Když jsem se začal potýkat s letovými vlastnostmi Migu a konečně „otevřel knihu“, zjistil jsem, že zase nevím něco, co jsem měl vědět před tím, než jsem se vůbec do stavby pouštěl 🙂 . Žil jsem v omylu, že šípová křídla jsou přeci synonymem pro rychlost, takže model se šípovým křídlem přeci musí létat rychle. Nu, není to pravda, tento článek chce problematiku šípových křídel trošičku osvětlit.

Výhoda šípového křídla
Rychlost zvuku je rychlostí, kterou se šíří tlak. Když poletí letadlo rychlostí zvuku (Machovo číslo M = 1), nikdy se ocas letadla nedoví, co se děje na špičce.

Protože na horní straně profilu se vzduch pohybuje rychleji, než je rychlost letu, dosáhne se rychlosti zvuku na profilu ještě dříve, než letadlo dosáhne M = 1. A pokud má vzduch na horní straně profilu rychlost zvuku, potom se odtoková hrana nikdy nedoví, co se děje před ní. Proudnice na odtokové hraně se nespojí, vznikne rázová vlna, vztlak klesá, odpor stoupá.

V přednáškách Stanfordovy university (anglicky) pro konstuktéry letadel (mimochodem, moc hezké dílo obsahující nejen teorii, ale i spoustu příkladů z praxe) jsem našel tuto závislost odporu na Machově čísle, kterou tu bez povolení přetiskuji.

Je zřejmé, že tento profil ztrácí využitelnost při M = 0.65 až 0.7. Znovu zdůrazňuji, že profil (křídlo, letadlo) se pohybuje rychlostí M = 0.7, ale na horní straně křídla už jsou rychlosti nadzvukové.

Nárůst odporu je ještě tím nejmenším zlem, horší bývá ztráta řiditelnosti. Každé letadlo tak má kritickou rychlost, při které začínají problémy se stlačitelností vzduchu, které se mohou projevovat různě, ale vždy pilot rád letadlo zpomalí.

Myšlenka vedoucí k šípovému křídlu je geniálně jednoduchá. Vezměte obdélníkové křídlo a natočte je šikmo k nabíhajícímu proudu vzduchu. Proud vzduchu s rychlostí V0 tak lze myšlenkově rozdělit na kolmý (příčný) proud Vk, který obtéká profil kolmo k náběžné hraně, a rovnoběžný (podélný) proud Vr, který obtéká křídlo podél náběžné hrany. Příčný proud Vk tak proudí vůči křídlu rychlostí, která je menší než rychlost volného proudu V0 a to v poměru kosinu úhlu šípovitosti. Kritická rychlost křídla je tak vyšší v poměru 1/cos(úhel šípu). Například, pokud by křídlo mělo výše zmíněný profil NACA0012, byla by kritická rychlost, řekněme, M=0.7. Při šípovitosti 45° (tj. náběžné hrany obou křídel by svíraly pravý úhel – viz třeba Mig-17) by mohl letoun bez problému dosáhnout rychlosti 0.7/cos(45) = 0.99, tedy téměř rychlosti zvuku (samozřejmě teoreticky, příroda se tak snadno nevzdává 🙂 ).

Toto je tedy hlavní důvod pro použití šípového křídla – oddálení problémů se stlačitelností vzduchu. Jsou i důvody vedlejší, třeba u samokřídel je výhodné, aby byla kormidla co nejdále od těžiště, případně může mít křídlo dopředný šíp kvůli správné poloze těžiště (typicky dvoumístné větroně).

Za povšimnutí stojí i to, že některá letadla mají přímá křídla, ale šípové ocasní plochy (třeba Il-28, Jet Commander). Není to z estetických důvodů, kritických poměrů se tak dosáhne na křídle dříve než na ocasních plochách a stroj si tak zachová ovladatelnost.

Také už by mělo být zřejmé, proč pro Mig-15 a F-86 Sabre nebyly první proudové stíhačky žádnými soupeři. Nebylo to v motorech, ale aerodynamice, takový Thunderjet se prostě při M=0.8 prudce vzepjal a vzápětí většinou rozpadl.
Šípové křídlo je tedy výhodné pro transonické rychlosti (nadzvukové už tolik ne), ale má i nevýhody, které u modelů poměrně bolí 🙁 .

Neýhody šípového křídla

1. Menší vztlak
   Rovnoběžná složka proudění Vr (ta, která jde podél náběžné hrany) nedělá nic užitečného. Vztlak určuje jen kolmá složka proudění Vk, která je menší než V0. A protože vztlak je úměrný čtverci rychlosti, najednou je vztlaková síla úměrná čtverci kosinu šípovitosti. Pro již zmíněný Mig-17 se šípovitostí 45° by tak vztlak byl poloviční než pro přímé křídlo. Trochu se to kompenzuje tím, že se profil zase jeví tlustší, tj. s větším vztlakem. V každém případě model se šípovým křídlem bude mít větší minimální rychlost než obdobný model s přímým křídlem, a to poměrně výrazně.

   Navíc, u trupu šípové křídlo moc nenese. Na jedné straně trupu chtějí být proudnice pod jedním úhlem, na druhé straně pod přesně opačným. Náhlé změny nemá příroda ráda, takže zařídí změnu pozvolnou, výsledkem je pokles vztlaku šípového křídla u trupu.

2. Rozdělení vztlaku
   Někteří ptáci létají v klínových formacích. Jako děti jsme se učili, že vedoucí husa „rozráží vzduch“. Je to trochu složitější – za vedoucím ptákem zůstává vzduch, který proudí trochu zespodu nahoru, takže ptáci po stranách a za vedoucím jedincem „svahují“ v jeho úplavu a mohou tak šetřit energii.

   Obdobně je tomu u šípového křídla – vnější část vstupuje do vzduchu, který je již ovlivněný vnitřní částí křídla. Vnější části tak mají větší úhel náběhu, jakoby by byly překroucené do pozitivu, a generují tak větší vztlak. Strukturální důsledky jsou u EDF modelů zanedbatelné, ale aerodynamické ne. Při přetažení se proudnice utrhnou nejprve na koncích křídel. Protože konce křídel jsou za těžištěm, vede taková situace k prudkému vzepětí modelu, které nemusí být v malé výšce zvládnutelné (jak vím z vlastní zkušenosti).

   U štíhlých šípových křídel to může ještě zhoršit podélné proudění vzduchu směrem ke koncům. Až půjdete někdy okolo moderního dopravního letadla zezadu, povšimněte si překroucení křídel, negativů. A také zvětšené hloubky křídla u kořene, důvody nejsou jen konstrukční, nýbrž i aerodynamické.

Co s tím?
Z výše uvedeného plyne jednoznačný závěr – šípové křídlo u modelu je zřejmá hloupost 🙂 , naše modely nelétají dost rychle, abychom museli „dávat bacha na Macha“. Stejná hloupost, z hlediska účinnosti, je ovšem EDF jako pohonná jednotka. Ale když ony jsou ty EDF stíhačky krásné 😉 .

Když tedy mermomocí model „tryskáče“ se šípovými křídly postavit chceme, měl by být co možná nejlehčí, při vědomí, že model pravděpodobně poletí tak, jako by měl poloviční plochu. Napadá mě v této souvislosti, že takový F-104 Starfighter s přímými „pahýlky“ místo křídel na tom v modelovém EDF provedení vůbec nemusí být hůře než třeba Mig-19.

Dále by křídlo mělo mít značné negativy. Mig-15 má poměrně malou štíhlost i šípovitost křídla a negativy jsou asi 3 mm, což se ukazuje jako velmi málo. Kdybych ho stavěl znovu, překroutil bych křídlo více a také zvětšil úhel náběhu u kořene.

Pořád se člověk učí 🙂 , další můj EDF stroj bude mít přímé křídlo.

Honza
16.9.2019