method and a System for Generating Fuel Efficient Force by Accelerating Object and Using Centrifugal Force, 14.12.2022.
[2] European Patent Office, EP3565971B8, korekta danych bibliograficznych, 25.01.2023.
[3] NASA Glenn Research Center, Thrust Equation.
[4] NASA Glenn Research Center, Propeller Thrust, Simple Momentum Theory.
[5] EASA, Special Condition for VTOL and Means of Compliance.
[6] EASA, Special Condition SC E-19, Electric/Hybrid Propulsion System.
[7] Zespół BPS, niepublikowane noty techniczne o architekturze, układzie otwartym i odzysku energii, przekazane 6.08.2026.