DOPRAVA: Létání bez křídel a vrtulí
Létající cyklokoptéry s kolmým startem a přistáním nemají křídla ani vrtule, které vidíme prakticky u všech letadel.
A nemají ani proudové motory, kdy spaliny vycházející z motoru působí silou opačným směrem na motor, který tím ženou vpřed. Zde ale musíme naše pojednání o létajících cyklokoptérách namísto ve vzduchu začít ve vodě, u Schneiderova lodního šroubu, zvaného též Voith Schneider Propeller (VSP), který kombinuje pohon a řízení v jedné jednotce. Toto unikátní řešení pohonu plavidla, které generuje tah ve všech směrech, bylo vyvinuto téměř před 100 lety rakouským inženýrem Ernstem Leo Schneiderem (1894-1975), narozeným na Moravě. Rodný dům Ernsta Lea Schneidera se nachází na hlavním náměstí města Kyjova a jako měšťanský dům Maxe Badera z roku 1904 je kulturní památkou.
Aplikace Schneiderova pohonu, používaná na lodích s ovládáním mechanickým či hydraulickým, je pojmenována i po německé společnosti Voith, se kterou Schneider spolupracoval. Základní patent pro jeho pohon byl udělen 25. února 1927, toho roku také vyplula první zkušební loď Torqueo v přístavu Rotterdam, kde na všechny zapůsobila, neboť díky Schneiderovu zařízení zvládla úplnou otočku kolem své podélné osy za deset sekund. V roce 1930 pak Schneider instaloval VSP do dunajského remorkéru Uhu a o tři roky později byla jeho lodními šrouby (rotory) vybavena zaoceánská loď Makrele. V roce 1932 svoje poznatky Schneider shrnul v práci „Cykloidová křídla, kinematika, vztahy proudění a sil a všeobecné souvislosti“ (Cycloid propulsion wings, kinematics, flow and force relations and general connections).
U systému VSP jsou pohon a řízení spojeny v jeden celek, což umožňuje rychlé, bezpečné a přesné manévrování i za nepříznivých podmínek. Systém je tak vhodný pro širokou škálu aplikací, od přístavních remorkérů a trajektů až po různé typy pobřežních plavidel. Samozřejmě prochází dalším vývojem, kdy jeho minimální požadavky na energii se promítají do nízké spotřeby paliva a zároveň maximalizují jeho bezpečnost pro životní prostředí. Schneiderovým rotorem (lodním šroubem) a jeho odborným pojednáním se inspirovala podobná zařízení, montovaná nikoli na svislé ose, ale na ose vodorovné. Takováto zařízení, pro něž se vžil název cykloidní rotor, se začala využívat k zajištění vztlaku a pohonu na modelech experimentálních letounů, ale i jako alternativa dosavadního pohonu dronů především proto, že cyklorotory ve vzduchu, podobně jako VSP ve vodě, mohou generovat tah ve všech směrech. Ostatně samotný anglický termín Propeller značí jak leteckou vrtuli, tak lodní šroub.
Cykloidním rotorem (cyklorotorem) se rozumí rotor, jehož lopatky se otáčejí kolem osy náklonu a obíhají kolem hřídele rotoru, která je rovnoběžná s lopatkou, kdy dokáže generovat všesměrový tah s vysokou účinností. Cyklorotor se liší od Fluttnerova rotoru, který je rotujícím válcem, jenž využívá Magnusův jev k vytvoření síly kolmé na proudění a může být použit k pohonu lodí podobně jako plachta. Cyklorotor či cyklogyroskop má lopatky, které jsou rovnoběžné s osou rotace a kolmé na směr pohybu vzduchu. Výhodou tohoto zařízení je, že dokáže přeměnit přicházející proud vzduchu na sílu v jakémkoli směru, který je kolmý k ose rotace. Kdy tah i vztlak lze generovat ze stejného rotoru změnou úhlu sklonu otáčejících se lopatek. Co je však nejdůležitější, cyklokoptéry využívají vektorování tahu, jak je vysvětleno i v tomto starším videu: https://www.youtube.com/watch?v=PH_H7pIkL4Y
Nejdále ve využití tohoto systému při vývoji a konstrukci létajících prostředků, určených pro přepravu nákladu i osob, došla v Evropě společnost CycloTech GmbH, založená v roce 2004 v Rakousku, původně jako IAT 21. Tento tým prvně budil pozornost na pařížské Air show v roce 2011, kde představil dron pojmenovaný D-Dalus jako prototyp střední velikosti, létající za pomoci motocyklového motoru KTM pod dohledem vynálezce Meinharda Schwaigera. Do dalšího vývoje cyklokoptér se však Schwaiger nezapojil, opustil tým v roce 2016 před jeho přejmenováním na CycloTech a vede vlastní firmu AMX Automation Technologies. Už po zveřejnění poznatků o čtyřrotorovém cyklogyro letounu D-Dalus se v roce 2016 hovořilo o tom, že tento systém nemá žádné vyčnívající rotory a přitom má výjimečnou hbitost, proto by mohla být tato technologie zavedena u letadel s vertikálním vzletem a přistáním, která by mohla bezpečně tvořit nahuštěné roje, což by údajně v budoucnu mohlo otevřít cestu k efektivnější letecké dopravě.
Hlavním předmětem podnikání společnosti CycloTech s ústředím v Linci je vývoj a optimalizace cyclorotorů pro pohon hybridně-elektrických vertikálních vzletů i přistání (VTOL) a čistě elektrických vertikálních vzletů a přistání (eVTOL), tedy osobních a nákladních cyklokoptér pro pokročilou leteckou mobilitu (AAM), kdy by měly cyklokoptéry nacházet uplatnění v provozech zdravotnické záchranné služby, nebo jako autonomní aerotaxi. CycloTech kromě svých vlastních projektů v současné době ve spolupráci s japonskou firmou Yamato pracuje na vývoji Cargo Drone CCY-01, nákladního dronu střední třídy, schopného přistát v podmínkách omezených prostor v přístavech, kde zvládne i náročné povětrností podmínky jako je boční vítr. A může pak vertikálně vzlétnout a přepravovat zavěšené zásilky po městě a v příměstských oblastech.
Některé cyklokoptéry však budou jen drahé hračky pro potěchu miliardářů. Jako když pro movité jachtaře vyvinulo francouzské designové studio Emmanuela Klissarova nový koncept ultralehkého elektrického letadla Acro s vertikálním vzletem a přistáním (eVTOL) pro cestování na krátkou vzdálenost, kdy pasažér údajně nepotřebuje pilotní průkaz, protože jde o ultralehké letadlo a využívá umělou inteligenci (AI), která mu pomáhá s řízením letadla. Acro dokáže přepravit jednoho pasažéra na loď či z lodi na břeh a je navrženo tak, aby se dalo spárovat se superjachtou. Pohonný systém je založen na technologii cykloidních rotorů nové generace a umožňuje plné vektorování tahu v rozsahu 360 stupňů, díky čemuž má eVTOL výjimečnou manévrovatelnost a stabilitu. Klissarov uvádí, že Acro bude schopno přistát na jachtách i v těch nejnáročnějších podmínkách a jeho kompaktní design nebude pro přistání vyžadovat žádný speciální vertiport, takže může přistát na jakékoli lodní palubě. Dobíjení by mělo být také relativně snadné, díky dock-in nabíjecímu bodu integrovanému v jeho spodní části. A jako bezpečnostní prvek bude nad kokpitem umístěn nouzový balistický padák. Vzhledem k tomu, že majitelé luxusních jachet využívají stále více špičkových vodních hraček, od podvodních dronů, jednomístných ponorek a proudových batohů na vodní pohon až po vodní hyperskútry, budou mít i o tuto novou hračku jistě zájem. Acro jako ultralehký eVTOL na propagačním videu :
https://www.youtube.com/watch?v=r7p1umIUnhU
Přestože první pokus o koncept cyklokoptéry, zvané též cyklogyro, byl Jonathanem Edwardem Caldwellem patentován už před sto lety, teprve v posledních několika letech se díky pokroku v oblasti materiálů a technologií utvářel do reálné podoby, kdy mohou cyklokoptéry díky nejnovějším poznatkům vnášet do létání i nový prvek bezpečnosti. Tím je zde distribuovaný elektrický pohon (DEP) s redundancí. Redundance znamená nadbytek oproti nezbytně nutnému. V souvislosti s IT technologiemi se slovo redundance používá v celé řadě případů, obvykle však v souvislosti se zvýšením spolehlivosti. Například pokud je server zapojený do dvou nezávislých zdrojů elektřiny (duální napájení), výpadek jednoho z nich nezpůsobí nedostupnost serveru. Ostatně hardwarové komponenty mají různou míru poruchovosti, proto se vyplatí je v některých případech zdvojit tak, aby v případě selhání jedné komponenty došlo k automatickému nahrazení záložní komponentou. IT infrastruktura tak funguje kontinuálně dál, aniž by se muselo čekat na opravu technikem. Podobné výhody přináší distribuovaný elektrický pohon (DEP) u cyklokoptér, kde je několik rotorů, přičemž každý jednotlivý cyklorotor je poháněn přímo svým vlastním elektromotorem, tedy každý motor může být ovládán nezávisle, což umožňuje optimalizaci výkonu podle potřeby. Přičemž distribuovaný elektrický pohon (DEP) se pojí s autonomií a tyto dvě technologie dle expertů NASA budou hnací silou inovací na dalších 10 až 20 let, podobně jako tomu bylo u nástupu turbínového motoru v 50. létech minulého století.
Internetem před časem prosákla zpráva o týmem krasnojarské pobočky Novosibiřského institutu termofyziky od roku 2013 (zprvu tajně) vyvíjeném létajícím vozidle s cyclorotory pro ozbrojené síly Ruské federace. Přičemž i podle agentury TASS první cyklokoptéra na světě, vyvinutá inženýrem Jevgenijem Sverčkovem, byla postavena roku 1909 v carském Rusku. Ve Spojených státech se armádní složky soustředily na koncepci dronů s cykloidními rotory a jejich miniaturizaci v rámci programu Micro Autonomous Systems and Technology (MAST), financovaného americkou armádou. Jak uvádí i Wikipedia, během experimentálního hodnocení vydávaly cyklorotory malý aerodynamický hluk, přičemž mohou produkovat vztlak a tah při vysokých předstihových poměrech, což by teoreticky mělo umožnit vzdušným dopravním prostředkům s cyklorotory letět podzvukovou rychlostí výrazně převyšující rychlost jednorotorových helikoptér. Hlavním cílem dalšího vývoje cyklokoptér je pak dosažení co nejlepšího poměru užitečného zatížení ke spotřebě energie.
Cyklorotorový koncept nabízí několik potenciálních výhod ve srovnání s tradičními vzdušnými prostředky s vertikálním vzletem a přistáním nebo s pevnými křídly. Proto se také vývojem cyklokoptér se schopností kolmého vzletu a přistání (VTOL) zabýval i multidisciplinární výzkumný tým z pěti evropských zemí v projektu CROP, který financovala Evropská komise, podle níž tento průlomový koncept vede k inovativním návrhům leteckých dopravních prostředků se zlepšenými výkony a sníženým dopadem na životní prostředí. Projekt CROP představoval systematický prostředek k dosažení a zavedení budoucí reality v letecké dopravě a jeho výsledky byly v souladu s cíli stanovenými Poradním sborem pro letecký výzkum a inovace v Evropě (ACARE). Agentura Evropské unie pro bezpečnost letectví (EASA) v rámci těchto cílů pak zveřejnila pravidla pro provoz aerotaxi ve městech, což je první komplexní návrh takových předpisů. Kdy nová pravidla budou definovat provoz aerotaxi a zdravotnické záchranné služby využívající létající vozidla se schopností kolmého vzletu a přistání (VTOL), tedy i cyklokoptér. Zde jedna z aplikací cyklorotorů v konceptu CruiseUp rakouské společnosti CycloTech:
https://www.youtube.com/watch?v=fejrPOyW2eA&t=16s
Cyklokoptéry nepotřebují pro přistání ani vzlet speciální vertiport a mohou přistávat i na nakloněné rovině a na lidem zcela nepřístupném přírodním terénu, což je důležité zejména pro záchranáře. A ve městech jim k parkování stačí venku vyhradit jen minimální prostor, třeba i na místech, kde jinak parkují automobily, přičemž cyklokoptéra dokáže zaparkovat i pod korunami stromů. Nicméně další vývoj cyklokoptér v rámci elektromobility, stejně tak jako u plně elektrických aut, je podmíněn především vývojem trakčních baterií, u nichž je zcela zásadní jejich váha a velikost, přičemž uživatelé volají po tom, aby výrobci zvýšili jejich energetickou hustotu i počty cyklů nabití a vybití.
Ale po světě se už vyrábí tolik elektromobilů, že jsou vývojáři pod neustálým tlakem a do vývoje baterií směřují další a další finanční prostředky. Popravdě řečeno, žádný z inovativních pohonů dopravních prostředků to neměl, jak víme z jejich historie, úplně jednoduché. Vždyť v elektromobilu vlastní konstrukce po pražských ulicích jezdil František Křižík už v roce 1895 a o čtyři roky později Belgičan Camille Jenatzy jako první člověk na světě, v elektromobilu doutníkovitého tvaru nazvaném La Jamais Contente (Věčně nespokojen), překonal rychlost 100 kilometrů za hodinu. A přesto se elektromobily v minulém století neprosadily. Jenže 109 let po rychlostním rekordu „nespokojeného doutníku“ v továrně Tesla Motors začal vizionář Elon Musk vyrábět sportovní elektromobil Tesla Roadster, kterým odstartoval plný rozvoj elektromobility.
Jinak řečeno, u každého nového typu pohonu dopravních prostředků se vždy našly nějaké problémy, které se časem vyřešily. Viz třeba palivové články elektromobilů zvaných Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV), které jezdí na vodík. Palivový článek světu představil už v roce 1838 švýcarský chemik Christian Friedrich Schönbein. Zpočátku článek moc úspěchů neslavil, jeho největším nepřítelem se stalo dynamo a další navazující technologie výroby elektrické energie. Postupem času se podařilo zkonstruovat různé typy palivových článků, jejichž princip je v zásadě stejný. Palivové články se osvědčily v kosmických programech a tato technologie se začala rozšiřovat i do pozemských aplikací, kdy se začaly používat u městských autobusů i automobilů, kde tento typ pohonu přes jeho počáteční mouchy byl dotažen k úplné, bezproblémové funkčnosti, což dokládá třeba i u nás dostupná Toyota Mirai nebo Hyundai Nexo. Jejich využití v individuální dopravě však v Evropě brání současná vysoká cena vodíku, pro kterou nejsou zatím budovány ani zbytečné veřejné plnící stanice. Což připomíná známý paradox se slepicí a vejcem: kupci nechtějí auta na vodík, protože je nedokážou naplnit, a neexistují čerpací stanice, protože auta na vodík nikdo nekupuje. To ale nemá nic společného s vlastní funkčností palivových článků, které jednou namísto těžkých lithium-iontových baterií můžou dodávat elektřinu motorům i v některé cyklokoptéře.
Avšak ne všude vodík je a v nejbližších letech bude tak drahý jako u nás. Což si uvědomuje kalifornská společnost Hyperion Motors, kterou tvoří tým leteckých a automobilových inženýrů. Ta v roce 2022 představila veřejnosti svůj prototyp sportovního vozu XP-1 s dojezdem až 1 600 km na jednu nádrž vodíku, kterou lze naplnit za 3-5 minut. Jejich palivový systém, zajišťující elektrickou energii pro čtyři elektromotory s využitím superkondenzátorů, má třikrát vyšší životnost než většina FCEV díky technologii Catalyst a vydržet má více než 1,5 milionu ujetých kilometrů, přičemž karoserie z kompozitu je nejenom neuvěřitelně lehká, ale i odolná vůči korozi. Pokud se týmu společnosti Hyperion a jeho následovníkům podaří vyrobit vozidla s architekturou palivových článků vyvinutých pro letectví a kosmonautiku i v plánovaných nižších kategoriích, pak jedinou zbývající překážkou v individuální dopravě bude chybějící infrastruktura.
Ovšem společnost Hyperion začíná budovat síť mobilních plnících stanic pro vodíková auta (například na parkovištích velkých nákupních center) po celých Spojených státech. Její strategie dodávek energie se tak podobá strategii Tesly, která vystavěla rozsáhlou síť nabíječek, aby povzbudila motoristy ke koupi svých elektromobilů, přičemž celosvětově už vybudovala více než padesát tisíc superchargerů. A tak je Hyperion XP-1 přirovnáván k billboardu na podporu plánovaného příchodu vodíku, považovaného za životaschopné palivo. „Hyperion je především energetická společnost, jejímž posláním je dodávat světu čistou, obnovitelnou energii,“ řekl k tomu Angelo Kafantaris, generální ředitel společnosti. Zde na videu nejen samotný Hyperion XP-1, ale i řada podstatných souvislostí. Video oslovující všechny motoristy je v polštině, přičemž stránky YouTube umožňují nastavit si české titulky :
https://www.youtube.com/watch?v=K54neQJTZok
Tedy pokud jde o nějaké počáteční mouchy či problémy, ty se i v případě cyklokoptér, vyvíjených pro pokročilou leteckou mobilitu, jistě vyřeší. Ale pokud se s nimi u nás jednou setkáme, tak zřejmě jen jako s nákladními drony, nebo létajícími taxíky některé nadnárodní společnosti. Protože superjachty se spárovanou hračkou Acro se u nás na Vltavě ani na Labi nejspíše neobjeví.
POST SCRIPTUM
Řada našich propagátorů elektromobility na nejrůznějších webech radostně hýká nad záplavou čínských elektromobilů valících se do Evropy a chválí Čínu za její snižování emisí a pokroky v oblasti obnovitelných zdrojů, od solárních a větrných elektráren po výrobu vodíku, neboť v současné době Čína, následovaná USA, má být největším producentem a spotřebitelem vodíku. Přičemž však ještě v roce 2022 byla Čína řadou expertů pranýřována za to, že 80 % z objemu vyprodukovaného zde vodíku bylo vyrobeno z fosilních paliv. Hnědý vodík zplynováním hnědého uhlí, černý vodík zplynováním černého uhlí, modrý a šedý vodík parním reformingem zemního plynu. Všechny tyto způsoby výroby vodíku se ve velkém praktikují v Číně. Ale o tom, co se děje v této oblasti ve Spojených státech, se od našich greendealistů prakticky nic nedozvídáme. Jako by ani Americké ministerstvo energetiky (DOE) nemělo žádné priority výzkumu a vývoje k dosažení ambiciózních cílů v oblasti nákladů na čistý vodík.
Přičemž dle prognóz náklady na zelený vodík se v USA do roku 2050 výrazně sníží, což signalizuje jeho dlouhodobou životaschopnost a povzbuzuje další investice. Výroba a skladování obnovitelného vodíku, stejně jako vodíková technologie pro nákladní dopravu, patří mezi klíčové oblasti, na které se zaměřuje Úřad pro technologie vodíkových a palivových článků DOE ve svém víceletém programovém plánu. Cílem DOE je výrazně snížit náklady na čistý vodík s tím, že se do roku 2031 zaměří na cenu 1 dolar za kilogram. Tato cena zahrnuje výrobu, dodávku a výdej na čerpacích stanicích. Přičemž byl stanoven prozatímní cíl 2 dolary za kilogram do roku 2026 : https://carboncredits.com/doe-sets-eyes-on-cutting-clean-hydrogen-cost-1-kilo-by-2031/
A tak všichni ti movití majitelé sporťáku Hyperion XP-1 si jeho nádrž, na kterou ujedou 1 600 km, vodíkem naplní za pakatel. Inu, to jsou paradoxy, pane Vaněk...
ODKAZY NA PŮVODNÍ ZDROJE
Princip VSP je nápadně jednoduchý a fascinující zároveň:
https://voith.com/corp-en/ernst-schneider.html
Princip cyklorotoru spolu s ukázkami z testů cyklokoptéry:
https://www.youtube.com/watch?v=eJtNe59VVj8
Cargo drony pro doručování balíků ve velkoměstech:
https://www.youtube.com/watch?v=i2nDDR9srQA
Cyklokoptéry jako drony budoucnosti:
https://riskfrontiers.com/insights/cyclocopters-drones-of-the-future/
D-Dalus čtyřrotorový cyklogyro letoun s aerodynamickým křídlem:
Cyklokoptéry jsou agilnější, protože využívají vektorování tahu:
https://www.youtube.com/watch?v=PH_H7pIkL4Y
Přichází éra distribuovaného elektrického pohonu (DEP) v letectví :
https://www.youtube.com/watch?v=LOBkANP15oU
Projekt CROP - Cykloidní rotor optimalizovaný pro pohon:
https://cordis.europa.eu/article/id/155340-an-entirely-new-way-to-fly
Nová pravidla pro provoz aerotaxi ve městěch, vydaná agenturou EASA:
Ruské video představuje létající automobil:
https://www.youtube.com/watch?v=Q8MutoEg2G8
Cyklokoptéra z krasnojarské pobočky Novosibiřského institutu termofyziky:
https://www.youtube.com/watch?v=VWRHjLGTzRc
Technologie NASA v autě na vodík:
https://www.hyperion.inc/xp1-car
Recenze vozu Hyperion XP-1 plného elektroniky včetně kamer a radaru:
https://www.youtube.com/watch?v=Mh03jpSBYUo
Mobilní palivové stanice pro vodíková vozidla:
https://www.youtube.com/watch?v=yw19CGtWBtg
