Troufám si zveřejnit v tomto magazínu článek, který byl publikován již asi před deseti lety v některém modelářském časopise. Je to proto, že jednak dorostla další generace zajímající se o letectví prostřednictvím leteckého modelářství a jednak také proto, že se neustále vyskytují různí „věrozvěsti hlásající to nejsprávnější zacházení s létajícími stroji“, kteří svým přístupem k chápání věcí kolem nás matou ty, jež by rádi poznali alespoň populární formou skutečně a pravdivě to co  provází i tak zvané malé letectví- letecké modelářství. Kdy jsou tyto stroje neřízené a vydány „na pospas povětrnostem“.

Ani na pozadí nárůstů technických a materiálových možností pro stavbu i malých létajících strojů, zájem o ty nejjednodušší, podstatně neklesá. Navíc je možné na nich, když se všelijak pohybují povětřím, poznat co se děje v atmosféře Země a jak toho využívat, když již nejsme vybaveni schopnostmi ptáků či hmyzu. Bude to tentokrát stručné povídání o stabilitě letů.

Stabilita letadel a jejich létajících modelů náleží mezi jejich důležité vlastnosti. Nepleťte si letové vlastnosti s letovými výkony.

Stabilita je vlastnost létajících strojů, související bezprostředně s tím, jak se  chovají ve vzduchu v případech, kdy je jejich rovnovážný stav letu porušen. Poryvem větru, ať již vodorovným nebo svislým, nebo zásahem posádky či modeláře do řízení stroje, případně nějak jinak.

Stabilita je vlastnost létajícího stroje zaujímat  v přiměřeném čase opět rovnovážnou letovou polohu, z níž byl vychýlen. Je sledován čas a způsob návratu do původního, po případě jiného rovnovážného stavu letu. Dojde-li k zaujmutí nové rovnovážné polohy pomalu a s velkou ztrátou výšky, je míra stability nedostatečná. Je třeba ji zvětšit tak, aby vyhovovala předpokládaným „provozním“ podmínkám létání.

Jak to tedy například může být s podélnou stabilitou u neřízených modelů letadel, kdy není možné zasáhnout do porušené rovnováhy letu pomocí kormidel, jak je tomu u letadel skutečných a modelů, jejichž kormidla je možné nějak ovládat ( upoutané a radiem řízené modely) ?

Tyto dálkově neovládané modely, pokud mají mít spolehlivé letové vlastnosti v rozdílných meteorologických podmínkách, je nutné vybavit potřebnou mírou zejména podélné stability, která je pro létání velmi důležitá. Ne, že by ty ostatní byly významně podřadnějšího charakteru, ale stabilita v podélném směru ( podle příčné osy letadla ) má vliv na vlastnosti modelů a letadel podstatný. Její zajištění je třeba mít prvořadě na paměti, chceme-li, aby náš létající stroj spolehlivě létal a ještě nás podle možností poslouchal, i když jeho seřízení nastavíme pouze před letem na zemi. Takže co s tím a jak asi na to?

Na obrázku  je schematicky zachyceno působení sil a momentů ve svislé rovině při ustáleném klouzavém letu.  Z podmínky rovnováhy momentů k těžišti, kdy výsledný moment pro ustálený let je rovný nule a z legendy symbolů, je zřejmé označení a působení sil a momentů.

Jestliže je tato rovnováha porušena, musí začít působit u podélně stabilního modelu automatický mechanizmus, kdy moment vztlaku křídla k těžišti modelu je vyrovnáván vztlakem VOP na vhodném rameni – Xvop.  Klopivý moment křídla je ten, který překlápí každé křídlo-bez výjimky- s kladně prohnutým profilem přední hranou směrem k zemi.

Zkuste  hodit samotné křídlo a budete překvapeni jak rychle se sklopí k zemí až do polohy „na zádech“. Čím je profil prohnutější, tím je jeho klopivý moment větší, viz následující obrázek.

U profilů souměrných je tento jev skoro nulový.

U tak zvaných profilů autostabilních (u nich je zadní část mírně zvednuta směrem vzhůru) je tento opačný nebo téměř žádný.

V  následujícím obrázku je takovéto porušení rovnováhy uvedeno.

Model ( ale i skutečný letoun)    vlétá do svislého větrného poryvu a poměry proudění kolem něho se rázem  změní. Stejná zůstane pouze jeho tíha, rozměry, přibližně i klopivý moment M, úhly nastavení křídla a VOP a proto i úhel seřízení  ψ . Změní se, ale rychlost a směr letu  V a úhly náběhu křídla i VOP. Tak se změní i vztlaky obou těchto ploch. Je proto důležité, aby nárůst stabilizujícího  momentu VOP – Y_VOP . Xvop  byl větší, než vzrůst destabilizujícího momentu křídla – Y_K . Xk.

Jak se s tím, ale vypořádat? Současné působení několika jevů často odradí zejména začátečníky, kteří nezvládnou tuto činnost při zajištění potřebné míry podélné stability pro svůj model.

Na čem podélná stabilita modelu ( letadla )  závisí především? Když ponecháme stranou aerodynamické vlastnosti křídla, jedná se hlavně o:

• polohu těžiště
• plochu VOP ( stabilizátoru )
• její vzdálenost od křídla ( těžiště )
• úhel seřízení  ψ ( úhel mezi křídlem a VOP )
• profil  VOP.

Když dojde za letu neřízeného modelu letadla k porušení jeho rovnovážného pohybu v podélném směru, záleží na tom, jak na to „odpoví“ stabilizátor – VOP. Pokud VOP nepřispěje co nejrychleji ( nejlépe okamžitě ) ke znovu nabytí rovnovážného stavu, stane se pohyb modelu nerovnoměrným ( přímo nehezkým ), který je doprovázen velkou ztrátou výšky. Případně, což si nepřejeme vůbec, skončí model velmi rychle na zemi.

Velikost a doba působení destabilizujícího momentu křídla vlivem nárůstu jeho vztlaku je dána především polohou těžiště modelu ( letadla ). Je-li poloha těžiště příliš vzadu, pak ani nemusí dojít k vnějšímu nepříznivému silovému podnětu, třeba od větru. Model i v klidném ovzduší se samovolně začne pohybovat směrem vzhůru, až k úplné ztrátě rychlosti, aby pak skončil pádem v zemi – rozbitý nebo zničený. Viz obrázek. Naopak, je-li poloha těžiště příliš vpředu pak   se bude model pohybovat s čím dál  více skloněnou přídí k zemi, rychleji a rychleji.

Oba tyto nesprávné případy poloh těžiště modelu je možné napravit změnou úhlů seřízení  ψ. Obecně, bez složitějšího početního dokazování, můžeme napovědět, že :

• při poloze těžiště příliš vpředu je možné vznikající nerovnováhu napravit zvětšením úhlu seřízení. To se však nemusí obejít bez vlivu na výkony modelu ( letadla ). Výkony se obvykle mohou zhoršit. Letrové vlastnosti naopak zlepšit. VOP v tomto případě vykazuje obvykle záporný vztlak.
• při posouvání těžiště  dozadu je možné úhel seřízení naopak zmenšovat. Není však doporučeno ( až na výjimky ) přibližovat se s těžištěm příliš blízko poloze aerodynamického středu modelu. Výkony modelu by se měly sice zlepšit, ale letové vlastnosti povážlivě zhoršit. A pak by veškerá snaha byla k ničemu. Co se strojem, který se chová nevyzpytatelně i když nefoukne ani větříček??? VOP vykazuje v těchto případech obvykle nulový nebo jemu velmi blízký, vztlak ( míněno ve stejném smyslu jako křídlo ).

Oč se tedy může jednat, zavedeme-li debatu o úhlu seřízení ψ  při takové poloze těžiště, když je let ustálený.. „Posláním“ úhlu seřízení je zajistit, aby při poruše ustáleného rovnovážného letu umožnil stabilizátoru –VOP, vlivem změny jeho vztlaku, uvést model opět do rovnovážného stavu. Ten sice nemusí být totožný s předchozím rovnovážným stavem, ale postupně by ho měl znovu nabýt, pokud možno s co nejmenší ztrátou výšky..

Toho je možno dosáhnout tehdy, když VOP bude schopna vyvinout vztlak ještě v takovém postavení modelu vůči směru letu, kdy již křídlo překročilo při velkém úhlu náběhu svoje „vztlakové možnosti“. Viz následující obrázek ( je to velmi zjednodušené vysvětlení ). Nesmí však při tom dojít ke znatelné ztrátě rychlosti.

Je tedy nutné, aby stabilizátor „přispěchal“ se  svým příznivým účinkem nejpozději před poklesem rychlosti letu na její minimální hodnotu. Někdy, pokud je to možné, i při nežádoucím zvýšení rychlosti letu. Pak je již pozdě. A u modelů správně  symetricky sestavených vůči všem třem osám, bez snahy nebo trvalého „příkazu“, nastaveného na zemi, zatočit, to nekončí vůbec dobře.

Na čem závisí příznivý účinek stabilizátoru především?

Je to jeho plocha, která společně s vhodným profilem je schopna vyvinout potřebnou sílu – vztlak i při větších úhlech náběhu. Aby byl zajištěn dostatečně stabilizující moment k těžišti, zabraňující nekontrolované změně úhlů náběhu křídla, je nutné umístit stabilizátor v dostatečně velké vzdálenosti za křídlem.

Jaká mohou být doporučení, u volných modelů, pro prve uváděné vlivy?

• Poloha těžiště ( souvisí přímo s velikostí stabilizátoru, jeho profilem a úhlem seřízení modelu ):
  – pro symetrické profily křídla je to asi kolem 25% hloubky    střední  aerodynamické tětivy křídla, obr. „Souměrný profil“.
  – pro profily s jednoduchými prohnutími do asi 4%, je to kolem 30% hloubky střední aerodynamické tětivy křídla, obr. „Prohnutý profil“. Pro profily s ještě většími prohnutími je to vzdálenost až do asi 50% hloubek středních aerodynamických tětiv křídel.
• Úhel seřízení : ne menší než asi  3,5 ⁰.
• Plocha  VOP  : ne menší než asi 12 – 13% nosné plochy(křídla). Hodnoty  větší něž asi 20% jsou obvykle již zbytečně veliké.   
• Vzdálenost  VOP  od křídla :     vzdálenost mezi ¼ body středních aerodynamických tětiv křídla a VOP by neměla být menší než asi  3,2 násobek střední geometrické hloubky křídla.
• Profil  stabilizátoru – VOP :  měl by mít menší tloušťku, než profil křídla         ( kvůli účinnosti obtékání ) a  menší prohnutí . Dost často nemají profily VOP, zejména u řízených modelů letadel, prohnutí žádné. Jsou to tak zvané souměrné profily.

Teď ještě něco k seřízení dráhy letu volného modelu. Je známé, že pouhé přímé lety těchto modelů nejsou příliš výhodné. Bylo by totiž nutné nastavovat na nich velké úhly seřízení, zvětšovat plochy stabilizátorů, prodlužovat trupy apod., což s sebou nese zhoršování výkonů.

Obvyklým  letovým režimem volných modelů je zatáčka  s vhodným poloměrem kroužení.

Připomeňme však, že jakákoliv zatáčka znamená zhoršení výkonů. Čím menší je poloměr zatáčení, tím větší jsou nároky na výkon pohonné jednotky ( motorové modely ) nebo je větší ztráta výšky ( bezmotorové modely ). Je to tím, že část vztlaku modelu je nutno vynaložit na překonání účinků odstředivé síly, která při zatáčení vzniká. Model je třeba buď urychlit nebo nastavit hlavně křídlo do většího úhlu náběhu. Obojí způsobí potřebné zvýšení vztlaku. Obojí však také zhorší výkony, pokud při přímém letu bylo dosaženo například seřízení modelu na minimální klesavost. Což je mimo jiné hlavním výkonnostním kriteriem volně létajících modelů.

Jak tedy obvykle postupujeme při seřizování modelů na let v kroužení? Pro tyto testy je nejvhodnější bezvětří.

Zpočátku se pokoušíme vždy seřídit model na přímý ustálený let a to tak , až se model začne pohybovat těsně nad hranicí minimální rychlosti. To jsou ty případy, kdy model začíná mít sklony padat na jednu nebo druhou stranu po ulétnutí dráhy několika desítek metrů( u malých modelů je tato pozorovaná dráha kratší ). Dosahuje se toho obvykle ubíráním zátěže z přídě modelu. Nebo u řízených modelů přesouváním například baterie v trupu.

Není však vhodné, bez dostatečných zkušeností, hnát tyto prověrky do krajnosti. Jedná se pouze o to, abychom se při několika prvních seznámeních  s modelem přesvědčili, že poloha těžiště i úhel seřízení modelu by mohly vyhovovat našim potřebám.

Pak se pokoušíme model uvést do levé či pravé zatáčky některým ze zvolených způsobů( u neřízených modelů).  V tomto režimu, je-li zachováno seřízení z přímého letu, by se měla jeho rychlost letu zvětšit. Současně vzroste také klesavost modelu, což je někdy obtížné během krátkých startů z ruky poznat. Obojí se nám nelíbí a proto následuje úprava seřízení modelu.

Nejprve tak, že zvětšíme úhel seřízení. Ale velmi obezřetně a opatrně. Buď pomocí tenké ( několik desetin mm ) podložky vložené pod zadní část stabilizátoru v místě jeho uložení na trupu. Nebo podložením přední části křídla, poněkud silnější podložkou, v místě jeho uložení na trupu. Nebo nějak jinak, podle možností, které poskytuje konstrukce modelu, která by vždy měla dovolit měnit jeho úhel seřízení co nejjednodušeji.

A tak postupně měníme úhel seřízení modelu, změnou úhlů nastavení křídla a VOP na trupu a následně i polohu těžiště, přidáváním nebo ubíráním zátěže v přídi trupu, až jsme spokojeni nejen s výkony, ale i s vlastnostmi modelu. Dovoluji si připomenout, že není rozumné měnit současně polohu těžiště a úhel seřízení, aniž bychom mezi oběma  úpravami neuskutečnili kontrolní let.

Protože starty z ruky toho napoví jen málo o vlastnostech zalétávaného modelu a při použití startovací šňůry nebo pohonu ( motor-vrtule ) se testování značně prodlužuje, podaří se úspěšně tento důležitý proces ukončit v jednom odpoledni jen málokomu. Je to však velmi vzrušující činnost, když se daří vlastnosti a výkony modelu, bez radia, ovlivňovat postupně tak, jak si přejeme.

Mnohé z toho co zde bylo uvedeno neplatí jen pro neřízené modely. Například poloha těžiště a úhel seřízení mají obdobný vliv i u všech ostatních létajících modelů. Jen doporučované hodnoty pro ně se liší. Obdobně je tomu i s plochami stabilizátorů a jejich profily.

Tento příspěvek byl mimo jiné věnován neřízeným modelům proto, že na nich lze ukázat velmi dobře důležitost všech zmiňovaných vlivů, jejichž společným působením je dostatečné nebo nevyhovující zajištění jejich podélné stability. Byl sepsán také pro ty, kdo se setkávají s leteckým modelářstvím poprvé a nezačínají hned  s RC modely, u nichž je ovlivňování letu snadnější. To jsme napověděli již hned na začátku.

A ještě poslední poznámka : dostatečná podélná stabilita jakéhokoliv modelu (letadla) je podmínkou pro let nutnou, nikoliv  však postačující. Je třeba také zajistit „znovunabývání rovnováh“ u příčných pohybů (klonění modelu), směrových úchylek (zatáčení), při letech s vybočením a případně i v jiných letových situacích. S tím se snadněji vypořádávají řízené modely letadel. To by však byla další povídání o ocasních plochách, vzepětích křídel,…

Teď ještě vlídná poznámka pro ty, kteří se setkávají s leteckými modely poprvé. A také i pro ty, jež i přes  značnou praxi zůstávají nedotčeni poznatky a přírodními pravidly a  domnívají se, že létání je tak snadné. Že přece stačí pořádný  motor a nějaká vrtule.

Samozřejmě, že létání není příliš obtížné, ale opovržení k zákonitostem proudění tekutin ( tj. v našem případě i vzduchu ) je jejich nemalou překážkou účinnějšího postupu kupředu. Mnozí to však nepochopí, neboť doba je uspěchaná a počítače jsou zábavnější.

To není mentorování jakéhosi čtenáře naučných slovníků nebo teoretických pojednání, jimž rozumí málokdo. To je pouhý poznatek podepřený tisícerými pozorováními letů modelů i letadel a jejich poměřováním s poznatky zapsanými matematickými formulemi v knihách, časopisech a jinde. Dříve či později jsou správné teoretické informace každým, kdo vytrvá, potvrzeny.

Na co jsem si snad troufal  upozornit v tomto příspěvku?

Je třeba mít na paměti, že čím jsou rozměry modelu letadla menší, tím jsou jeho výkony horší a letové vlastnosti méně předvídatelné. U menších a malých modelů je vhodné umístit polohu těžiště spíše trochu více vpředu, než vzadu. A úhel seřízení volit poněkud větší, než u modelů větších až největších. Vyvarujte se rovněž, pokud je to možné, všech škvír a mezer v křídlech i ocasních plochách. Ty způsobují, pokud nejsou speciálně uzpůsobeny, pouze a jedině ztráty. A k dosažení potřebných letových rovnováh vyžadují posouvání těžišť kupředu, což znamená zhoršování výkonů a mnohdy i letových vlastností.

Je samozřejmě ještě více poznámek a upozornění, jež by měly být všeobecněji šířeny. Ne však tak zjednodušeně a zdeformovaně, že nejsou pravdivé, jak se bohužel nezřídka stává při mnoha setkáních modelářů. Soustředěné naslouchání upřímně sdíleným a pravdivým informacím nebo dokonce jejich samostatné vyhledávání, je stále ještě dost výjimečné ke škodě tohoto hobby, jež velmi snadno může přerůst do vyšší kategorie letectví, kterým je například stavba skutečných letadel. Nesprávnosti jsou pak nezřídka přenášeny jedinci i tam. A to již není vůbec zdravé. 

Přeji hladká přistání pro všechny modely, jež vzlétají.

 

Nakonec připojuji ještě jeden obrázek s vysvětlením některých zmiňovaných pojmů a také se způsobem, jak jednoduše(mnohdy však zcela nechtěně) uvést stroj do zatáčky.

Text i obrázky z roku 2003 doplnil:

10. 11. 2013 © Jaroslav  Lněnička