Doplňky nosných (i ocasních) ploch
pro zlepšení jejich obtékání a účinnosti

Jak jsme již psali dříve nejsou, na rozdíl od nekonečných rozměrů, nosné a ocasní plochy obtékány dvourozměrně, ale trojrozměrně. Částice vzduchu se na nich pohybují prostorově, to znamená dopředu-dozadu, nahoru-dolů a vlevo-vpravo. Tato proudění nejsou, ač bychom si to vždy přáli, výsledkem našich snažení a přání. Často se jedná o velmi neočekávané obrazce proudu, které skoro vždy způsobí pokles vztlaku, nárůst odporu a zhoršení letových vlastností. A to v časovém rozmezí několika setin sekundy. Takováto letadla nepatří mezi oblíbené stroje a obvykle se dlouho neuplatní, pokud vůbec je někdo použije.

O co asi jde v těchto případech, které nastávají u ploch konečných rozměrů. Nejprve připomeneme ještě něco z toho co se mohlo a může vyskytovat na nosných plochách letounů. To je zachyceno v následujícím obrázku.

Souvisí to nejen s jejich obtékáním, ale také s ovlivněním jejich letových vlastností a situací. Letovou situací máme zde na mysli měněný pohyb letounu, obvykle podle vůle pilota, podél některé z jeho tří os, jehož výsledkem je zatáčení(změna směru letu), klonění(pohyb podél podélné osy) a klopení(stoupání-klesání).

Kdysi, v ranných dobách létání, bylo nutno po prvních úspěších v přímých letech(skocích) vyřešit otázku zatáčení. I bylo používáno, podle vzorů ptáků, nakrucování konců křídel(to byly změny úhlů náběhu a tím také vztlaku a odporu), jež musela být ( a tehdy také byla) přiměřeně pružná. Na každé z polovin křídla vznikly tak rozdílné výsledné aerodynamické síly, jejichž působením se křídlo naklonilo na stranu kde byl nižší vztlak. A letoun takto vychýlený(nakloněný) ze své horizontální polohy(pokud ji před tím měl) začal zatáčet na tu stranu zatáčet.

Po nakrucování konců nosných ploch, které se zvyšováním jejich pevnosti a zejména tuhosti, vyžadovaných stoupajícími rychlostmi letu, již jako řešení pro zatáčení nestačilo, nastoupila křidélka(ailerons). To jsou, laicky řečeno, pohyblivé zadní části okrajů křídel vychylující se nahoru asi dvakrát více než dolů. Délka(jejich rozpětí) křidélek nepřesahuje obvykle 1/2 rozpětí křídla.

Dalším krokem byly klapky(flaps) a brzdy(air brakes) jakožto součásti nosných ploch. Zatímco klapky, při nepříliš velkých výchylkách(nahoru i dolů) významně měnily vztlak(ale i odpor), za současné změny seřízení letounu, brzdy měly jako hlavní cíl výrazně zvětšit odpor a tím snížit rychlost letu. V obou případech se změnily rychlosti letu a s nimi jak klouzavosti tak klesavosti letounu, takže toho mohlo být využito s výhodou například při startech a přistáních(kratší starty i přistání).

Následně došlo ke spojením funkce křidélek a klapek, čímž vznikly flaperony. Ty se nacházejí obvykle v zadních částech nosných ploch po celém jejich rozpětí a jejich hloubky nepřesahují cca 28%(u větroňů méně) místních hloubek. Zde je třeba znovu připomenout, že u těchto zařízení měnících výrazně geometrii „profiláže“ nosné plochy, je třeba obezřetně volit maximální výchylky směrem dolů, když chceme využít spojené funkce křidélek a klapek. Existuje zde dost vážné nebezpečí, že proud vzduchu obtékající flaperon s velkou dolní výchylkou se snadno od nosné ploch odtrhne. Následuje obrovská ztráta vztlaku a nárůst odporu na této straně nosné plochy a pak náklon na opačnou stranu, než bylo zamýšleno. To jsou rychle vznikající situace, velmi nebezpečné zejména při letech blízko zemského povrchu(obvykle je to při přistávacích manévrech), po nichž následuje pád letounu.

Jiným prvkem umístěným na horních stranách nosných ploch jsou omezovače vztlaku(spoilery nebo spoilerony). Ty mohou fungovat na obou polovinách křídle současně nebo samostatně. Při současné funkci na obou polovinách křídla, výchylka směrem vzhůru nad nosnou plochu, dojde k podobnému výsledku jako u brzdových klapek. Sníží se vztlak a vzroste odpor. Letoun pokračuje v prodloužení předchozí letové dráhy s mírně sníženou rychlostí a strměji klesá. Jestliže je ale přiměřeně vychýlen spoiler jen na jedné polovině křídla, letoun se postupně nakloní na tuto stranu a začne zatáčet. Tohoto způsobu zatáčení je například užíváno u velkých letounů(dopravních) při vysokých rychlostech. Bylo to snad použito také u známého B-52, kde použití křidélek by velmi snížilo pevnost nosné plochy. Spoilerony tedy umožňují nejen snížení rychlosti, ale také zatáčení tím, že oproti křidélkům zvětšují výrazněji odpor na straně křídla, kam je třeba zatočit.

Dalšími prvky ovlivňujícími proudění jsou turbulátory, které způsobují výměnu energie mezi částicemi vzduchu pohybujícími se, vně mezní vrstvy, rychlostí proudu odpovídající místnímu rozložení tlaků a povrchem nosných ploch, kde jiné částice ulpívají. Těm nehybným na povrchu předávají část energie z vnějšího proudu a tím zvyšují jeho schopnosti dosáhnout obtékání s menším odporem. Tyto prvky ovlivňující charakter proudění v mezní vrstvě se používají s výhodou všude tam, kde proudění nejsou dostatečně vyvinuta a nemají schopnost dosáhnout co nejlepšího pohybu po ploše za vzniku nejmenšího možného odporu. V úvahu přicházejí hlavně modely letadel a některé části nosných ploch skutečných větroňů. Turbulátory se umísťují v předních horních částech nosných ploch, obvykle po celém rozpětí. Jejich tloušťka by měla být v souladu s tloušťkou mezní vrstvy. U modelů letadel nejsou tloušťky turbulátorů větší než asi 0,4mm. Důležitá je rovněž jejich poloha vůči místní hloubce profilu. Jejich hlavním posláním je snížit odpor více než vztlak, protože k tomu také současně dochází a to tím více, čím je poloha turbulátoru blíže náběžné hraně.

Ještě bychom měli připomenout sloty, což jsou části nosných ploch buď nepohyblivé a umístěné před jejich náběžnými hranami nebo jsou jako pohyblivé vysouvány před ně, jestliže má následovat let s větším úhlem náběhu.

A co ještě jiného je možné nalézt na nosných plochách letadel s pevnými křídly? Něco z toho ukazuje další obrázek.

Jsou to vesměs konstrukční opatření, zhmotnělá příslušně tvarovanými částmi ploch nebo jejich doplňky.

Jejich posláním je buď dodatečně vytvořit řízené zvíření proudu v některém místě(ploše) křídla-to jsou vyvíječe vírů(Vortex Generators) nebo jejich upravené náběžné hrany s výřezem(Notched Leading Edge) či s výřezem(Dogtooth Leading Edge).

Nebo mají zabránit(omezit) nežádoucí proudění podél rozpětí vyskytující se hlavně u šípovitých křídel což jsou například-plůtky(Boundary Layer Fences, Underwing Fences). Jsou instalovány v předních částech křídel a to na horních i dolních stranách. Tato pomocná zařízení nejsou nová, uplatňují se již nejméně 55 let.

Věnujme se nyní trochu více Vortex Generatorům, jejichž použití nachází v posledním období širší uplatnění u menších i velkých letadel. Na dalším obrázku je jeden z mnoha dřívějších příkladů na křídle Gloster Javelin z roku 1951.

Jaký je asi princip fungování těchto umělých „zviřovatelů“ proudů ukazuje obrázek následující. Tyto „přístavby“ se umisťují do těch míst nosných a případně ocasních ploch, kde má dojít k výraznému oživení energie proudu , jehož následkem je dokonalejší obtékání daného místa s případným zvýšením vztlaku a snížením odporu.

Překážky ve formě tenkých, k povrchu křídla kolmo postavených, ploch svírají se směrem proudu nabíhajícího ke křídlu různé úhly náběhu. Jimi způsobené víry oživují proud mezi nimi tím, že přenášejí energii proudu z vnějšku mezní vrstvy do ní. Takto povzbuzený proud má větší schopnost proudit přilehle kolem více zakřivených ploch, což jsou například vztlakové klapky vychýlené dolů. To by mělo být patrné z tohoto obrázku. Odpor poněkud klesne, vztlak možná stoupne a tak se celková účinnost nosné plochy zvýší. Zmenší se i nebezpečí z náhlého odtržení proudu při zvětšení úhlu náběhu. Přiměřeně, tj. v hodnotách do asi 6-7%, se zvýší stoupavost a sníží se přistávací, ještě bezpečná, rychlost letu. Tak to uvádějí prameny některých výrobců VG.

Na dalších třech obrázcích jsou příklady instalací na menších letadlech uvedeny. Povšimněte si velikostí VG například v poměru tloušťkám potahu nebo rozměrům nýtů. Materiálem pro jejich výrobu jsou kovy nebo vhodné plastické hmoty. Výrobců je již dost a ceny nejsou tak závratné, aby nepobídly více zákazníků.

O tom, že se výhod VG chopili i konstruktéři automobilů, podává důkaz obrázek poslední. V tomto případě je vedle snížení odporu vozu dosahováno i menšího znečištění zadního okna, protože zde je usazovaní nečistot vlivem řízeného víření ztíženo.

Snad bude vhodné na závěr připomenout, že Vortex Generators sice mohou napravit zčásti následky některých stavů při proudění kolem pohybujících se těles(letounů), ale neodstraňují jejich příčiny. Takže spoléhat se například na ně jako na jakýsi „všelék“ k dosažení zázračných vlastností, je problematické.