Proměny křídel
Metamorphoses of Wings

Mnoho lidí se diví jak se může udržet těžké letadlo, ať již váží několik centů nebo desítky tun, ve vzduchu, který „nic neváží“?

Vždyť je to nenormální létat. Kdo se o to pokouší je hazardér a blázen a dokonce nebezpečný člověk.

Takhle uvažuje, a podle toho také jedná, dost lidí kolem nás.Mnozí nevstoupí na palubu letadla ani za nic.

Co může být příčinou tohoto stavu? Nehody a počty úmrtí? Vždyť v autech se zabije mnohem více lidí než v letadlech. Bude to asi tím, že o létání a využití vzduchu toho mnoho nevědí. Spíše nic než málo. I když se k nim zřejmě tyto stránky nedostanou pokusím se vysvětlit, nejenom jim, oč také mimo jiné, v letectví a při létání běží.

Vzduch je sice pro nás obvykle málo viditelný, ale je to hmotné prostředí, které nás obklopuje a bez něhož nemůžeme existovat. Je také prostředkem k využití rychlých pohybů při přemísťování z místa na místo na Zemi.

Vzduch vytváří atmosféru Země, ale my ho vnímáme pouze tehdy, když se dá do pohybu a vznikne vítr. To nám někdy vadí, ale naštěstí pro lidstvo s tím nemůžeme zatím mnoho dělat, pouze se tomu přizpůsobit. A jednou z možností jak využít přítomnosti a vlastností vzduchu je létání. To nám ostatně napovídají různí živočichové této planety již stovky milionů let.

Čas od času se vzduch jakoby zviditelní, když v něm kondenzuje přítomná vodní pára a vzniká mlha nebo mrak. Při tom lze pozorovat trojrozměrné pohyby s různými rychlostmi a změnami směru proudění, vykreslující všeliké prostorové křivky. Velmi dobře se to také sleduje například při sněžení nebo u kouřových vleček vycházejících z komínů nebo chladících věží apod.

I když se pokládáme za nejvyspělejší obyvatele Země, máme stále ještě co dohánět za jinými, i vývojově méně složitými, živými organizmy. Zůstaneme-li u letectví, naší dávnověké touhy pohybovat se vzduchem, jsme omezeni například tím, že nedokážeme postavit libovolně velkou nosnou plochu, která by nám naše přání pomohla splnit. Jsme limitováni našimi výrobními a materiálovými možnostmi. Tak jak to bylo dříve a je tomu i nyní, ač pokrok neustále kráčí kupředu.

Na dalších dvou obrázcích jsou uvedeny příklady, nesplnitelných a proto nesplněných přání, jak chtěl člověk létat. Působí to z dnešního pohledu zajisté dost nezvykle. Takže mnozí naši kritici si ťukají na čelo.

Na následujícím obrázku je řešení bratrů Wrightových, které již pomohlo, i pomocí výsledků jejich předchůdců, ověřit možnost k létání člověka na pevných křídlech a to i s motorovým pohonem.

Jiní živočichové, naši spolubydlící na této planetě, mají některé smysly a čidla mnohem vyvinutější než my a proto využívají vzduchu mnohem lépe ve srovnání s námi. Mimo to se nepodivují všelikým změnám v atmosféře Země během ročních nebo denních období, jako to činí s oblibou mnoho lidí, našich kritiků, denně u obrazovek televizorů nebo u rozhlasových přijímačů. Prostě v nich žijí a přizpůsobují se jim, protože by tu již dávno nebyli. Naopak žijí zde již dlouho, i několik stovek milionů let, a dost efektivně. Pokud se jim to nepodaří, vymírají.

My tak dlouhou dobu na „vývoj“ a přizpůsobení se těmto podmínkám nemáme. Postupujeme proto poněkud odlišněji ve snaze být co nejúspěšnější. Což se někdy i daří. Ale chybí nám instinkt. I když vzduch k životu nezbytně potřebujeme stojíme jaksi mimo něj a díváme se co se v něm a s ním děje.

Pohyblivé nosné plochy všech živočichů létajících vlastní silou jsou konečných rozměrů a tvarů, přizpůsobeny tak, aby jim poskytovaly při velmi komplikovaném mávavém pohybu dostatek vztlaku a minimum odporu. Viz například následující dva obrázky.

To je ale cesta pro lidi, pokud se lidstvo nezvrhne a nedá podnět k produkci nějakých lidských mutantů, kteří by toho byli schopni, neschůdná. My sice mnohdy napodobujeme přírodu s jejími nápady souvisejícími s proměnami křídel seč můžeme, ale jsme omezeni našimi materiálovými a technologickými možnostmi. Toho co je na dalších třech obrázcích uvedeno hned tak asi nedosáhneme, i když v paraglidingu či při závěsném létání jsou již některé obdobné stavy dosahovány.

Protože jsme ale vynalézaví a schopni od přírody ledacos okopírovat, nesnažíme se například vždycky měnit během letu rozpětí křídla, jak to činí draví práci, aby zrychlili svůj let. Pro naše létající stroje je to sice možné i občas vhodné, ale dost komplikované. Podívejte se třeba na následující obrázek jak „načepýřený“ je Fokker 70, aby se mu povedlo přistání co nejlépe.

Tak se můžeme přizpůsobit různým letovým podmínkám, jež provázejí letouny od jejich startů,pak během letů až do jejich přistání. Například ptáci nedělají v podstatě nic jiného, stejně tak jako hmyz.

Jsme ale již nějakou dobu, asi cca 80 let, schopni úspěšně měnit velikosti nosných ploch a tvar jejich profilů během letu. Velikosti ploch měníme tak, že zvětšujeme jejich hloubky a to na větší nebo menší části rozpětí. Zároveň také měníme tvary původních profilů křídel a to tak, že zmenšujeme, ale spíše obvykle zvětšujeme jejich zakřivení(prohnutí). Tím můžeme docílit zvýšení vztlaku při ještě přijatelném přírůstku odporu. Nebo ještě jinak, tzv. spoilery dosáhnout snížení vztlaku, zvýšení odporu a případně si pomoci při korekcích směru letu. Jak to vypadá například na křídle velkého dopravního letounu je naznačeno na dalším obrázku.

Krátce upozorníme na prostředky ke zvýšení vztlaku, zastoupené zde klapkami v zadních částech profilů, které místními změnami tvaru mění jejich aerodynamické charakteristiky.

V prvních třech případech, prve uvedeného obrázku, se mění pouze tvar profilu. Velikost nosné plochy se mění jen velmi málo. V posledním případě jednodílné Fowlerovy klapky, která se nejen vychyluje dolů, ale vysouvá i dozadu, se velikost nosné plochy mění výrazněji.

Klapky umístěné v předních částech křídel, poblíž náběžné hrany, ať již se jedná o jejich pevné nebo výsuvné provedení,jsou nazývány obvykle sloty. Jeden z nich je na předchozím obrázku pojmenován Krügerovou klapkou. Jejich funkcí je usměrnit proud vzduchu nabíhající na křídlo tak, zejména při velkých úhlech náběhu, aby se odtrhával od horní strany křídla co nejdále od náběžné hrany a umožnil například co nejnižší přistávací rychlost a tím i možnost přistávat a startovat na krátké dráze. Jestliže není výsuvný, může při menších úhlech náběhu zvyšovat zbytečně odpor. Jedním z nejznámějších případů byl německý „Fiesel-Storch“.

Na dalším obrázku je zachyceno schéma jednodílné štěrbinové klapky NACA v polohách od úhlu 0^o do 45^o.

Poloha klapky a štěrbina vzniklá mezi ní a křídlem usměrňuje proud vzduchu tak, aby vytvářel co nejvyšší vztlak při ještě přijatelném odporu.

Pak jsou tu aerodynamické charakteristiky dvou klapek a dvou profilů. Na dalším obrázku je to štěrbinová klapka na profilu NACA 63,4-420.

Všimněte si, že součinitel vztlaku se zvětšil při maximální výchylce klapky dvakrát oproti klapce nevychýlené. A to již je tak podstatný nárůst síly působící proti zemské tíži, že se vyplatí instalovat kvůli tomu složitou ovládací mechaniku v křídle. I když to není možné po celém jeho rozpětí.

Dále je tu symetrický profil NACA s maximální tloušťkou 9% a odštěpnou klapkou s aerodynamickými charakteristikami pro tři Reynoldsova čísla a s připomenutím, jak se zvětší odpor, jestliže povrch nosné plochy není hladký(standard roughness). Součinitel vztlaku se při výchylce této klapky zvýšil jen asi 1,5-krát. Je to o hodně méně oproti štěrbinové Fowlerově klapce, ale mechanismus ovládání je zase jednodušší, poruchovost a nutná údržba menší a nárůst hmotnosti nižší.

Protože i mezi příznivci letectví jsou mnozí, kteří neznají některé „taje“ a síly umožňující létání, připojuji několik obrázků pravé poloviny křídla dopravního letounu(snad to byl tenkrát Boeing 737) s jednoduchými komentáři. Na druhé polovině křídla se jedná o totéž. Je to zachyceno na dalších třech obrázcích.

A protože v tomto státě je poměrně velmi rozvinutý letecký průmysl produkující ultralehká letadla, která rovněž zvyšují svoje výkony a zlepšují svoje letové vlastnosti, doplňuji náčrty tohoto článku o návrh štěrbinové klapky, kterou jsme s ing.Janovcem navrhli, společně s profilem SM 701 v roce 2001, pro tehdy vyvíjený letoun Faeta.

Každý létající stroj by měl být navržen a dimenzován tak, aby byl schopen spolehlivě odstartovat i na co nejmenší možné ploše, pak letět efektivně do zvolené vzdálenosti a ve výhodné výšce a nakonec bezpečně přistát. Při tom všem by neměl spotřebovat příliš mnoho paliva. Splnit tyto všechny podmínky jediný tvar a velikost nosné plochy s neměnitelnou geometrii profilů nemůže. A tak se křídla letounů proměňují ve svých tvarech i velikostech od startu do přistání i nejen podle toho, jak jsem zde uvedl, ale i jinak. A bude to tak i nadále.

Prameny
NACA Report 824, rok 1945
stránky Wikipedia
vlastní archiv