Síly na křídle.
Nejprve něco o silách působících na profil křídla za letu. Při obtékání křídla (ale i jakéhokoliv jiného tělesa) působí na každý „kousek“ povrchu nějaký tlak. Tento tlak samozřejmě závisí nejen na tvaru tělesa, ale i rychlosti a vlastnostech proudu a v případě profilu i na úhlu náběhu. Jak takové pole vypadá, ukazují dva následující obrázky získané programem xfoil.

Takto vypadá tlakové pole profilu, který generuje vztlak (tj. při nějakém kladném úhlu náběhu). Délka šipky naznačuje velikost tlaku, její směr potom směr působení – je zřejmé, že nad profilem je podtlak, tj. křídlo je „přisáváno“ nahoru, pod křídlem je přetlak, křídlo je „vytlačováno“ nahoru.

A takto vypadá tlakové pole profilu, který žádný vztlak nemá, např. při letu střemhlav.

Aby se s něčím takto složitým dalo dále počítat, zavedly chytré hlavy zjednodušení, v němž je tlakové pole převedeno na jednoduché síly a momenty, jak je ukázáno na následujícím obrázku.

Zjednodušení tedy spočívá v tom, že se v profilu určí jeden bod, do něhož se „posadí“ síla a moment, které jsou součtem všech šipek tlakového pole. Ukazuje se, že je výhodné, aby onen určený bod v profilu ležel asi v jedné čtvrtině délky profilu. Potom totiž (přibližně) platí, že:

• Vztlak je úměrný úhlu náběhu profilu a čtverci rychlosti, jíž je profil obtékán; jinak řečeno, součinitel vztlaku je úměrný úhlu náběhu.
• Moment je úměrný čtverci rychlosti, jíž je profil obtékán; jinak řečeno, součinitel momentu je konstantní.

Povšimněte si, že z druhého obrázku znázorňujícím tlakové pole při nulovém vztlaku (tj. křídlo „nenese“) je zřejmé, že křídlo bude mít stejně snahu převrátit se na nos.

Tedy k zapamatování: čím rychleji model letí, tím větší je klopivý moment, přitom tento moment nezávisí na aktuálním vztlaku.

Síly na modelu
Na následujícím obrázku jsou znázorněny síly a momenty působící na letící model (jsou zanedbány síly a momenty pro podélnou stability nevýznamné, třeba odpory nebo moment výškovky).

• V těžišti modelu působí tíha („gravitace vždy vyhraje“ :-))
• Ve „čtvrtinovém“ bodu křídla působí vztlak křídla. Protože tento bod, tj. působiště vztlaku, je obvykle před těžištěm, snaží se vztlak převrátit model na záda.
• Ve stejném bodu působí moment křídla. Moment se snaží model překlopit na nos (asi proto se mu říká klopivý moment).
• Vztlak na VOP udržuje rovnováhu. Povšimněte si, že vztlak křídla chce model otočit na záda, klopivý moment zase na nos. Na obrázku je vztlak VOP znázorněn jako záporný, tj. síla táhne ocas dolů.

Podélná stabilita
Stabilitou se obecně rozumí schopnost modelu přejít po vyrušení do původní polohy. Pokud tedy v důsledku nějakého poryvu nebo jiného vlivu (zásahu řízení) model zrychlí, měl by se stabilní model vrátit do původního letového režimu.

Následující obrázek ukazuje, co se stane se silami na modelu, když ten poletí oproti prvnímu obrázku rychleji.

• Tíha modelu se nezmění.
• Vztlak křídla se v podstatě nezmění. Vypadá to na první pohled divně, ale vztlak křídla vyrovnává tíhu a pokud se nezmění tíha modelu, není ani důvod ke změně vztlaku. Ale jak je uvedeno výše, vztlak je úměrný úhlu náběhu a čtverci rychlosti. Pokud se tedy rychlost zvýší o 40% (rychlost na druhou bude tedy 2x větší), zmenší se úhel náběhu na asi 1/2. Na obrázku je to pro názornost přehnané.
• Moment křídla vzroste při tomto zvýšení rychlosti 2x.
• Větší moment křídla musí vyrovnávat výškovka. Síla na výškovce tedy musí být také minimálně 2x větší. Povšimněte si, že v tomto letovém režimu je úhel náběhu na výškovce výrazně záporný, takže vztlak na výškovce se zvýší jaksi přirozeně.

Stabilní model bude takový, pokud síla na výškovce „přepere“ moment křídla a začne model opět otáčet nosem nahoru. Tím se porucha vyrovná.

K zapamatování:
– čím model letí rychleji, tím více musí VOP tlačit ocas modelu dolů, a naopak
– čím model letí pomaleji, tím více musí VOP ocas modelu zvedat.

Pozn.: Přeci každý ví, že k letu vyšší rychlostí je třeba model potlačit. Potlačení výškovky ale způsobí zvednutí ocasu modelu??? To je samozřejmě pravda, ale potlačením výškovky se pouze „zruší“ stabilizační přebytek síly na VOP. Kdyby nebylo potlačení, model by sám od sebe z rychlého letu opět zpomalil (tedy v případě, že je stabilní).

Kam směřuje síla na výškovce?
To závisí na charakteru modelu. U volňásků a historických modelů jde síla na výškovce většinou nahoru a tak přispívá k celkovému vztlaku křídla. U většiny modelů u velkých letadel jde ale síla na výškovce dolů (záporný vztlak), protože je to bezpečnější. Z hlediska výkonů by však měla být síla na výškovce vždy co nejmenší, tj. nejlépe nulová. Tento přístup však není bez rizika, jak bude vysvětleno dále. V každém případě však platí výše uvedené: má-li model být stabilní musí mít síla na VOP takovou velikost a orientaci, aby model vracela do původní rovnovážné polohy. Následující obrázky ukazují možné příklady sil na výškovce.

Síla na výškovce jde vždy nahoru. Pro volňásky je to výhodné, neboť výškovka přispívá k celkovému vztlaku a volňásky létají jen jednou rychlostí, takže problémy s řiditelností se neobjeví.

Síla na výškovce jde vždy dolů. Obvykle používané pro RC modely i velká letadla.

Síla na výškovce je při optimální rychlosti nulová. Výškovka má nejmenší odpor, takže model bude nejvýkonnější, nicméně může mít problémy s řiditelností.

O stanovení správné polohy těžiště a rozměrů modelu vzhledem k podélné stabilitě je napsáno mnoho, zde se chci zmínit jen o dvou „zradách“, které snad pomohou vysvětlit některá neobvyklá chování modelů.

„Zrady“
Jsou dvě:
První je přechod vztlaku na VOP přes „nulu“, kdy síla na VOP v jednom letovém režimu působí nahoru a v jiném letovém režimu působí dolů. Obecně platí, že profily „nerady“ přechod mezi kladným a záporným vztlakem. Chování je často hysterezní (jiné při zvětšování úhlu náběhu a jiné při zmenšování úhlu náběhu) a proudění se může zcela utrhnout. Profily zakřivené v jednom směru navíc vztlak ve druhém směru generují značně neochotně (srovnejte například s letem na zádech). Ostatně, toto se zdá být hlavním důvodem, proč se u velkých letadel používá vždy „síla na VOP dolů“. Při střemhlavém letu totiž musí síla na VOP vždy směřovat dolů, takže pokud by při normálním letu směřovala síla na VOP nahoru, musela by přejít přes „nulu“.

U volných modelů (či RC historiků) bývají VOP veliké a opatřené nosným profilem, čemuž odpovídá za normálního letu kladný (nahoru působící) vztlak VOP. Pokud se rychlost modelu zvýší, musí kladný vztlak na VOP klesat (viz obrázek výše). Pokud model přejde do střemhlavého letu, musí být vztlak na VOP záporný. A to může být kámen úrazu, protože se proudnice na VOP mohou úplně utrhnout, a model na VOP přestane reagovat.

Z praxe vím, že výborně klouzající házedla se nedají vyhodit, neboť na vrcholu dráhy přejdou do střemhlavého letu, který nejeví snahu vyrovnat, rovněž i jiné volné modely po velkém vychýlení, třeba turbulencí, mohou úhel sestupu stále zvětšovat až do země.

U RC větroňů je za normálních okolností vztlak na VOP záporný, tj. míří dolů. Při zpomalování modelu na přistání se ale musí tato síla zmenšovat (viz obrázek výše). Pokud by se stalo, že by při zpomalování vztlak přešel přes nulu až do kladného vztlaku, opět jde o potenciálně nebezpečné chování.

U větroňů je obvyklým letovým režimem let s vysunutými klapkami či brzdami. Vysunutí brzd u Vira vyžaduje značné potlačení výškovky. To ovšem naznačuje, že na výškovce dojde k „přechodu přes nulu“ (obrácení směru vztlaku), při normálním letu jde síla dolů, při letu na klapkách nahoru. A právě ten přechod „přes nulu“ je nepříjemný a je příčinou vzniku tohoto článku. Při rychlém klesání na brzdách je vše v pořádku, při pomalém letu na brzdách také, ale pokud začnu vybírat klesání, vždy sebou model nehezky mrskne. Teď, když už vím, čím to je, budu hledat nápravu.

Je zajímavé, že modely s brzdicími klapkami (spojlery) vyžadovaly po vysunutí brzd naopak natažení výškovky. Tím se od „nuly“ na výškovce naopak vzdalují a z tohoto hlediska jsou tudíž bezpečnější.

Ani při brzdění pouze zvednutými křidélky jsem nikdy neměl problém. Potlačení výškovky potřeba je, ale postačí malé.

Druhou „zradou“ je ohýbání trupu. Jak je ukázáno výše, při rychlém letu je na výškovce velká síla, která ohýbá trup dolů. Tím se ovšem zmenšuje záporný úhel náběhu VOP, takže vztlak na ní se zmenšuje a nos modelu se dále sklání. Model tak má snahu stále více zrychlovat. Klasickou ukázkou tohoto chování je Majna, kde je nosník ocasních ploch jen válcová trubka 8×1. Po krátkém potlačení střemhlavý let snadno vybírá bez zásahu do řízení, po delším sestupném letu má tendenci přesně opačnou a je třeba jí pomoci řízením. Stejné chování vykazují i Castor a Virus, ovšem v mnohem menší míře (ale rozpoznat se to dá).

Jsem si vědom toho, že jsem hodně věcí „vypustil“ (třeba změnu obtékání profilu s rychlostí a úplav za křídlem), tak všemu, co je napsáno výše, nevěřte na 100% :-). Rovněž podrobnější výpočty jsem si protentokrát odpustil, ale pokud chcete někdo čísla, napište.

Honza
8.4.2012
Pokračování