O bezocasých strojích
neboli
samokřídlech

Jsou stále ještě příznivci bezocasých létajících strojů, zejména modelů, mezi námi, což je asi dobře. Co je k tomu vábí?

Proč to mají být samokřídla? Copak není dost jiných létajících strojů, třeba „kachen“?

Ale zase z jiné strany. Proč by měl mít letoun za každou cenu ocasní plochy, když to nemusí být vždy bezpodmínečně nutné?

Má to ale smysl vyřadit ocasní plochy nebo je to jen jakési bláznivé počínání těch co „mají roupy“ a nechce se jim stavět také trup?

Když se tvrdí, že hlavně nebo dokonce, jen nosná plocha rozhoduje o výkonech letadla a trup i ocasní plochy vytvářejí pouze odpor, který se snažíme, vedle tíhy, potlačit co nejvíce, proč se nestaví více „samokřídel“? Měly by mít přece lepší výkony(pozor- nezaměňujte výkony za vlastnosti)!

To jsem slýchával i já před mnoha desítkami let od jiných modelářů, když jsem se snažil se svými bezocasými modely jim konkurovat, což se mi jen zřídka zdařilo a nedokázal jsem jim dát gramotnou odpověď, protože jsem ještě jistě nevěděl to co se dozvíte v tomto článku.

Samokřídla létala, když se povedla, docela dobře a jejich letové vlastnosti, jestliže se vědělo jak je koncipovat a postavit, byly také docela dobré. Například podélná stabilita byla u nich vždy, při správné poloze těžiště, úchvatná. To platilo nejen dříve, ale i dnes.

Pokud nebylo použito příliš velkého vzepětí nosné plochy pak i vlastní let byl krásný, hlavně tím, že byl neobvyklý.

Jedním z prvních úspěšnějších průkopníků byl Igo Etrich z Horního Starého Města u Trutnova. Ten se zhlédl v okřídleném semenu rostliny Zanonie a podle těchto tvarů zkonstruoval svoje známé „Taube“, které se vyráběly licenčně i v Německu a byly zde před první světovou válkou držitelkami všech rekordů. Tvar Zanonie a jeho Taube jsou na prvním obrázku. Etrich se ale ještě nedokázal obejít bez stabilizátoru(VOP), takže to vlastně ani správné samokřídlo ještě nebylo.

To v Anglii, přibližně v tomtéž čase, byl J.W.Dunne mnohem dále, viz další obrázek a jeho bezocasé dvouplošníky byly opatřeny již elevony(kombinace křidélek a klapek ve funkci výškovky) a v roce 1911 dosahovaly údajně rychlosti 120 km/h. Do výzbroje britské armády se však nedostaly a vojáci dali přednost vedle dvouplošníků také trojplošníkům v roce 1917.

Na dalším obrázku je německé samokřídlo Marabu z roku 1931, které mohlo být jedním z řešení předcházejících stavbám bratří Hortenů.

A pak je tu v následujícím obrázku polský příspěvek do skupiny samokřídel z roku 1932.

Samokřídly se později bratři Hortenové v Německu hojně zabývali a po dost dlouhou dobu. Měli zřejmě vliv i na první poměrně úspěšně, i když pro Spojence naštěstí pozdě, nasazený stihací letoun Luftwaffe – Me 163, vybavený raketovým motorem. Jeden z jejich prototypů je na následujícím obrázku.

Také Američani, zejména Jack Northrop, úspěšný spolupracovník například na DC-2 a DC-3, se pustili do výroby samokřídel řady 35 a to s vrtulovým i proudovým pohonem. A to ve velkém stylu, jak napovídá další obrázek.

Zblízka je tento Northrop XB-35 také na následujícím obrázku.

Talentovaný J. Northrop se pak znovu úspěšně zapsal do konstrukce samokřídel, v rolích těžkých bombardérů s proudovým pohonem, jichž bylo vyrobeno asi 21 kusů, pod označením B-2.

Protože tenhle magazín je i pro letecké modeláře jsou na dalším obrázku některé příklady bezocasých modelů letadel ovládaných radiem. Jedná se převážně o německé projekty.

Teď se pokusím naznačit co by mělo být splněno, aby každý létající stroj, nejen bezocasý, byl schopen letu.

Stroje s pevnými křídly jsou schopny vyvozovat vztlak, nezbytný pro překonávání zemské tíže a setrvačných sil při některých letových obratech, jedině když se pohybují rychlostí vhodnou pro zvolený manévr-vodorovný let, zatáčka, stoupání,… . Tak vzniknou kolem nosných ploch tlaková pole, která mají nižší tlak nad a větší tlak pod nimi, ve srovnání s okolním prostředím. Součtem těchto tlakových rozdílů je síla zvaná vztlak. Připomeňme ještě, že je třeba, aby nosná plocha byla opatřena vhodně tvarovanými profily, které ji vybavují odpovídajícími výkony a konečně i letovými vlastnostmi.

Jestliže vztlak má vyrovnávat, teď budeme posuzovat pouze vodorovný nebo klouzavý let pod malým úhlem, tíhu letadla, měl by být při rovnoměrném přímočarém pohybu stejně velký jako jeho tíha. To by se dalo nějak zařídit. Ale jak a kde ten vztlak na nosné ploše působí již není tak jednoduché zajistit. Tíha by při tom měla být na stejné svislici jako výsledná aerodynamická síla, jež jak víme je výslednicí vztlaku a odporu(to platí pro rovnoměrný klouzavý let).

To ale není všechno. Když to velmi zkrátím, tak bych rád upozornil, což jsme učinili již v některém z předchozích čísel Akademie letectví, že vedle vztlaku a odporu vzniká u prohnutých profilů ještě moment, který se je snaží překlopit přední částí dolů. Takže již předpoklad uvedený v poslední větě předchozího odstavce nepostačuje na zajištění stabilního letu.

U dvojitě prohnutých profilů, tzv.autostabilních, je tomu obvykle naopak. Tyto profily moment většinou překlápí přední částí vzhůru.

A pak jsou tu ještě profily symetrické, u nichž je klopný moment nulový nebo se nule velmi blížící, takže nosné plochy s těmito profily by neměly mít snahu se překlápět ani dolů ani nahoru. Což bychom si přáli, ale ve skutečnosti tomu tak úplně není, protože působiště výsledné aerodynamické síly nosné plochy(profilu) se i tady, sice málo, ale přece jenom, pohybuje po její hloubce.

Na dalších dvou obrázcích, kdy se jedná o vodorovný let, jsou tyto tři možnosti zachyceny.

U nosné plochy se souměrným profilem bychom teoreticky mohli dosáhnout letu, kdyby těžiště letadla bylo na stejné svislici jako vztlak. To však nastává jen ojediněle. Působiště aerodynamických sil se trochu pohybuje, dopředu nebo dozadu, v závislosti na měněných úhlech náběhu. K nim dojde vždy, kdy stroj vletí do jakéhokoliv větrného poryvu nebo zásahem pilota do řízení. A rovnováha sil je okamžitě porušena. A není zde zatím nic co by ji pomohlo obnovit. Chybí tu například VOP, kterou my ale nechceme, která by vzniklá porušení rovnováhy napravila. Nebo třeba pohonná jednotka v tlačném uspořádání schopná měnit vektor tahu. Tak jako to měl například americký „Hélios“, což bylo „létající prkno“, pohybující se kolem roku 2001 na sluneční pohon, ve výškách kolem 21km. Nebo uspořádání nosné plochy do kladného šípu s mírným geometrickým zkroucením jejich konců.

Samotná plocha s prohnutým profilem není schopna bez dalších, někdy dost značných úprav závislých hlavně na velikosti prohnutí jejich profilů nebo bez VOP, pohybovat se rovnovážným letem. Dvojice sil – vztlak a tíha, vždy porušení rovnováhy vlivem náhodného zvětšení úhlu náběhu nejen nesrovná, ale dokonce zvětší. Aby vůbec byla schopna letu vyžaduje úpravu do kladného šípu, alespoň 17^o, velké geometrické zkroucení a často i aerodynamické zkroucení do profilů symetrických na svých okrajích. Pak jsme ale nemuseli používat prohnutý profil, protože jsme takto jeho výkony výrazně zhoršili.

Jiná situace je u ploch vybavených dvojitě prohnutými, t.zv autostabilními, profily. V těchto případech, kdy je těžiště stroje vždy v první čtvrtině hloubky profilu, působí dvojice sil-vztlak, tíha, příznivě na obnovení rovnováhy původního letu. Takže je to skvělé a sem s takovýmito profily.

Ale !!!

Jakpak to je s výkony těchto profilů? Vyrovnají se jednoduše prohnutým a souměrným nebo je dokonce předčí? Pak by byla absolutní výhoda na straně samokřídel oproti strojům s nosnými a ocasními plochami.

Jenže tak to ale bohužel není, což můžete poznat z následujících obrázků, kde jsou souměrný, prohnutý a dvojitě prohnutý profil se svými výkony představeny. Vybral jsem profily H.Quabecka tak, aby měly stejnou tloušťku. První z nich je souměrný a jeho prohnutí je proto nulové. Další dva mají prohnutí velmi blízká, v průměru 2.15%.

A teď se konečně podívejme jak to je s výkony těchto profilů. Pro první porovnání jsem vybral poláry při Re=500000, kdy je již proudění dostatečně vyvinuté a dost reálně odpovídá například koncům křídel malých letadel.

Další obrázek ukazuje jak jsou na tom všechny tři profily s maximálními klouzavostmi. To ukazují tečny k polárám, vedené z počátku polárního diagramu. Nejlépe je na tom prohnutý profil. Horší klouzavost vykazuje dvojitě prohnutý profil a nehůře je na tom profil souměrný. Úhly klouzání sevřené mezi tečnami k polárám a svislou osou (součinitel vztlaku vlevo) naznačují jak rychle se letadla s těmito profily budou blížit k Zemi. Čím větší úhel, tím horší klouzavost.

To potvrzuje i další obrázek na němž jsou vlevo hodnoty klouzavostí pro jednotlivé úhly náběhu zachyceny. Nejlépe je na tom HQ 2,1-9,5, výrazně horší je HQN 2,2-10 (autostabilní) a nejhůře dopadl profil souměrný.

Teď ale pozor na pravý diagram v tomtéž obrázku vpravo. Tady jsou hodnoty klopných momentů, jejichž účinky vyrovnáváme obvykle vodorovnými ocasními plochami,velmi odlišné. Největší hodnoty zaznamenal prohnutý profil. To jednoznačně signalizuje, že se nosná plocha s tímto profilem bez VOP nebo zásadních úprav neobejde. Kdežto oba další profily se svými hodnotami oscilují kolem nulových hodnot klopného momentu. Takže let by byl s určitými menšími úpravami bez VOP možný.

Následující dva obrázky ukazují na průběhy stejných hodnot jako oba předešlé, ale při Re=100000, které již odpovídá mnoha modelům letadel. A tak se podívejte, letečtí modeláři, co se se všemi hodnotami stalo.

Vzájemný poměr maximálních klouzavostí mezi nimi zůstal zachován, změnily se jen jejich hodnoty. Jsou mnohem horší než prve u většího Re čísla. To je všeobecná bolest malých a středních modelů letadel.

Když se podíváte na kolísavé průběhy klopných momentů, tak zesmutníte ještě více. Zejména nás to rmoutí u „autostabilního“ profilu, protože jsme již začali nabývat dojmu, že by geometricky i aerodynamicky nezkroucené křídlo mohlo mít s ním značný úspěch. Hodnoty klopného momentu se však natolik vzdálily od nulových hodnot například v rozmezí úhlů náběhu -2 …0…5^o, že bychom stabilní let bez jejich pomoci, v těchto režimech letu, zajistit nemohli.

U symetrického profilu bychom se bez VOP, ale obešli při úhlech náběhu -5 , pak 0 a ještě při 5^o. Ale co ostatní úhly náběhu?

Vypadá to asi tak, že nosná plocha do kladného šípu se souměrným profilem vyžaduje malé záporné geometrické zkroucení svých konců, aby úspěšně stabilně klouzala vzduchem.

A u dvojitě prohnutého profilu tomu bude při těchto a podobných Re číslech obdobné.

Čili, neboli, chceme-li se přiblížit s výkony samokřídel modelům s ocasními plochami, musíme najít u profilu kompromis mezi maximálním prohnutím a tloušťkou a jeho tvarem. Když to bude autostabilní profil s velkým prohnutím bude mít větší klopný moment v nepříznivém smyslu, tj. destabilizující. Tím větší geometrické nebo aerodynamické zkroucení budeme muset použít, abychom zachovali jeho přijatelné letové vlastnosti. Tak jsme se ale zbavili části vztlaku, kterého jsme chtěli dosáhnout použitím prohnutějšího profilu. Je to tedy řešení protismyslné.

Nebudu to zde dále rozvádět, protože bych snadno zabředl do podrobných a rozsáhlých vysvětlování a zdůvodňování, což by zřejmě zhatilo původní účel takovéhoto článku.

Pokusím se stručně podat jakési „résumé“, tj. souhrnné doporučení.

Se souměrným profilem, nosnou plochou do přijatelného kladného šípu a malým negativním zkroucením(po případě žádným) jsme schopni sestrojit samokřídla různých tvarů, která budou přijatelně výkonná, zejména budou-li opatřena pohonnými jednotkami. Těžiště těchto strojů se budou nacházet v těsném sousedství aerodynamického středu nosné plochy.

K prohnutému profilu ve středu nosné plochy samokřídla je nutné obvykle přiřadit profil s malým nebo nulovým prohnutím na obou jeho okrajích, které budou ještě geometricky zkrouceny do záporných úhlů, jež mohou dosáhnout na koncích hodnot minus 5 až 7^o. Zásadní vliv zde bude mít jejich maximální prohnutí. Těžiště těchto strojů se budou nacházet v malé vzdálenosti za aerodynamickým středem nosné plochy v závislosti na velikosti aerodynamického a geometrického zkroucení. Rozmezí těchto hodnot může být cca 26 až 29% hloubky střední aerodynamické tětivy.

Nosné plochy s dvojitě prohnutými profily mohou být aerodynamicky i geometricky zkroucené, ale není to bezpodmínečné. S odkazem na využití samokřídla, například jako kluzáku, bude účelné zvolit jen takové prohnutí profilu jehož nepříznivý klopný moment bude možné kompenzovat nepatrným geometrickým zkroucením konců nosné plochy. Těžiště těchto kluzáků se budou nacházet v přední čtvrtině hloubky střední aerodynamické tětivy plochy. Pokud to budou volně létající modely, pak budou jejich těžiště více vpředu než u modelů řízených nebo skutečných letadel.

Podívejte se na obrysy několika vybraných profilů využitelných u bezocasých modelů letadel, v následujících obrázcích. Přestože se málokdo zřejmě skutečnými bezocasými letadly u nás zabývá, tak zde je i pro taková případná použití uveden Horten Standard 13%.

A abych ještě zodpověděl otázku proč nejsou samokřídla výkonnější než letadla s trupem a ocasními plochami. Je to hlavně proto, že profily vhodné pro bezocasá letadla nedosahují takových aerodynamických výkonů jako profily jednoduše prohnuté, i když z velké části odpadá u samokřídel odpor trupu a VOP.

Kdyby to přece jenom někdo chtěl zkoušet a pokoušet, tak jsou na dalších dvou obrázcích návrhy modelů létajících strojů bez VOP.