Är Nixus ett segelflygplan?

Link to automatic translation

Hur definierar man ett segelflygplan? Enligt FAI Sporting Code är det:
“A glider is a fixed wing aerodyne capable of sustained soaring flight with no Means of Propulsion (MOP)”.
Enkelt översatt: Ett segelflygplan är en fixed-wing aerodyn som kan segelflyga utan framdrivning. Men vad menas då med framdrivning?

I ett nyligen publicerat OSTIV-paper analyserar Michael Greiner innebörden på uppdrag av IGC, som ansvarar för att organisera sportens regler, “sporting code”. Det gör han med anledning av att vid VM i Uvalde förra sommaren uppkom frågan om Nixus verkligen är ett segelflygplan.

Nixus är ett brasilianskt-amerikanskt-holländskt- tyskt projekt. Mannen bakom projektet är brasilianske flygingenjören Paolo Iscold, verksam i USA. Nixus är en ASH 30 med helt nya vingar och 28 m spännvidd, vars flaperon styrs med ett fly-by-wire (FBW) system. Alltså inga stötstänger utan elektroniskt styrda servo. Första gången det i praktiken används i ett segelflygplan.

Nixus flög första gången i mars 2019 och sedan dess har den satt flera amerikanska rekord med den kände Jim Payne, Perlans chefspilot, som pilot. Bl a en vågflygning på bra över 2 500 km med en medelfart av 239 km/h. I VM 2024 i Uvalde i Texas deltog brasilianaren Claudio Schmidt med Nixusen. Schmidt tog en dagsseger.

Nixus har en max flygvikt av 980 kg, det ger en vingbelastning av hela 67 kg/kvm. I Uvalde flögs Nixusen dock med en flygvikt av 850 kg, eftersom det är max tillåten vikt i öppna klassen. Det är bara Concordia som har ett större sidoförhållanden än Nixus. Nixus har hela 53. Den tunna slanka vingen med en spännvidd av 28 m och den höga vingbelastningen gör att vingen får stora deformationer. Det är därför svårt att hantera skevroder och klaffar med ordinära stötstänger. De måste ju böjas med vingen. Och det är väl detta som är ett av motiven till fly-by-wire systemet.

Projekt Nixus: “Vi skylder giganterne alt”

Att Nixusen har fly-by-wire och att de 12 rodren/klaffarna styrs av servo som är batteridrivna tolkades av somliga under VM i Uvalde 2024 som ”Means of Propulsion” och därmed skulle Nixus inte vara något segelflygplan.

IGC bestämde sig för att utreda hur det är och jobbet gick till OSTIV och Michael Greiner, som är ordförande i OSTIVs Sailplane Development Panel. Greiner är väl mest känd som G:et i ASG (ASG 29 och 32), teknologie aerodynamikdoktor och numera ingenjör hos Schempp-Hirth.

Åben Klasse – på vej mod L/D 100

Greiner skriver i sitt paper att ”Means of Propulsion” ska definieras som en konsekvens av Newtons andra lag (den som säger att kraft är lika med massa gånger acceleration). Under konstant stationär planflykt innebär ”Means of Propulsion” en kraft eller lyftkraft som inte kommer från segelflygplanets egen potentiella eller kinetiska energi.

Reduktion av flygplanets motstånd via t ex ”rätt” klaffläge är därför inte ”Means of Propulsion”.

Att använda energi som lagras i segelflygplanet, t ex batterier, används ju redan, för manövrering av olika komponenter i ett segelflygplan. Som exempel nämner Greiner bugwipers och elektriskt infällbart landställ (som t ex används i Arcus, EB 28/29, Antares och DG-1001). Båda dessa minskar motståndet, men är inte ”Means of Propulsion”.

För att förstå resonemanget kan man titta på figuren nedan. Ett segelflygplan har ingen ”yttre” dragkraft. Dragkraften skapas av att man ”lutar” flygplanet och tar en del av lyftkraften i anspråk till dragkraft. Vad man gör på Nixus är att reducera motståndet, D, med hjälp av elektriska servo och då behöver man inte ”luta” flygplanet så mycket. Och enligt Greiner är det alltså helt OK.

Greiners slutsats är alltså att Nixus visst då, som de flesta av oss väl trott, är ett segelflygplan. Att minimera motståndet med hjälp av batterier är inte ”Means of Propulsion”. Skulle IGC officiellt fastna för detta förtydligande och klargörande är det riktigt intressant!

Låt oss därför titta på några andra annorlunda och intressanta ”klaffprojekt” genom tiderna med anspelning på Nixus och Greiners slutsatser, samt ”sugvingen”.

Sigma

I mitten av 60-talet hade engelsmännen insett att om en engelsman skulle vinna VM fick hen allt flyga ett utländskt, läs tyskt, flygplan. Det dög ju inte. Ännu var imperiet inte helt förlorat, så här gällde det att ställa upp ”for queen and country”. Under ledning av Nicholas Goodhart ställde en rad kända engelska segelflygare samt flygtillverkaren Hawker Siddeley upp och bildade företaget Operation Sigma Ltd. Namnet Sigma kommer av att segelflygplanet skulle innehålla det bästa av allt, d v s summan av det bästa. Och Sigma, betyder ju summa.

1966 började man projektera Sigma med målet att det skulle flyga i VM 1970 (Marfa i Texas). Man ville ha stor vingyta, låg vingbelastning för att kunna kurva tight och stiga snabbt samt hög vingbelastning för att flyga fort mellan blåsorna. På så sätt föddes idéen at använda en slags Fowler klaff, den kallades för ”non-slotted Fowler flap”. Spännvidden blev 21 m för man trodde inte man kunde hantera större spännvidd. Vingarean var 12.2 kvm med klaffen infälld och 16.5 kvm med klaffen utfälld. Vingarean blev alltså hela 35% större när klaffen var utfälld. Som jämförelse kan nämnas att JS-1 med 21 m spännvidd har 12.3 kvm i vingarea.

Man insåg att man inte hade kompetensen att designa Sigma i komposit/”plast” och dessutom hade man förmodligen behövt kolfiber, som var väldigt dyrt på den tiden och ännu inte använt i flygplan. Flygplanet skulle byggas hos Slingsby och de hade heller ingen kompetens eller erfarenhet, än, av att bygga i komposit. Men de hade byggt flygplan i aluminium, så man fastnade för det materialet. Sigma är alltså byggd i aluminium, förutom nosen som är glasfiber.

Att manövrera jätteklaffen fordrade mekanisk hjälp, så den manövrerades med hjälp av tryckluft. När jag var liten var jag fascinerad av Sigma och läste allt om projektet. Jag vill minnas att jag läste i Sailplane and Gliding att man först funderade på att använde komprimerad tryckluft, alltså i princip en syrgasflaska. Men då detta skulle kunna anses vara extern hjälp – ”means of propulsion” – slopades den tanken. Istället fick piloten pumpa upp trycket i flaskan. Och det gjorde hen med sidroderpedalerna. 20 pumptag behövdes för att få erforderligt tryck. Och det var inte bara klaffen som behövde tryck utan även landställets manövrering.

Projektledaren Nicholas Goodhart (1919-2011) är en av engelskt segelflygs stora profiler. Han var teknisk officer i Royal Navy, utbildade sig till marinpilot och flög Hellcat från hangarfartyg under andra världskriget. Sedermera uppfann han ett landningssystem med speglar för hangarfartyg, som fick stor användning när man introducerade jetflygplan på hangarfartyg. Han slutade i Royal Navy som admiral. Goodhart blev världsmästare i tvåsitsklassen 1956 tillsammans med Frank Foster i en Slingsby Eagle och har skrivit en rad artiklar och böcker. Bl a den berömda artikeln om sannolikheten för kollision mellan en ”airliner” och ett segelflygplan i en luftled på 60-talet. Artikeln innebar att de engelska myndigheterna drog tillbaka ett förslag om att förbjuda korsandet av luftleder utan klarering.

Jag läste också en artikel av Nicholas Goodhart om en tänkt sträckflygning i Sigma, vill minnas att det var en fiktiv 100 km triangel.

När man startade var trycket i tanken max. Efter urkoppling fälldes hjulet in och man fick därefter pumpa fem tag med pedalerna för att kompensera för infällningen av landstället. Så gled man på till första blåsan. Pang! Ut med klaffen och börja kurva. Därefter pumpa 20 tag. Lämna blåsan och – pang – in med klaffen och pumpa upp trycket igen. Och så vidare. Lät onekligen jobbigt!

Prototypen började byggas hos Slingsby i Kirbymoorside och man räknade med första flygningen 1969. I november 1968 brandhärjades Slingsby fabriken svårt och Sigma prototypen och all dokumentation blev lågornas rov. Slingsby hämtade sig väl aldrig riktigt efter branden, även om man började bygga kompositflygplan på 70-talet (Kestrel och Vega). 1982 slutade Slingsby bygga segelflygplan, men företaget finns än idag.

Sigma projektet flyttade in i en hangar på Heathrow och började om från början, men man insåg att något flygplan till VM 1970 skulle man inte få fram. Slutligen i september 1971 provflögs Sigma. Tämligen omgående insåg man att flygplanet inte levde upp till förväntningarna. Prestanda var tämligen mediokra. Man hade kalkylerat med ett bästa glidtal på över 50 men det uppmättes till endast 41. Det var problem med fladder och tyngdpunkten, så man fick stoppa en massa bly i både stjärt och nos. Vidare var det nästan omöjligt att manövrera klaffen i luften, förutom att det var mycket tröttsamt för piloten att ständigt sitta och pumpa upp trycket. När vingen böjde sig under belastning ”klämde” klaffen mot vingen och låste sig. Detta är väl en av anledningarna att Nixus har många klaffar/roder (12 st) och fly-by-wire.

Entusiasmen och, kan man förmoda, pengarna sinade och 1977 lade man ner projektet och sålde Sigma till den kanadensiske aerodynamikprofessorn David Marsden. Marsden tog hem Sigma till Alberta i Canada. Här byggde man om hela klaffsystemet och gjorde en massa andra modifieringar. Man fick upp glidtalet till 47 och den gick att flyga på ett vettigt sätt. Den flögs därefter i Canada och så sent som 1997 satte den ett nytt amerikanskt rekord i Kansas på 300 km triangel med 151 km/h. Den lär fortfarande finnas i USA.

SB-11

I VM 1978, 15m klassen, i franska Chateauroux flög Helmuth Reichmann SB-11 och tog sin tredje världsmästartitel. Hans segermarginal var bara 44 poäng och de flesta menar att hade han flugit ASW 20 eller LS 3, som först var avsikten, hade hans segermarginal varit betydligt större. SB-11 var svårflugen och det visade sig att den hade inte bättre prestanda än övriga 15 m flygplan. Det krävdes en pilot av Reichmanns kaliber för att flyga SB-11!

SB-11 har en klaff liknande Sigmas, men med ett mycket mer raffinerat och smartare system. Nu kallar man klaffen för ”Wortmann flap”. Den beskrivs också som en ”non-slotted Fowler flap”. Och det behövdes inte tryckluft för att manövrera den.

SB-11 har alltså ingen extern hjälp för att manövrera klaffen. Men det är egentligen det enda flygplanet med Wortmann klaff som nått någon framgång. Efter SB-11 följde flera Akaflieg projekt med Wortmann klaff och som har mekanisk hjälp att manövrera klaffen. SB-11 utgör proof of concept att Wortmann klaff fungerar, men om det är någon prestandavinst är knappast bevisat.

Mü-27

1979, några år efter SB-11, byggde Akaflieg München Mü-27. Mü-27 är en tvåsitsare med 22 m spännvidd. Den har en klaff mycket lik SB-11. Max flygvikt var hela 900 kg. Precis som på Sigma var det svårt att manövrera Wortmannklaffen och till sin hjälp hade man därför en elektrisk motor. Eftersom Mü-27 var ett forskningsflygplan, som de flesta Akafliegkonstruktioner, funderade man nog inte över om klaffmotorerna var ”means of propulsion”, dessutom var flygvikten över 750 kg, som var gränsen i öppna klassen för ett segelflygplan utan motor. Mü-27 hänger idag på museum.

fs-36

Tanken att använda en Wortmannklaff lever kvar. Idén är ju att genom att öka vingarean kan man minska vingbelastningen, flyga långsammare och därmed kurva snävare. Men man ska ju komma ihåg att när vingarean ökar så minskar sidoförhållandet och inducerade motståndet, som är högst i låga farter, ökar. Alltså en balansgång.

Redan i slutet på 80-talet undersökte Akaflieg Stuttgart möjligheten att ha en klaff, som ”kom ut ur” vingens bakkant samtidigt som gapet i vingens bakkant stängdes. Det här blev en slags slotted Fowler klaff.

Akaflieg Stuttgart jobbar sedan innan pandemin med ett nytt projekt, fs-36, med 18m spännvidd. Det är en fortsättning på fs-34 Albatross, som aldrig kom i luften. fs-36 har samma Wortmann klaff som fs-34, och väldigt lik SB-11, men nu är det fly-by-wire och automatklaff. Alltså precis som Nixus. Under utställningen AERO i april 2024 visade man en sektion av vingen, se fotona. Med infälld klaff är vingarean endast 8.5 kvm och utfälld 10 kvm, d v s en ökning med 18%. Vingbelastningen blir hela 60 kg/kvm med infälld klaff. Som jämförelse har en Ventus 3 10.8 kvm vingarea. fs-36:an strategi är alltså snarare att fälla in klaffen vid flygning mellan blåsorna än att fälla ut den när man kurvar.

Boermanns ”sugvinge”

I en intressant uppsats 2006 beskriver Prof Loek Boermanns vad man gjort, gör och funderar på vid hans aerodynamikavdelning vid det tekniska universitet i Delft. För framtiden beskriver han en ”sugvinge” – suction, där man suger bort gränsskiktet för att bibehålla laminär strömning på en längre sträcka av vingen (boundary layer suction). Bilden nedan, ur rapporten, visar hur han tänker sig. Bilden längre ned visar den beräknade polarkurvan för ett standardklassflygplan med och utan sugvinge. Prestandavinsten är ju enorm!

Att suga bort gränsskiktet kräver ju någon form av pumpar, som tänks drivas av batterier. Boermanns menade 2006 att det nog strider mot definitionen av ett segelflygplan. Men samtidigt att prestandavinsten är så stor att IGC bör fundera på att inrätta en separat tävlingsklass för ”sugvingar”, skulle de tillåtas.

 

Här är NG:s gamla artikel om både Nixus och Boermanns sugvinge.

Greiners slutsatser

Slutsatsen är att motståndsreducerande system inte är ”Means of Propulsion”. Slutsatsen i sig är väl inte överraskande, men den kan få långtgående konsekvenser. Men Nixus är ett segelflygplan.

Sigma kunde alltså mycket väl manövrerat sina gigantiska klaffar med tryckluft för mer än 50 år sedan. Förmodligen hade det inte blivit något vettigt av projektet i alla fall.

SB-11 var aldrig någon tvekan om att det var ett segelflygplan. Mü-27 med sina batteridrivna klaffar var också ett segelflygplan. Akaflieg Stuttgarts projekt fs-36, om det kommer i luften, är också OK. Det ska för övrigt bli spännande att följa.

Det innebär vidare att Boermanns sugvinge faktiskt är möjlig att använda i segelflygplan. Det skulle innebära på sikt, som Boermanns skriver, att dagens segelflygplan skulle bli värdelösa i tävlingssammanhang. Eller så behövs det nya tävlingsklasser? Vill vi ha det? Vill vi ha fler klasser? När ger sig en Akaflieg grupp på att ta fram ett segelflygplan med suction-vinge?

I sin rapport tar Greiner upp två faktorer till, som han anser vi måste börja analysera, diskutera och sätta upp riktlinjer för. ”Pilot Assistance Systems” och autopilot.

Idag har vi ingen övre gräns för hur mycket energi i form av batterier och solceller vi får ha med oss. Vad innebär det för framtiden, frågar sig Greiner. Vi kommer att ha massor med energi ombord. Vi nyttjar solenergi för att ta oss framåt – termiken – och vi kommer att utnyttja solenergi/batterier för att driva system ombord, som vi ännu ej vet vad de är.

Nixus har möjligheten att klafflägena bestäms automatiskt via input från flygplanets system och givare. Det innebär att systemet kan karakteriseras som autopilot, som automatisk bestämmer lyftkraft och motstånd utan inverkan från piloten. Detta system kan säkert utvecklas och bli riktigt avancerat. Och fs-36 ska ha ett liknande system. Är det AI i cockpit?

Extern information, som t ex väderdata som levereras från appar som CoPilot, och som kombineras med AI är förmodligen redan under utveckling. Idag har vi inga verktyg eller ”lagar” att styra en sådan utveckling. Kan CoPilot leverera underlag till ett AI system som bestämmer optimal flygväg, optimal fart, optimal vingbelastning, optimal svängradie i termiken….name it, och rentav styra flygplanet? Airbus och Boeing har ju redan liknande system.

Hur vill vi att AI ska tillåtas och användas i cockpit? (läs ledare om AI i cockpit)

Greiners utredning pekar på flera komplicerade frågor som Peter Eriksen och hans IGC måste ta tag i. Och det är också på IGC:s agenda. Ska bli spännande att se vad man kommer fram till. Utvecklingen av nya segelflygplan i framtiden kan mycket väl innebära mera mjukvara (AI) och mindre hårdvaluta (vingprofiler å sånt).

Men Nixus, fs-36 och Boermanns suction wing är segelflygplan per definition. Och Sigma med tryckluftsdriven klaff kunde varit det.

Som jag skrivit tidigare, segelflyget behöver ta ett grepp om AI och tillhörande frågor och komma på framkant av utvecklingen. Man måste också ställa sig frågan om det inte är en sak hur långt vi kan driva utvecklingen och prestanda i ett segelflygplan och en annan vilka segelflygplan vi faktiskt tävlar med. En AI styrd Nixus för att sätta rekord och flyga RST/OLC/WeGlide och en vanlig analog ASH 30 att tävla med?

Referenser
1. Definition of a Sailplane – Assessment of Advanced Technologies.
Dr Michael Greiner, OSTIV, October 2024
https://ostiv.org/newsdisplay/definiton-of-a-sailplane-assessment-of-advanced-technologies.html
2. Research on Sailplane developments at Delft University of Technology. Recent and present developments. Prof L.M.M Boermanns, Januari 2006
3. Sigma, Soaring Symposia, 1970, N Goodhart, http://www.betsybyars.com/guy/soaring_symposia/70-sigma.html
4. Sailplanes 1965-2000, M Simons, 2004