O stabilitě letounu
3. část

Nyní je na řadě další druh stability, a to současně podle osy podélné a podle osy svislé, jejichž působení nelze od sebe oddělita tou je
stabilita stranová.

Při pohybu letadel jsou spolu svázány klonivé a zatáčivé pohyby. Výsledným pohybem je pak pohyb stranový. Pro něj je důležitá velikost vzepětí nosné plochy, mohutnost SOP, úhlu náběhu a šípovitosti nosné plochy a rozložení hmot letounu.

Abychom to byli schopni posoudit bude k tomu nejprve zapotřebí osvěžit pojem vzepětí nosné plochy a poukázat na některé jeho příklady.

Ještě však vykonejme velmi krátkou exkurzi do začátků letectví na rozhraní 19. a 20. století.

O.Lilenthal byl již schopen na svých kluzácích dosahovat stále lepších výkonů. Jejich ovládání však bylo dost ošemetné, protože odvážný letec je ovládal pouze přenášením váhy svého těla dopředu-dozadu a vlevo-vpravo. V turbulentním prostředí to bylo hodně nebezpečné a Lilienthal se při jednom pokusu v roce 1896 smrtelně zranil.

Bratři Wrightové se z jeho výsledků a za pomoci O.Chanuta poučili a dosáhli na svém kluzáku výkonů ještě lepších. Dokázali ho ovládat v podélných výkyvech pomocí výškového kormidla. Později poučeni snad pozorováním letů holubů při nichž si všimli, že tito ptáci( a samozřejmě nejenom oni) dokáží udržet stabilitu letu při příčných náklonech pomocí nakrucování konců křídel a tak použili tohoto principu i u svého stroje.

To všechno ale bylo málo, protože se nedařilo udržet letoun v přímém letu i když se příčné výkyvy dařilo napravovat. Lety byly klikaté a letoun přistával hodně odchýlen od původní dráhy letu. A tak došlo k instalaci SOP v zadní části trupu, jakkoliv to zpočátku pokládali za bezvýznamné, protože třeba ptáci žádnou SOP nemají.

A od té doby byl jejich letoun ovladatelný kolem všech tří os a tak je tomu v zásadě dodnes.

Co tedy míníme vzepětím nosné plochy (křídla) jsme již naznačili několikrát v minulých číslech magazínu AL. Velikost a tvar vzepětí nosné plochy určuje její tvar při pohledu ve směru podélné osy letounu, ať již zpředu nebo zezadu. Tento schematický průmět může mít jednoduchý nebo složitější průběh.

Nejjednodušším jeho tvarem je přímka. Pak to je stejná přímka jednou nebo vícekrát zalomená a to nahoru nebo dolů.

Složitější tvary vzepětí jsou zastoupeny různými křivkami. Ty jsou mnohdy kombinovány s částmi přímkovými.

Odchylka tvaru vzepětí od příčné osy letounu je dána patřičným úhlem, který nemusí být, a také často není, stálý podél polorozpětí.

V následujícím obrázku jsou zachyceny některé nejpoužívanější tvary vzepětí s obvyklými používanými pojmy.

K předchozímu obrázku jen několik poznámek k jednotlivým tvarům, jež souvisejí se schopnostmi letounu vyrovnávat se s příčnými náklony.

Nosná plocha-křídlo bez vzepětí je použitelné všude tam kde na něm budou umístěna křidélka (nebo elevony či flaperony). Jejich nesouhlasné výchylky zajistí ovladatelnost podle podélné osy. Stranová stabilita takovýchto letounů, s křidélky v neutrále, není obvykle nijak zvlášť výrazná.

Další tři tvary vzepětí jsou použitelné jako v případech předchozích a také s výhodou tam, kde nosné plochy nejsou křidélky nebo flaperony či elevony vybaveny. To se týká v hojné míře modelů letadel. Z těch tří příkladů je nejvhodnější typ s kombinovaným vzepětím tvaru „V“ a „U“. Úhly vzepětí ß by neměly být příliš veliké. Obvykle jsou jejich hodnoty menší než 6 až 8 stupňů. Velká vzepětí způsobují při vychýlení letounu z horizontální polohy kývání ze strany na stranu s poměrně nemilými časovými prodlevami, což je pro létání málo vhodné.

Tvar vzepětí se záporným úhlem ß bude vhodné využít často u štíhlejších křídel tvarovaných v půdoryse do kladného šípu. Vzpomeňte si na mnohé velmi rychlé a velké dopravní stroje.

Vzepětí tvaru „M“, a stejně tak poslední dva tvary se zdviženými okraji, mají zřejmě inspirační původ v křídlech mnoha ptáků. Jsou často u letounů využívána.

Vzepětí tvaru „W“ je využíváno řídce a bývá i kompromisem souvisejícím například s co nejmenším podvozkem.

Ke všem těmto příkladům je nutno dodat, že štíhlejší nosné plochy při zatíženích za letu mění původní tvary vzepětí. A to dost značně. S tím je třeba počítat.

Jestliže při tom dojde k znatelnější tvorbě vln podél rozpětí nebo větším deformacím tvaru profilů nosné plochy, projeví se to na letových vlastnostech i výkonech. Okraje křídel na příklad u velkých dopravních letadel se zvedají za letu o desítky decimetrů.

V roce 1957 jsem měl možnost, při jednom z prvních přistání Tu 104 v Praze-Ruzyni, pouhým tahem jedné ruky sklonit konec jeho křídla o cca 7 cm. Na křídlo bylo možno dosáhnout ze Země.

Z hlediska ovládání klonivých pohybů letounů má významný vliv i vzájemná poloha křídla a trupu. Na dalších obrázcích je několik takových příkladů uvedeno.

K tomu je třeba připojit následující vysvětlení. Jednoplošníky mohou mít nosné plochy nad trupem - parasol, na trupu - hornoplošník, ve středu trupu - středoplošník nebo v jeho spodní (dolní) části - dolnoplošník.

Dvoj a víceplošníky mají nosné plochy uspořádány nad sebou ve dvou nebo více patrech. Jejich celková účinnost je ovlivněna nejen trupem, ale i jejich vzájemným postavením. Je proto horší než u jednoplošníků. Snížení hmotnosti nosné plochy ve srovnání s jednoplošníkem stejné velikosti i snížení účinků setrvačnosti vlivem menších rozpětí a hmoty to stěží vyváží. Snad jsou trochu obratnější.

Vertikální polohy těžiště letounů mají nemalý vliv na jejich ovladatelnost i stabilitu stranovou a míru spirální stability.

Jak to tedy asi probíhá jestliže je horizontální poloha letounu porušena, ať již záměrně či vlivem nečekaných vnějších sil a křidélka jsou v neutrálních polohách?

Obecněji lze říci, že na stranovou stabilitu mají vliv : vzepětí křídla, rozložení bočních ploch(trupu, podvozku, gondol, výztuh apod.), šípovitost křídla, jeho úhly náběhu a rozložení hmot letounu.

O vzepětí vypovídá první obrázek tohoto článku.

Jakékoliv porušení rovnováhy aerodynamických sil obou polovin křídla, zejména jeho vztlaku, má za následek naklonění letounu na jednu či druhou stranu podle jeho podélné osy. Vzepětí má pomoci napravovat následky porušení této rovnováhy a působení rozdílných úhlů náběhu vznikajících při tomto pohybu na obou polovinách křídla. Dochází k tomu vždy při vnějším stranovém působení větrných poryvů na letoun.

V následujícím obrázku v jeho horní části je naznačeno schematicky, že při porušení horizontální polohy letounu a jeho následném náklonu se pohybují poloviny jeho křídla nesouhlasně. Návětrná nahoru. Její předchozí úhel náběhu během letu se při tom zmenšuje a její vztlak klesá.

Zatímco na závětrné polovině křídla, pohybující se dolů, dochází k nárůstu původních úhlů náběhu a její vztlak stoupá. Důsledkem je pak vznik klonivého momentu, který se snaží letoun navrátit do původní horizontální polohy. U letounů s vhodným vzepětím na křídle je tento příznivý stabilizující účinek výraznější. Ten je také mnohem účinnější, jestliže je těžiště letounu co nejníže pod nosnou plochou, čemuž vyhovují nejvíce hornoplošníky. U nich mohou být proto vzepětí jejich nosných ploch poměrně malé v rozmezí cca 2 až 3 stupně.

Letoun po vychýlení z rovnovážné horizontální polohy má snahu zatáčet na stranu náklonu, který se sice snaží vyrovnat, ale přesto následně letí po nějakou dobu s vybočením. To má za následek jednak působení složky tíhy – G. sin γ ve směru skluzu, ale také vznik příznivě působícího zatáčivého momentu na SOP vlivem nesouměrného obtékání při tomto pohybu. Oba účinky působí protichůdně. Viz spodní část předchozího obrázku.

Velké vzepětí sice přináší větší míru stability stranové, ale znesnadňuje zároveň řízení v příčném i směrovém pohybu. Proto letouny určené k jinému než jenom turistickému létání mají vzepětí ploch minimální nebo žádné. A letouny s nosnou plochou tvarovanou do kladného šípu mají mnohdy vzepětí záporná.

A teď to vezměme ještě jednou v trochu jiném podání.

Jestliže se letoun (model) dostane do letové polohy při níž jeho podélná osa -x svírá se směrem letu nějaký úhel, jedná se o let s vybočením. Stroj pak při letu zatáčí, naklání se a posunuje se na stranu. Jedná se o dost složitý pohyb, jehož jednotlivé složky se vzájemně ovlivňují. Proto je nutno je posuzovat současně, nikoliv odděleně.

Všimněme si zjednodušeně co se děje v tomto případě s letounem. Letoun se po bočním účinku větrného poryvu nejprve nakloní na druhou stanu a začne zatáčet. Vzepětí jeho nosné plochy, pokud nějaké má, se snaží tomuto pohybu zabránit společně s klonivým účinkem stabilizujícího momentu vzniklého vlivem rozdílných úhlů náběhu na obou jejich polovinách.

Polovina nosné plochy, pohybující se při klonění dolů, se totiž setkává s proudem vzduchu o vyšším úhlu náběhu a proto se její vztlak zvětší. Druhá polovina, pohybující se nahoru, se zase dostává do proudění s menším úhlem náběhu a proto její vztlak klesá.

V těchto okamžicích se letoun vychýlí svojí podélnou osou z nového směru letu s nuceným náklonem, vlivem předchozího poryvu větru a letí s vybočením. Jeho klesání se zvětší. A nyní!!??

Letoun se snaží svými vlastnostmi(předpokládáme, že je správně navržen) tuto nevýhodnou pozici napravit a získat původní letový stav.

Pomáhá mu k tomu nosná plocha, jejíž obě poloviny vykazují nyní během náklonu rozdílný vztlak a to stabilizujícím momentem podle podélné osy letounu -x. Současně začne působit příznivě i „vztlak“ SOP způsobený jejím rozdílným úhlem náběhu, vlivem letu s vybočením. Směrovka nemusí být při tom vychýlena ze své neutrální polohy.

Poslušný letoun se nyní začne navracet do letového stavu před účinkem větrného poryvu.

Jenže je tu ještě další překážka a tou je složka tíhy působící ve směru bočního posuvu. Na tu jsou prve popsané aerodynamické účinky krátké. Letoun proto více či méně sklouzne ve směru naklonu a ztratí zbytečně výšku. Sice se trochu zvýší jeho pohybová energie, ale ta se nedá úplně( 100%-ně), ani jakkoliv zkušeným pilotem, využít.

Nastupuje proto další částečná výpomoc a tu představují boční plochy letounu, zejména trupu. Jejich rozložení kolem těžiště letounu má značný význam a může ztrátám při letech s vybočením napomoci. Vysvětluje se to například takto. Jestliže je průmět bočních ploch letounu větší nad podélnou osou – x procházející těžištěm a za těžištěm, dojde ke stabilizujícímu momentu vlivem „ofukování“ trupu bočním poryvem. Letoun se začne naklánět proti směru prve vzniklého nepříznivého náklonu. Je to tak zvaný „kýlový efekt“ do určité míry srovnatelný se stabilitou lodních trupů. Zároveň je také důležitý poměr mezi velikostmi bočních průmětů ploch letounu před a za těžištěm.

Značný vliv zde má například velikost SOP.

Jak jste si jistě všimli snažili jsme se upozornit na mnohé vlivy související se stranovou stabilitou uvedené v předchozím textu této kapitoly.