Vrtulová pohonná jednotka

Letadla s pevnými křídly, ale nejen ta, potřebují ke svému pohybu ovzduším Země sílu, která jim zajistí pohyb požadovaným směrem. Tou silou je tah dodaný pohonným ústrojím nebo potenciální výška nad Zemí u bezmotorových strojů. Pohonným ústrojím je stále ještě v mnoha případech vrtule. Ta je poháněna obvykle spalovacím motorem s nímž je spojena přímo nebo pomocí reduktoru otáček.

Vrtule vykonává za letu dva pohyby, když vyloučíme nežádoucí vibrace, sestávající z dráhy letu a rotace. Jejich geometrickým součtem je pak pohyb po šroubovici. Tvar šroubovice a její stoupání jsou, při stálých otáčkách vrtule, závislé na poloměru otáčení daného řezu, kterým je vhodně zvolený profil schopný vytvářet vztlak při co nejmenším odporu a klopném momentu.

Vlivem rotace vrtule, jak jsem již poznamenali několikrát dříve, je změna tlaku v jejím bezprostředním okolí. Před vrtulí je tlak nižší a za ní zase vyšší, ve srovnání s tlakem prostředí v němž se pohybuje. Součet těchto tlaků působí na disk otáčející se vrtule a urychluje proud vzduchu směrem za ni. Podle principu akce a reakce vzniká tak síla opačného směru a tou je tah. Můžeme to ještě popsat trochu jinak: vrtule je, vzhledem ke svým vlastnostem, schopna urychlit hmotu vzduchu odpovídající jejímu průměru a stoupání, což má za následek vznik opačné síly (3.Newtonův zákon principu akce a reakce), kterou zveme tahem.

My se nebudeme ještě teď zabývat aerodynamikou vrtule. Vypustíme zatím i pojmy reakční a gyroskopický moment vrtule. Pouze upozorníme na to, co se může dít s letadlem jestliže podceníme působení tahu a účinky vrtulového proudu směřujícího podél trupu dozadu.

Na připojeném obrázku je načrtnut proud vzduch nabíhající k vrtuli, který je postupně urychlován. Po průchodu rotačním diskem vrtule je urychlován dále a jeho předchozí přibližně axiální pohyb se mění ve šroubový. Ten je pak hnán podél trupu dozadu a působí zde na části letadla dodatečnými účinky vyvolanými energií vloženou sem pohonnou jednotkou.

Rychlost ve vrtulovém proudu je vyšší než rychlost letu. To má dodatkové vlivy na všechny části letadla s nimiž přijde do styku. Jestliže bude mít trup zbytečné výstupky, nerovnosti, velkou drsnost povrchu apod. vznikne zde dodatečný přídavný odpor, který zhorší výkony letadla.

Všimněte si také, jak se v průběhu diskem vrtule vytvořil šroubový pohyb proudu vzduchu, který pokračuje podél trupu dozadu až k nosné ploše, kde je narušen jejím obtékáním. Jestliže do jeho průběhu nezasáhne nosná plocha, pokračuje celkem nerušeně dozadu až k plochám ocasním, kde může způsobit jejich nesymetrické obtékání a ztížit ovládání některých letových obratů.

Na tomtéž obrázku je rovněž schéma vektorů rychlostí souvisejících s rotující vrtulí na pohybujícím se letadle.

A teď, jak to třeba může být za společného působení vrtulového proudu a tahu, jež jsou přetvořenou formou energie vloženou do celé soustavy pohonnou jednotkou. Podívejte se na následující obrázek, kde jsou obě tyto okolnosti se svými účinky uvedeny.

Jedná se o zaklápěcí pohonnou jednotku motorizovaného kluzáku, stejně tak by to mohl být případ motorového letounu s vrtulí umístěnou nahoře(například u hydroplánu), která vytvářeným vrtulovým proudem ovlivňuje ocasní plochy, v tomto případě zejména VOP. Všimněte si, že vektor tahu jednotky svírá s tětivou VOP negativní úhel náběhu. Stejným směrem se pohybuje i vrtulový proud a vytváří tak na VOP dodatečný vztlak směřující dolů. Opačně, než bychom si obecně přáli. Proč to tak je???

Musíme nyní vzít do úvahy ještě tah jako sílu působící na nějakém rameni vůči těžišti letadla. Ten, jak je vidno z obrázku, vytváří moment snažící se překlopit letoun přídí směrem dolů. To by možná nevadilo, kdyby to byl stav kdy se pokoušíme zmenšit před tím nenadále zvětšený úhel náběhu nosné plochy. Jenže tady to vadí, protože nosná plocha je obtékána pod nevelkým úhlem náběhu v ustáleném stoupání a nepotřebuje, aby se tento úhel zmenšoval. Zde pomůže, a to zásadně, usměrnění vrtulového proudu tak, aby VOP byla obtékána pod negativním úhlem náběhu. Vztlak VOP směřující nyní dolů vyrovná klopný moment tahu jednotky, takže v optimálním případě není třeba významných zásahů do řízení v podélném směru.

Jestliže by tomu tak nebylo, tak je rovnováha letu významně narušena a může dojít, zejména v menších výškách nad Zemí, k nebezpečným situacím. Což se také několikrát stalo s osudovými následky pro osádku, když se třeba snažila dosáhnout, prudkým zvýšením otáček a při letu po větru, zvýšení stoupavosti. Následovalo příkré seznámení se se Zemí.

Všimněme si znovu vertikální polohy těžiště a vektoru tahu, tak jak je to zachyceno v dalším obrázku.

Tah působí v tomto případě nad těžištěm a snaží se překlápět letoun nosem dolů. To by tolik nevadilo pokud bude mít VOP vůči vrtulovému proudu malý negativní úhel náběhu. Ten na ní vytvoří negativní vztlak, který vyrovná přídavný klopný moment tahu pohonné jednotky.

Nastavení VOP na trupu nebo úhel seřízení letadla, což obojí předem určuje úhel náběhu VOP vůči vrtulovému proudu, je nerozlučně svázáno s podélnou polohou těžiště. To jsme již v našem magazínu prezentovali několikrát dříve. VOP má tedy nyní ještě další povinnost. Vedle „stabilizace“ podélného letu, jeho ovládání a vyrovnávání účinků klopného momentu nosné plochy, musí ještě kompenzovat nepříznivé účinky tahu vůči nízko, nebo zase jindy vysoko, položenému těžišti. Je to nejednoduchá úloha a může se stát, že při nesprávné volbě polohy těžiště, úhlu seřízení a nastavení nosné i vodorovné ocasní plochy se bude létající stroj chovat v některých letových fázích nežádoucím způsobem.

Bude-li například těžiště letadla příliš vpředu, klopný moment nosné plochy nebude malý a VOP bude mít proto velký negativní úhel nastavení (úhel seřízení bude, jak mnozí již pochopili, také velký) může dojít k nepříjemným náhlým klopením letadla přídí dolů, při snížení otáček motoru. Je to na první pohled dost málo srozumitelné. Napovím, že velký negativní úhel VOP dokáže výslednou aerodynamickou silou (má při tom, ale velký odpor) kompenzovat účinky klopného momentu nosné plochy a přídavného momentu od tahu působícího nad těžištěm, prostřednictvím vrtulového proudu s větší energií než poskytuje rychlost letu. Když ale vrtulový proud například snížením otáček zeslábne, klopné momenty začnou působit nepříznivě, což není nejen příjemné, ale ani bezpečné. Podobně působí i vliv Země, když se úhel vrtulového proudu blízko ní změní. To byla například jedna ze zkušeností v Hradci Králové před asi 7 lety s ultralightem, který měl těžiště v neuvěřitelných cca 19% střední aerodynamické tětivy, i když tomu dodnes jeho tehdejší provozovatelé nechtějí uvěřit.

Některé doplňující informace k tomuto stavu vzájemného působení tahu a směru vrtulového proudu jsou uvedeny v předchozím obrázku.

A jak to třeba může být u strojů, které mají stabilizační, v těchto případech kachní plochu umístěnou před plochou nosnou? Jestliže je v tomto případě vrtulová jednotka umístěna na přídi trupu před VOP, tak se dějí zase věci pozměněné vůči tomu co jsme napovídali dříve v tomto článku. Prohlédněte si následující obrázek.

Když si odpustíme analýzu toho jak asi působí šroubový proud vzduchu za vrtulí, kde je v malé vzdálenosti umístěna VOP, tak nemůžeme opomenout, že k zajištění rovnováhy letu při působení ostatních aerodynamických sil a momentů, tíhy a případných doplňkových sil je nutné postupovat jinak.

Odpor VOP působí proti směru letu i tady. Vztlak VOP, ať již kladný nebo záporný, však má opačné účinky než u letounu s VOP za nosnou plochou. Vyosení motoru, ve snaze nevytvořit příliš nepříznivě působící moment tahem jednotky vůči těžišti, je také celkem srozumitelné. Ale již tomu tak není s vrtulovým proudem, který bezprostředně a intenzivně obtéká VOP v něm se nacházející. Jestliže je osa rotace vrtule vyosena dolů (potlačení motoru) nabíhá vrtulový proud pod kladným úhlem náběhu k VOP a vytváří na ní přídavný vztlak působící směrem vzhůru. Ten je destabilizující pro let letadla, protože se snaží samovolně zvětšovat úhel náběhu nosné plochy. A to není dobré.

Nemálo konstruktérů a modelářů se pak snaží napravit tuto okolnost posouváním těžiště stroje kupředu nebo ustavením VOP do negativního úhlu náběhu, aby se vlivem menšího úhlu náběhu zmenšil i její vztlak nebo použije oba způsoby. To sice přinese nějaké přijatelnější výsledky, ale je to postup ne úplně správný.

Potlačení osy rotace vrtule, ve snaze napomoci k získání stabilního letu, je v tomto případě špatné. Ustavení pohonné jednotky na přídi trupu je zde třeba zajistit tak, aby vrtulový proud neměnil významně vztlak VOP potřebný pro zajištění rovnovážného letu. Potlačení osy vrtule je třeba zmenšit nebo úplně odstranit. Úplně postačí komplikace vzniklé s nesouměrným obtékáním obou polovin VOP vlivem šroubového vrtulového proudu, jemuž je celá nebo ve své větší části, vystavena.

Takže když se podaří například zajistit rovnováhu letu při plném výkonu pohonné jednotky, VOP je „natažena“ a osa tahu je „potlačena“, tak dojde ale k jejímu porušení v okamžiku kdy se změní otáčky vrtule, protože vztlak VOP se změní. V takovémto případě se létající stroj, při snížení otáček vrtule, vzepne náhle směrem vzhůru a dost starostí je „umravnit“ jej rychlými zásahy do výchylek plovoucí VOP. To bylo spolehlivě prokázáno na dostatečně velkém modelu takovéto koncepce. Viz následující obrázek poskytnutý laskavostí pana O.Barvíře pro pouční ostatních.

Pokud je pohonná jednotka umístěna za nosnou plochou odpadá prve popsané bezprostřední ovlivnění VOP (kachní plochy) vrtulovým proudem a tyto potíže nenastanou.