Autonomní řízení: Kommandogerät

Featured Image

Pozor, tento článek bude o reálné technice a nebude o dotykových hračkách pro posránky. Taky ukáže, že autonomní řízení není žádný výkřik poslední módy. Podíváme na první a na nějakou dobu poslední mechanickou motorovou řídící jednotku. Jen jí nebudeme říkat ECU, protože je to spíš MCU neboli mechanical control unit. Dobovou řečí Kommandogerät.

Ovládat pístový motor u letadla je složitější problém než ovládat pístový motor u auta. Letadlo většinou nelítá v konstantní výšce jako auto, takže se v průběhu letu mění hustota vzduchu. Jenže spalovací motory pracují s pevným poměrem paliva a vzduchu a příliš chudá nebo bohatá směs by mohla vést k poklesu výkonu až k zastavení motoru. Směs paliva se vzduchem je proto třeba průběžně upravovat. Teoreticky to má dělat i auto, ale hodně výrobců si z nákladových důvodů přálo vynechat z řízení motoru korekci směsi na nadmořskou výšku.

Letadla také mají často kompresor. Například známé české letadlo Z-43, se kterým už asi všichni přišli nějakým způsobem do styku, překvapivě ve většině verzí kompresor má. Účelem kompresoru je udržovat dostatečný tlak v sání i přes fakt řídnoucího vzduchu a tím zvyšovat výkony ve vyšších letových hladinách.

Pak je tady vrtule. Většina lidí si myslí, že vrtule u letadla slouží k ochlazování pilotů, protože když se přestane točit, začne se pilot potit. Vrtule je ale něco jako točící se křídlo a o tom, jak moc bude „zabírat“, rozhoduje „úhel náběhu“, tedy úhel nastavení listů. Ten určuje, jak moc se bude vrtule „zavrtávat“ do vzduchu a kolik energie na to bude třeba. Pro určité otáčky vrtule je optimální určité nastavení listů vrtule, podobně jako u auta existuje optimální převodový stupeň pro určitou rychlost jízdy. To vedlo k vývoji vrtulí stavitelných nejprve na zemi, kde se úhel sklonu listů nastavil před letem s ohledem na předpokládané parametry mise, pak k vývoji vrtulí s konstantními otáčkami, kde se různými mechanismy nastavoval sklon vrtulových listů podle otáček, které se měnily jen málo a byly předem zvoleny tak, aby motor pracoval v optimálním režimu. Jeden z těchto mechanismů byl pneumatický, ale po vypnutí motoru se nedovedl vrátit zpátky, protože už nebylo nic, co by poskytovalo stlačený vzduch. Tak se vrtule vracela do výchozího nastavení pumpičkou na kolo a vznikla profese “nafukovač vrtulí“. Asi nikoho nepřekvapí, že to bylo ve Francii. Nakonec se uplatnil mechanismus odstředivý, který se víceméně používá dodnes.

 

 

Asi je očividné, že parametry nastavení vrtule, tlak v sání a bohatost směsi budou spolu souviset. I přes existenci samostavitelné vrtule je stejně na pilotovi, aby ovládal motor plynovou pákou, staral se o bohatost směsi podle výšky a o optimální funkci kompresoru, případně nastavení vhodně korigoval, pokud došlo na nějakou mimořádnou situaci. To se sice nezdá složité, ale podstatně dramatičtější rozměr to dostane, když letadlo je pět tun těžká stíhačka s motorem o výkonu 2000 koní. u které se předpokládají manévry ve vertikále a jiné podobné věci. Pilot by nedělal skorem nic jiného, než obsluhoval motor podle příručky. Navíc i sám motor je podstatně složitější. A tohle nepřipadá v úvahu, protože on musí pilotovat, střílet, humanitárně bombardovat a tak, nehledě na pravděpodobnost chyby, která za takových okolností rostla někam do oblasti jistoty.

S následky nesprávného nastavení provozních podmínek motoru se česká veřejnost mohla seznánit dokonce v běžných médiích. V roce 2009 se přetřásala tragická nehoda Cessny u Strakonic, za kterou mohlo pravděpodobně špatné nastavení bohatosti směsi. Příručka vyžadovala, aby pilot před přistáním manuálně nastavil páku korekce směsi do polohy „zasunuto“. Táhlo však bylo nalezeno v částečně vytažené poloze odpovídající nastavení pro ochuzenou směs, což je nastavení doporučené výrobcem motoru pro let cestovní rychlostí v ekonomickém režimu. Před přistáním pilot navíc z nejasných důvodů vysunul klapky na 30°, což sice zvýšilo vztlak, ale současně také zvětšilo aerodynamický odpor a letadlo se začalo propadat pod sestupovou rovinu. Na to chtěl pilot zareagovat přidáním plynu, otevřením škrtící klapky se ale do motoru dostalo ještě více vzduchu a motor ztratil výkon, až se letadlo zřítilo během přibližovacího manévru. Pilot si možná podstatu problému uvědomil a před dopadem se pokusil situaci napravit, ale na takovou akci už bylo pozdě (během vyšetřování se stejné nastavení testovalo na jiné Cessně s motorem stejného typu, kde ovšem k vysazení motoru nedošlo, proto je příčina nehody uvedená jako pravděpodobná).

Za jeden z nejpozoruhodnějších momentů vývoje druhoválečné stíhačky Focke-Wulf 190 pokládám to, že od počátku byl kladen důraz na to, čemu dnes říkáme HMI neboli interface mezi strojem a člověkem. Konkurenční Bf-109 byl navržen s maximálním respektem k aerodynamice a úspoře hmotnosti a za jeho základ posloužilo několik studií závodních letounů a kurýrní stroj Bf-108. Pilot seděl skrčený v miniaturní zamřížované kabině s obličejem na skle, se závěrem palubního kanónu mezi nohama a na téměř pravoúhlé sedačce, která byla integrální součástí palivové nádrže. Focke-Wulf byl ve srovnání s tím úplně někde jinde. Narozdíl od Bf-109 byl od začátku navrhován jako bojový stroj. Dokonce uzpůsobili pozici pilota v kokpitu tak, aby dobře snášel přetížení a aby všechny ovládací prvky byly ve stejné vzdálenosti od něj. Konstruktéři celý stroj optimalizovali na to, aby se pilot mohl soustředit na boj a mohl co nejvíce vynechat letadlo. Vznikl jeden z nejvýkonnějších strojů, opravdový zabiják, který v malých výškách do konce války těžko hledal konkurenci. Genialita Kurta Tanka se měla teprve projevit u pozdějších verzí dlouhonosých Fw-190 a konečně Ta-152.

Zbývalo vyřešit to s tím ovládáním motoru. Nadešel čas postavit si řídící jednotku.

Focke-Wulf ve verzích A, F, G, tedy „krátkonosé“ Focke-Wulfy, poháněl vzduchem chlazený hvězdicový čtrnáctiválec BMW 801. Sám způsob, jakým byl do letadla integrován, byl pozoruhodný. Unikátní bylo také nucené chlazení lopatkovým větrákem nebo konstrukce olejového chladiče, který byl integrován v přední části prstencové kapoty. Největší vychytávka ale byla, že motor šlo ovládat jedinou pákou – pákou plynu. Na základě její pozice se nastavovaly všechny ostatní parametry, tedy tlak v sání, bohatost směsi, úhel vrtule, bohatost směsi a předstih tak, aby korelace mezi parametry byla optimální.

To všechno umožňoval tzv. Kommandogerät. Postavil ho Heinrich Leibach a byl to mechanicko-hydraulický řídící systém.

Podstatné subsystémy Kommandogerätu jsou:

  1. Regulátor tlaku v sání: Byl založen na vakuovém principu. Do komory napojené na sání byl vložen dobře známý prvek v podobě vakuového vlnovce, který s okolním tlakem měnil svoji délku. Středem vlnovce vedlo táhlo, na jehož konec byla současně připevněna plynová páka. Zařízení tak vlastně porovnávalo aktuální hodnotu tlaku v sání a požadavek na výkon od pilota. Poloha táhla se následně převáděla na hydraulický „signál“, který dále směřoval jednak do posilovače, jednak k jednoduchému zařízení ovládajícímu škrtící klapky a tím vlastně i kompresor. Od kritické výšky kompresoru regulátor ovládal už jen škrtící klapku podle pohybu plynové páky, protože kompresor už nedokázal tlak v sání zvyšovat.
  2. Regulátor kompresoru. Principiálně bylo podobné ovladači tlaku v sání, ale skříň vakuového vlnovce byla otevřená do okolí. Zařízení provádělo korekci požadovaného tlaku podle okolního tlaku a přes servoventil ovládalo dvoustupňovou převodovku kompresoru.
  3. Třetí významný podsystém byl regulátor dávkování paliva. Mechanismus řídil dávkování paliva podle tlaku v sání a také podle teploty nasávaného vzduchu. Pomocí vačkového mechanismu řídil zdvih pístu v palivové pumpě. Tato část Kommandogerätu byla pravděpodobně nejkomplexnější a také by se dalo říct, že bimodální. V určitém spektru otáček udržovala požadovaný poměr paliva a vzduchu, ale od určité polohy plynu (asi 70%) do režimu syté směsi.

Propojení mezi jednotlivými regulátory, případně různé korekce signálů, byly kromě hydrauliky prováděny mechanickými vazbami – pákami, ozubenými koly, taky by se našlo pár ozubených koleček, vaček, excentrů a takových věcí. Komu vyhovují bloková schémata, tak tady jedno je:

Dál je třeba zmínit pár externích systémů, které sice nebyly součástí Kommandogerätu, ale fungovaly jako jeho vstupy a výstupy. Předně hydraulický posilovač plynové páky, který zajištoval, aby skrze páku bylo možno ovládat všechny popsané mechanismy, aniž by nadčlověk za kniplem měl ruku jako Pepek námořník. Dále odstředivý regulátor vrtule, který také nebyl součástí kommandogerätu, ale fungoval jako jeho vstup. V neposlední řadě palivovou pumpu, která byla schopná dávkovat palivo podle výstupu z Kommandogerätu.

Automatické řízení úhlu vrtule bylo možné z pozice pilota přemostit a nastavovat úhel náběhu ručně. To mohlo být výhodnější například při střehlavém letu nebo obecně za stituací, kdy nezáleželo na tom, zda je nastavení pohonného agregátu optimální. Jednotlivé prvky systému neměly žádnou kontrolu plauzibility výstupu a měly jen omezenou diagnostiku, víceméně se kalkulovalo s tím, že všechny součástky dělají to, co mají. Z hlediska moderní evropské emisní legislativy to asi nebylo v pořádku, ale Göring měl asi dobrou vyjednávací pozici na ministerstvu pro Reichsumweltchutz.

Ovládací systém měl failsafe, protože mechanická vazba škrtící klapky i regulátoru vrtule s plynovou pákou byla zachována. Nastavení pak nebylo optimální, ale šlo s tím dále letět. Pamatovalo se i na failsafe pro případ zrušení mechanické vazby s plynem, v tom případě se škrtící klapka před kompresorem otevřela na pevný úhel takový, který pravděpodobně umožňoval let ve stálé výšce.

Takhle, jak jsem to popsal, to pravděpodobně nevypadá zase tak moc složitě. Ve skutečnosti to složité muselo být. Jednotlivé mechanismy měly různé vůle a odpory, měly různé tolerance a existovaly mezi nimi různé vazby. Udávanou schopnost udržet otáčky v rozmezí +/- 30 rpm je proto třeba přijmout s ohromným respektem.

Kommandogeräty bylo možné najít i v jiných letadlech s motory BMW 801, protože přístroj byl dodáván v jednom celku s motorem, stejně jako přední díl zmíněné unikátní kapotáže. Kommandogerät zaujal i spojenecké armádních představitele. Dochoval se report NACA (Memorandum report E5D519 z dubna 1945), který popisuje analýzu Kommandogerätu americkou stranou. Ti pro jeho plné pochopení postavili Focke-Wulfa na stole, tedy vyrobili zařízení, které simulovalo motor, kompresor a další akční prvky a na něm měřili odezvu Kommandogerätu na různé provozní stavy. Nevýhodou desktop verze Focke-Wulfa bylo, že neměli vrtuli a její regulátor, takže report není úplný. Také se pokusili jakoby izolovat některé systémy Kommandogerätu a přepočítat je, což se jim povedlo. Na americké poměry je report překvapivě nepovrchní. Američanům se povedlo identifikovat i některé slabiny přístroje.

Po válce se pokusili vlastní kommandogerät postavit Britové, a to z podobných pohnutek jako lidé od BMW. Na samém sklonku éry vrtulových stíhaček stály naprosto fantastické stroje, jako třeba Westland Wyvern. Při sestavování jeho specifikace muselo někomu v Británii harašit ve věži, protože stroj o maximální vzletové hmotnosti dvanáct tun musel umět startovat z letadlových lodí a kromě stíhacích úkolů umět také bombardovat a shazovat torpéda. Z takových specifikací úspěšné stroje nevznikají a to platilo i pro Wyvern. Výsledný letoun byl drahý a pořádně neuměl ani jedno z toho, co po něm chtěli. Každopádně protichůdné požadavky britských vojenských úředníků nepochybně vyžadovaly pořádnej motor. První pokus podle hesla „objem nenahradíš“ představoval pístový čtyřiadvacetiválec Rolls Royce s desetistupňovým kompresorem, ale po různých peripetiích se v definitivní verzi použil turboprop ASP.3 roztáčející dvě čtyřmetrové čtyřlisté vrtule Rotol, které byly protiběžné kvůli kompenzaci setrvačného momentu. Každopádně, pokud by v názvu motoru byla nějaká íčka, byla by jistě všechna červená, protože to dávalo 3.500 koní plus 5 kN zbytkového tahu od výfuku. Kdo si chce poslechnout, jak znělo, když se takhle věc nastartovala (resp. jak si to představují vývojáří od War Thunderu), tak může zde. Ukázalo se, že ovládání turbínového motoru „ručně“ není triviální záležitost, hlavně pokud jde o rychlost a plynulost regulace, protože nešlo dostatečně rychle „uřídit“ přidání plynu a naopak jeho stažení. Na vině byla setrvačnost rotujících částí. Wyvern, ačkoli jinak bojeschopný, se tak nemohl používat na letadlových lodích a to už bylo asi moc. Ve snaze zabránit epickému fiasku podobnému současným projektům placeným z „peněz EU“, jako rozhledny v údolí a hasičárny ve vsi bez hasičů se firma Rotol rozhodla postavit vlastní Kommandogerät, tedy hydraulicko-mechanickou jednotku k řízení soustrojí motor-vrtule. Vývoj začal někdy v roce 1949 a v roce 1954 dosáhli toho, že letoun fungoval podle očekávání.

Kommandogerät pravidelně zaměstnává komunitu lidí od leteckých simulátorů. Například spolek kolem simulátoru War Thunder dospěl na svých fórech k názoru, že Kommandogerät byl analogový počítač (této klasifikaci bych se bránil) a na konci plynové páky že existoval volič, kterému se „počítači“ sdělil mód, v jakém pilot hodlá letět, podobně jako se dá v některých autech aktivovat různý jízdní režim. Ve skutečnosti nic takového nebylo záměrem tvůrců a Kommandogerät neobsahuje žádné součástky, které by něco takového umožňovaly, nehledě na to, že by takový ovládací prvek byl nepotřebný až absurdní.

Co znamenal Kommandogerät ve své době? Pro piloty to musela být revoluce, něco jako dnes autonomní řízení. Každopádně jeho tvůrci museli být prvotřídní kybernetici v původním smyslu slova. Když pomineme komplexnost celého zadání, výsledný výrobek musel nejen fungovat v laboratoři, ale musel být sestrojitelný metodami hromadné výroby a musel být použitelný v letadle, které operovalo za bojových podmínek od Afriky po Rusko. Nahlížím na to jako na skvělý artefakt oldschool techniky a obrovský inovativní skok. Žijeme v době inflace slova „technologie“, což je trochu nepřesná interpretace cizojazyčného „technology“ čili technika, ale čím dál častěji tím označujeme hračičky, kterým nějaký programátor přidělá nějakou dodatečnou funkci ještě zbytečnější než všechny předchozí nebo přimontuje do auta displej zobrazující zbytečné věci a pitomé obrázky. Pár hipsterů a technogeeků s přístupem do médií začne samou radostí hejkat a kejhat, že se „se zrodila nová technologie“, přitom to není inovace ani nějaký kvalitativní skok, ale další otravná funkce v dotykové hračce, kterou bude 5% uživatelů zbožňovat, další 5% zkoušet odinstalovat a zbylých 90% ji prostě bez zájmu strpí. To v případě Kommandogerätu nehrozilo, pro piloty to musela být nová kvalita, která zastínila všechno ostatní.

Obstojí Kommandogerät dnešním pohledem? Myslím, že to byl ve své době ideální armádní systém. Byl naprosto nezávislý na čemkoli, nepotřeboval žádné procesory a paměti z Číny ani programy od diletantů z Indie. Árijec za kniplem nemusel řešit, zda má správné ovladače a stáhl všechny aktualizace, protože Kommandogerät fungoval, pokud jím tedy neproletěl náboj z nepřátelského kulometu, a fungoval tak dlouho, dokud měl k dispozici stlačený olej, a ten byl k dispozici tak dlouho, dokud se motor točil. Různé podobné regulátory se používají ve většině moderních letadel. V sofistikované podobě jednotek CSU používaných v komerčních strojích Kommandogerät žije svým způsobem dodnes.

 


05.08.2017 D-FENS

12345 (175x hodnoceno, průměr: 1,15 z 5)
12 793x přečteno
Updatováno: 5.8.2017 — 23:01
D-FENS © 2016