W UAV duży odsłonięty wirnik wpływa na geometrię platformy, bezpieczeństwo pracy blisko przeszkód i sposób zabudowy napędu. Bahmani’s Propulsion System (BPS) proponuje inną architekturę: kilka modułów napędowych krąży po dwóch zamkniętych torach, przyspiesza, zmienia kierunek i hamuje. Koncepcja jest oryginalna i testowalna, ale o jej przydatności dla dronów zdecydują masa, moc, sterowanie, termika, zachowanie po awarii i pomiar średniej siły kompletnego urządzenia.

— ARTYKUŁ EKSPERCKI – Maciej Kmet – innoTronics —

Bahmani’s Propulsion System (BPS), opisany w patencie EP3565971B1, proponuje architekturę, w której kilka ruchomych modułów krąży po dwóch zamkniętych torach. Każdy moduł przyspiesza, szybko zmienia kierunek i zwalnia, a cały układ wymienia pęd i energię z powietrzem lub gazami wylotowymi. BPS należy więc traktować jako otwarty układ napędowy zgodny z klasyczną mechaniką, nie jako napęd bezreakcyjny. Najciekawsze pytanie dotyczy tego, czy ta architektura zapewni mierzalną przewagę w zabudowie, masie, sygnaturze lub odporności operacyjnej wobec klasycznego śmigła albo wentylatora kanałowego.

Więcej informacji o Mohsenie Bahmanim i jego pracach można znaleźć na jego oficjalnej stronie: https://www.mohsenbahmani.com/.

Czym BPS różni się od klasycznego napędu UAV

BPS wykorzystuje dwa tory w kształcie wydłużonej pętli, ustawione plecami do siebie. Po każdym porusza się kilka niezależnych jednostek napędowych. Na poziomie koncepcji wynalazkiem nie jest konkretny silnik, lecz tor, zsynchronizowany cykl i sposób organizacji wymiany pędu. Ruchome jednostki mogą wykorzystywać silniki odrzutowe, wentylatory kanałowe lub inne moduły napędowe odpowiednie do danej misji. Nie oznacza to pełnej niezależności od technologii: wybór modułu zmieni masę, dynamikę, zasilanie, chłodzenie, sygnaturę i sprawność całego układu.

Cykl ma cztery części. Jednostka rozpędza się na pierwszej prostej, przechodzi z dużą prędkością przez półkolisty zakręt, zwalnia na drugiej prostej i wolniej pokonuje zakręt powrotny. W roli hamulca dokumentacja BPS pokazuje rozkładany spadochron. Jednostki na drugim torze biegną w przeciwnym kierunku, co ma zmniejszać siły boczne, momenty i drgania.

Opis BPS obejmuje także zawieszenie elektromagnetyczne, bezkontaktowe zasilanie, czujniki położenia i synchronizację obu torów. W praktyce nie mówimy więc o pojedynczym silniku, lecz o kompletnym zespole: jednostkach napędowych, prowadnicach, hamulcach, elektronice mocy, sterowaniu, chłodzeniu i osłonie.

Określenie „bezśmigłowy” warto rozumieć precyzyjnie. Układ może nie mieć dużego śmigła na zewnątrz, ale wentylator kanałowy nadal ma wirnik i łopaty. Bardziej trafne jest określenie: napęd cykliczny bez dużego zewnętrznego śmigła.

Dlaczego BPS nie jest napędem bezreakcyjnym

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że użyteczna siła powstaje przez odpowiednie wykorzystanie siły odśrodkowej na zakręcie. To tylko część obrazu. Gdy analizujemy cały układ, siły między poruszającą się jednostką a torem są siłami wewnętrznymi. Po pełnym cyklu jednostka wraca do tego samego miejsca i tej samej prędkości względem maszyny. Sam ruch mas po zamkniętej pętli nie daje trwałego ciągu.

Najwłaściwszym modelem BPS jest otwarta objętość kontrolna. Podczas rozpędzania moduł napędowy przekazuje pęd spalinom albo powietrzu, a podczas hamowania aerodynamicznego hamulec oddziałuje z otaczającym powietrzem. Zakręty zmieniają kierunek ruchu jednostek i porządkują obciążenia w czasie, lecz nie stanowią osobnego źródła pędu.

Tak opisany BPS pozostaje zgodny ze standardowym bilansem pędu i energii. Jednym z celów architektury jest odzyskanie części energii podczas zwalniania i ponowne użycie jej w kolejnym cyklu. To mierzalna korzyść potencjalna, ale nie można jej oddzielić od bilansu siły: ograniczenie hamowania aerodynamicznego może zmniejszyć zewnętrzny impuls przekazywany powietrzu. Dlatego w demonstratorze warto porównać hamowanie aerodynamiczne, regeneracyjne i mieszane.

170 kN nie oznacza 170 kN średniego ciągu

W przykładzie obliczeniowym BPS jedna jednostka ma masę 202 kg, rozpędza się do około 29 m/s i przechodzi przez zakręt o promieniu 1 m. Z zależności F = mv²/r otrzymujemy około 170 kN. Wynik jest poprawny i odpowiada przyspieszeniu około 85,8 g. To lokalne obciążenie jednostki, prowadnicy i zawieszenia.

Nie jest to jednak średni ciąg. Kierunek siły obraca się wraz z jednostką. Dla przyjętych założeń średnia składowa w wybranej osi podczas szybkiego półokręgu wynosi około 108,2 kN. RMS tej samej składowej to około 120,2 kN. Podana dla BPS wartość około 119 kN odpowiada po zaokrągleniu właśnie RMS.

RMS opisuje obciążenie cykliczne, ale przy ocenie drgań i zmęczenia trzeba znać także wartość szczytową oraz pełny przebieg siły. Ciąg należy liczyć ze średniej algebraicznej siły albo z impulsu podzielonego przez czas. Po tej korekcie, lecz przy pozostawieniu pozostałych założeń przykładu BPS, 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; trzeba jeszcze uwzględnić wszystkie wejścia paliwowe i energetyczne, straty oraz układy pomocnicze.

Wartość 108,2 kN jest warunkowa. Zakłada, że szybki łuk jest stale zajęty średnio przez jedną jednostkę i że wkład wolnego łuku można pominąć. Rzeczywista przepustowość zależy od liczby jednostek, odstępów, czasu hamowania, prędkości powrotu i synchronizacji torów.

Co BPS może zmienić w konstrukcji UAV

Najbardziej oczywistą cechą jest brak dużego wirnika na zewnątrz. Jeżeli ruchome elementy uda się zamknąć w bezpiecznej osłonie, platforma mogłaby łatwiej pracować blisko ścian, konstrukcji przemysłowych albo ludzi. Dla misji wykonywanych w ciasnej przestrzeni może to być ważniejsze niż sama maksymalna sprawność.

Drugi temat to sterowanie przebiegiem siły. Wiele jednostek poruszających się w określonej fazie daje możliwość badania, czy siłę i moment można kształtować w czasie. Może to pomóc w tłumieniu części drgań lub w sterowaniu platformą. Na dziś jest to hipoteza, ale hipoteza mierzalna.

Trzeci obszar to sygnatura. Osłona może zmienić kierunkowość dźwięku i ograniczyć bezpośrednią widoczność łopat. Nie oznacza automatycznie cichego ani trudnego do wykrycia napędu. Źródłami hałasu pozostają wentylatory lub strugi gazów, otwieranie hamulców i obciążenia konstrukcji. W wersji elektrycznej dochodzą falowniki i bezkontaktowe przekazywanie energii. Na sygnaturę radarową wpłyną otwory przepływowe, materiały, geometria oraz ruch elementów tworzący składowe mikro-Dopplera.

Takie cechy można porównać z klasycznym napędem przy tej samej średniej sile. Dopiero wtedy będzie wiadomo, czy zabudowa torowa daje przewagę podczas patrolu blisko przeszkód, startu z ograniczonej przestrzeni, działania w otoczeniu ludzi albo integracji napędu z nietypowym płatowcem.

Modułowa architektura może potencjalnie ułatwić dostosowanie BPS do różnych geometrii platform i profili misji. W praktyce każda konfiguracja będzie jednak wymagała odrębnego zamknięcia przepływu, masy, termiki, sterowania i przypadków awaryjnych.

Masa, energia i chłodzenie całej instalacji

Na poziomie UAV nie wystarczy znać obciążenia jednego zakrętu. Trzeba policzyć dwa tory, wszystkie jednostki, prowadzenie, zawieszenie, zasilanie, hamulce, chłodzenie, sterowanie i osłonę zdolną zatrzymać uszkodzony element.

Przykład BPS dobrze pokazuje skalę zagadnienia. Jedna jednostka przy 29 m/s ma około 85 kJ energii kinetycznej. Przy założonej częstotliwości cyklu średnia moc związana z rozpędzaniem wynosi około 0,785 MW na jeden tor, a dla dwóch torów co najmniej 1,57 MW. Są to wartości brutto związane z rozpędzaniem, przed stratami i przed ewentualnym odzyskiem. Moc netto kompletnego systemu trzeba wyznaczyć z pomiaru energii pobranej, odzyskanej i ponownie wykorzystanej w pełnym cyklu.

Podobnie wygląda masa. Nawet przy bardzo korzystnych założeniach około dziewięciu przejść na sekundę wymaga co najmniej 14 jednostek na tor. Przy masie 202 kg daje to 2,8 t masy ruchomej na jeden tor i ponad 5,6 t na oba, bez prowadnic i pozostałego wyposażenia.

Tych liczb nie należy przenosić wprost na mały UAV. Pokazują raczej, że wersja z jednostkami klasy FJ44 jest przykładem matematycznym. Dla systemów bezzałogowych bardziej sensowna wydaje się mała wersja elektryczna, zaprojektowana na podstawie osobnego bilansu masy i mocy, a nie przez proste pomniejszenie rysunku patentowego.

Sterowanie i awarie będą równie ważne jak osiągi

Dwa tory, na których jednostki poruszają się w przeciwnych kierunkach, ograniczą siły boczne tylko wtedy, gdy jednostki zachowują właściwą masę, prędkość i fazę. Spóźnione hamowanie, spadek ciągu, błąd położenia lub utrata zawieszenia powodują asymetrię. Układ sterowania UAV musi mieć zapas do przejęcia takiego impulsu i momentu.

Potrzebne będą także niezależne zabezpieczenie przed nadmierną prędkością, wykrywanie błędu fazy i sposób bezpiecznego przechwycenia jednostki. Osłona nie może pełnić wyłącznie funkcji akustycznej. Musi zatrzymać element niosący znaczną energię bez utraty bezpieczeństwa całej platformy.

Wiele jednostek może dać pewien poziom redundancji i płynne stopniowanie siły. Nie oznacza to pełnej redundancji, ponieważ wszystkie jednostki korzystają ze wspólnego toru, zawieszenia i strefy hamowania. Rzeczywistą odporność układu trzeba sprawdzić analizą FMEA oraz próbami z kontrolowanym uszkodzeniem.

Jak powinien wyglądać demonstrator UAV

Kolejny etap badań powinien wykorzystać dobrze opomiarowany, naziemny demonstrator, najlepiej w prostej konfiguracji elektrycznej. Najpierw należy osobno zmierzyć napęd jednostki w ruchu, straty zawieszenia, powtarzalność hamulca i ewentualny odzysk energii. Następnie kompletny pojedynczy tor powinien trafić na sześciosiową platformę pomiaru sił i momentów.

Pomiar musi być zsynchronizowany z pozycją i prędkością każdej jednostki, poborem mocy, stanem hamulca, prądami zawieszenia, drganiami, temperaturą, odkształceniem toru oraz ruchem powietrza. Podstawowym wynikiem jest średnia algebraiczna siły z wielu pełnych cykli. Szczyty i RMS należy raportować osobno.

Ważne są próby kontrolne: odwrócenie kierunku obiegu, obrót stanowiska o 180 stopni, porównanie jednego i dwóch torów oraz zmiana sposobu hamowania. Po zamknięciu bilansu pędu i energii układ powinien zostać porównany z wentylatorem kanałowym przy tej samej masie zainstalowanej i mocy wejściowej.

Drugi rozmiar demonstratora pozwoli zbudować model skalowania. Dopiero później warto badać napływ boczny i czołowy, sterowanie wektorem siły, zakłócenia elektromagnetyczne i zachowanie po awarii, a na końcu przejść do próby na uwięzi.

Co można powiedzieć dzisiaj

Ogólną wartość inżynierską BPS na poziomie koncepcji oceniam na 5/6, a oryginalność architektury na 6/6. Oryginalność leży w otwartej, modułowej architekturze systemowej i zsynchronizowanym cyklu, a nie w jednym rodzaju pędnika. Oceny te nie obejmują dojrzałości wdrożenia ani potwierdzonych osiągów, które pozostają nieocenione. Następnym rozstrzygającym krokiem jest ilościowe określenie średniej siły, energii netto, masy, sygnatury i zachowania po awarii.

Nie traktuję braku tych danych jako dowodu przeciw pomysłowi. Opis BPS nie zastępuje demonstratora. Pokazuje natomiast wystarczająco dużo, aby zaprojektować demonstrator i zdefiniować konkretne kryteria jego oceny.

Jeżeli mała wersja elektryczna wykaże powtarzalną średnią siłę, zamknie bilans energii i poradzi sobie z kontrolowaną awarią jednej jednostki, BPS uzyska solidną podstawę do dalszych prac. Wtedy będzie można uczciwie ocenić zastosowania UAV, zamiast opierać się wyłącznie na deklaracjach lub pojedynczej podanej liczbie.

Informacja 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.

O autorze tego artykułu

Maciej Kmet jest inżynierem UAV i systemów wbudowanych. 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.

Źródła

• [1] European Patent Office, EP3565971B1: Method and a System for Generating Fuel Efficient Force by Accelerating Object and Using Centrifugal Force, granted specification, 14.12.2022, w szczególności opis [0006], [0011]-[0041], zastrzeżenia 1 i 9 oraz rysunki 1-12.
• [2] European Patent Office, EP3565971B8, korekta danych bibliograficznych, 25.01.2023.
• [3] European Union Aviation Safety Agency, EASA.IM.E.016, Williams International FJ44/FJ33 Series Engines, Type-Certificate Data Sheet, Issue 13.
• [4] NASA Glenn Research Center, Thrust Equation oraz Propeller Thrust, Simple Momentum Theory.
• [5] A. Chijioke, National Institute of Standards and Technology, Dynamic Force Calibration, 2014.
• [6] JCGM 100:2008, Evaluation of Measurement Data: Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement; ISO/IEC 17025:2017.
• [7] Zespół BPS, niepublikowane noty techniczne o architekturze, układzie otwartym i odzysku energii, przekazane 6.08.2026.

---