O výškovkách (2)


Občas se na diskusním fóru objeví odkaz na některý můj článek (poznám na sledovanosti těchto stránek), tentokrát se na RCmánii diskutovalo o výškovkách. K tomu mi napsal jeden pan modelář, zda by na RESce nebyl na VOP lepší nosný profil. Inspirovalo mě to k tomuto příspěvku.

Profil VOP pro RC větroň
Původní dotaz na diskusním fóru zněl, zda je lepší výškovku profilovat nebo stačí rovná deska (byť se zaoblenými nebo zkosenými hranami). Samozřejmě, že je lepší správný (s důrazem na správný) profil.

Nejlépe o tom píše autor nejpovolanější, Mark Drela, v článku o profilech ocasních ploch.

Stručně: Příliš tenké profily nejsou dobré, protože mohou vyžadovat příliš velké výchylky řídicích ploch, příliš tlusté profily mají výraznou hysterezi (tj. při přechodu přes nulu se chovají „divoce“). Drelovy profily by měly být bez hystereze a s odporem minimálně dvakrát menším než rovná deska.

Vím, má nová výškovka na Slite v záhlaví je nesprávná, má profil rovné desky. Asi má větší odpor, ale zato se s ní model mnohem lépe chová. Takže začnu „prohlášením o odmítnutí odpovědnosti“ – každý nechť si dělá, co mu libo, modely jsou různé, modeláři také a návrh vodorovné ocasní plochy je vždy kompromisem mezi mnoha různými požadavky, záleží na tom, na čem nám záleží více a na čem méně 😉 . A já se mýlím často a rád.

Je výškovka vůbec potřeba?
Netopýři ani ptáci ocas, alespoň ve smyslu ocasních ploch, nemají. Mají ale desítky až stovky ovládacích prvků (svalů, kloubů, šlach) řízených „flight computerem“ zvaným „mozek“. Nám, neprofesionálům (létáme pro zábavu), musí stačit pár serv a ocasní plochy.

Jeden krásný článek o samokřídlech (Ilan Kroo – „Tailless Aircraft Design – Recent Experiences“, 1990) obsahuje názorné zdůvodnění, proč výškovku potřebujeme:
Ačkoliv vodorovná ocasní plocha dopravních letadel má plochu 25-35% plochy křídla a tlačí dolů silou odpovídající asi 5% váhy letadla (asi 100 cestujících se zavazadly), zůstává vodorovná ocasní plocha významnou součástí moderních dopravních letadel (B707 z roku 1954 a současná letadla vypadají stejně). Není to odrazem konzervatismu výrobců letadel, nýbrž důsledkem skutečnosti, že vodorovná ocasní plocha je účelným prostředkem pro zajištění stability a řiditelnosti.

A o to jde – stabilitu a řiditelnost. Výkony musí stranou, když jde život (stabilita a řiditelnost se životem setsakramentsky souvisí). Otázkou je, zda může přítomnost výškovky zlepšit výkony – jmenovitě klouzavost a klesavost.

Výkony a VOP
Teď bude trošičku vědy (můžete přeskočit).

Předpokládejme, že máme model nastavený tak, že letí s nulovou silou na výškovce. Model má vztlak L a odpor D, poměr L/D je klouzavost eps. Poté změním nastavení tak, že se na výškovce objeví vztlak (dL, mířící nahoru nebo dolů, to je teď jedno). Generování vztlaku je vždy spojeno s odporem (minimálně indukovaným), takže odpor výškovky bude dD. Klouzavost se změní na eps’=(L+dL)/(D+dD), což se dá rozepsat jako eps’= eps + (dL-eps*dD)/(D+ dD). Aby byl tedy vliv výškovky na klouzavost modelu přínosný, musí být dL/dD > eps.

Zpět z matematiky do normální řeči – pokud má vztlak na výškovce zvýšit klouzavost, musí jít vztlak nahoru (nosná výškovka) a výškovka musí být aerodynamicky lepší než křídlo (poměr vztlaku a odporu na výškovce musí být lepší než na křídle). To lze ale zajistit jen obtížně, hloubka výškovky bývá menší než hloubka křídla a rovněž štíhlost výškovky je menší než štíhlost křídla. Vztlak generovaný na výškovce je tudíž typicky „dražší“ (generuje větší odpor) než vztlak na křídle. Jakmile se tedy na výškovce objeví vztlaková síla, lze očekávat zhoršení klouzavosti.

U některých modelů nás ale nezajímá klouzavost, nýbrž klesavost. Klesavost určuje poměr L^1.5/D. A tady už to může být zajímavější. Následující graf ukazuje průběh L/D a L^1.5/D na dL, když má výškovka stejnou „kvalitu“ jako křídlo (tj. poměr L/D zůstává stejný).


Když bude tedy mít výškovka plochu asi 20% plochy křídla a bude generovat vztlak a odpor ve stejném poměru jako křídlo, může zmenšit klesavost až o téměř 10%.

Jak jsem zmínil výše, výškovka je ale v generování vztlaku horší než křídlo. Pokud by byla výškovka v generování vztlaku 1.5x horší než křídlo, dostanu následující závislost.


Onen koeficient 1.5 je asi tak hraniční, pokud bude výškovka zamýšlená jako vztlakové těleso (pořád se bavíme o nosné výškovce) více než 1.5x horší než křídlo, nebude už mít vůbec žádnou výhodu.

Tedy, pokud má nosná výškovka zlepšit klesavost modelu, musí být dobrá v generování vztlaku, ne o mnoho horší než křídlo. Z toho vyplývá, že musí být velká, s velkou hloubkou (kvůli Reynoldsovu číslu) a rozpětím (kvůli velké štíhlosti, resp. indukovanému odporu). Pokud má model létat jednou rychlostí, na klouzavosti nesejde a záleží především na klesavosti, může být velká nosná výškovka výhodným řešením.

Tak, a teď to výše uvedené (částečně) shodím. Zjednodušený rozbor uvažuje křídlo a výškovku odděleně, jako samostatné prvky. Ale výškovka pracuje (respektive může pracovat) v úplavu křídla, což poněkud mění situaci. Následující obrázek je „vystřihnutý“ z článku „On the Wings… #165, Twist Distribution for Swept Wings, Part 5“, platí pro eliptické rozložení vztlaku na křídle i VOP a znázorňuje energii, kterou model nechává ve vzduchu.


Za letadlem je vzduch v pohybu, tj. energii, kterou letadlo ztrácí, předává vzduchu. Za křídlem proud vzduchu směřuje dolů a výškovka může část tohoto proudění „narovnat“, tj. získat část energie zpět. S uvážením této interference mezi křídlem a výškovkou může být výhodné, aby výškovka pracovala s mírným dolů směřujícím vztlakem. Potom je rozvíření vzduchu za letadlem nejmenší.

Mým závěrem je, že nosná VOP může mít smysl na volňáskách, u RC větroně bych se držel mírně záporného vztlaku. Nicméně vyberte si sami (viz disclaimer výše) 🙂 .

Honza
9.12.2020

1 komentář

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Přidejte obrázek (JPEG only)