logo
FA 03/2020 Informacje i wydarzenia

Motoszybowiec na wodór

W Politechnice Rzeszowskiej zbudowano pierwszy w Polsce lekki statek powietrzny napędzany przez hybrydowy zespół napędowy wykorzystujący ogniwa paliwowe zasilane wodorem. Zawiązane 5 lat temu konsorcjum uczelniano-przemysłowe, w skład którego wchodzą: Politechnika Rzeszowska, Politechnika Warszawska, Akademia Górniczo-Hutnicza oraz partner przemysłowy Zakład Szybowcowy Henryk Mynarski z Jeżowa, zakończyło projekt finansowany przez NCBR pt. „Napęd hybrydowy wykorzystujący ogniwa paliwowe lekkiego statku powietrznego”. Używany dla projektu akronim AOS H2, zawiera w sobie nazwę platformy latającej (która jest następcą znanego już motoszybowca elektrycznego AOS 71) oraz symbol cząsteczki wodoru, który stanowi podstawowy gaz zasilający ogniwo paliwowe napędu. Liderem projektu jest Politechnika Rzeszowska, a kierownikiem prof. inż. Marek Orkisz, kierownik Katedry Samolotów i Silników Lotniczych PRz.

Podstawą do wniosku o finansowanie prac były wyniki dwóch zrealizowanych wcześniej projektów. Jeden (realizowany we współpracy z PW) dotyczył budowy motoszybowca elektrycznego AOS 71, a drugi (realizowany we współpracy z IEn Oddział Ceramiki Cerel w Boguchwale) umożliwił wykorzystanie ogniw paliwowych do napędu małego bezpilotowego statku powietrznego. Zespół z PRz posiadał zatem sprawdzoną platformę latającą motoszybowca oraz wiedzę zdobytą w trakcie prac nad małym napędem wykorzystującym wodór.

Idea projektu sprowadzała się do zbudowania innowacyjnego źródła zasilania silnika elektrycznego w postaci baterii elektrochemicznej oraz równolegle generatora paliwowego zasilanego wodorem. Taki elektryczny hybrydowy zespół zasilający silnik elektryczny został zabudowany na motoszybowcu. Składa się on z generatora paliwowego o mocy 10kW oraz z baterii elektrochemicznej o mocy 30 kW. Sumaryczna moc 40 kW dostarczona do śmigła pozwala na samodzielny krótki start motoszybowca z pasa startowego. Moc generatora paliwowego wystarcza na swobodny przelot poziomy w czasie 20-25 min.

Generator energii elektrycznej z ogniwami paliwowymi do zasilania układu napędowego motoszybowca zaprojektował i zbudował zespół pod kierunkiem prof. Magdaleny Dudek z Wydziału Energetyki i Paliw AGH. Wytworzony generator o mocy 10 kW przepracował ponad 7 tys. godzin badań. Potwierdziły one nie tylko jego funkcjonalność i użyteczność, ale przede wszystkim bezpieczeństwo pracy.

Z kolei zespół z MEiL Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem prof. Piotra Czarnockiego zaprojektował platformę latającą. Głównym konstruktorem płatowca AOS H2 jest mgr inż. Wojciech Frączek (również konstruktor poprzednika AOS 71). Pracownicy Zakładu Napędu Elektrycznego PW pod kierunkiem prof. inż. Grzegorza Iwańskiego zaprojektowali i wykonali unikatowe przekształtniki układu sterowania napędem i zadbali o integrację energetyczną wszystkich podzespołów napędu.

W Zakładzie Szybowcowym Henryka Mynarskiego w Jeżowie powstała kompozytowa wersja płatowca motoszybowca AOS H2.

W Katedrze Samolotów i Silników Lotniczych PRz zintegrowano elektryczny silnik i hybrydowy zespół zasilający z płatowcem AOS H2. Tutaj też pod kierunkiem dr. inż. Łukasza Święcha przeprowadzono wymagane przepisami lotniczymi próby statyczne konstrukcji. W laboratoriom KSiSL PRz prowadzono, przy współudziale zespołów z AGH i PW, próby funkcjonalne zespołu napędowego, testowano system ładowania instalacji wodorowej, sprawdzając nieustannie jej szczelność. Za całość prac i koordynację współpracy odpowiadał pomysłodawca projektu dr inż. Piotr Wygonik.

AOS H2 w trakcie próby na pasie startowym OKL PRz,
Fot.: KSiSL Politechniki Rzeszowskiej

W trakcie prac rozwiązano szereg problemów konstrukcyjnych. Zasobniki na wodór – dwie kompozytowe butle o pojemności łącznej 24 dm3, umieszczone symetrycznie po obu stronach kadłuba za kabiną pilota – wykonała polska firma. Umożliwiają one tankowanie wodoru pod ciśnieniem 200 bar, a przy wykorzystaniu dodatkowych urządzeń wspomagających nawet do 300 bar. Im większe ciśnienie w butlach, tym większy zasięg lotu. Instalacja wodorowa na pokładzie (pomiędzy butlami a ogniwem paliwowym) stanowiła wyzwanie w zakresie szczelności, minimalizacji masy i kontroli szczelności w trakcie pracy napędu (drgania, warunki atmosferyczne: deszcz, wilgoć). Konieczne było znalezienie sposobu odprowadzenia wody z płatowca w trakcie lotu jako wyniku reakcji chemicznej zachodzącej w ogniwie, rozwiązanie problemu doprowadzenia powietrza do ogniwa w celu dostarczenia z jednej strony tlenu do reakcji, a z drugiej chłodzenia ogniwa. Elektrycy musieli rozwiązać problem zjawiska towarzyszącemu pracy ogniwa tzw. purge, które na krótki czasu obniża moc generowaną przez ogniwo. Pakiet baterii również wytworzyła polska firma, spełniając cały szereg rygorystycznych wymagań. W trakcie integracji na płatowcu wystąpiły problemy niekompatybilności elektromagnetycznej, które przez wiele tygodni zajmowały zespół badawczy.

Motoszybowiec został dostarczony na lotnisko OKL Politechniki Rzeszowskiej. Pierwsza próba kołowania po pasie startowym miała na celu zapoznanie się pilota–operatora z zachowaniem statku powietrznego w warunkach rzeczywistych. Następne próby dotyczyły sprawdzenia (poprzez rejestrację parametrów pracy) osiągów energetycznych zespołu napędowego w warunkach ruchu na pasie. Ostatnia próba miała na celu sprawdzenie własności aerodynamicznych i zachowanie się motoszybowca w fazie rozbiegu i przygotowania do oderwania. Wszystkie próby wykazały poprawność działania układu napędowego, motoszybowca, urządzeń pokładowych. Dalszych badań w locie nie wolno było prowadzić ze względu na brak przepisów, które umożliwiają wykonanie lotu statku powietrznego zasilanego wodorem.

Zbudowano funkcjonalny, innowacyjny, ekologiczny napęd, zintegrowano go z motoszybowcem tworząc gotowy do dalszych prac demonstrator technologii. Wytworzono funkcjonalny zespół napędowy. Dalsze prace będą kontynuowane aż do pełnego lotu. Konstruktorzy będą dążyli do obniżenia poziomu złożoności konstrukcji i zwiększenia podatności eksploatacyjnej statku.

W projekcie o wartości ponad 7 mln zł (w tym 5,4 mln zł grantu z NCBR) uczestniczyło około 30 osób.

Piotr Wygonik

Wróć