Trojrozměrné prudění kolem létajících strojů
aneb
co je nutno při pokusu o stvoření aeroplánu brát mimo jiné v potaz

Obvykle to začíná tak, že se počítá s co nejlepším profilem pro nosnou plochu. V souvislosti s tím se má za to, že je třeba získat aerodynamické charakteristiky profilu a z nich pak usoudit na výkonové a případně hned také letové vlastnosti. To jsme podstoupili v článku, kdy jsme vytvářeli poláru profilu pro danou velikost a zatížení nosné plochy. Také jsme ale hned upozornili, že proudění kolem profilu neboli křídla nekonečného rozpětí je jen dvourozměrné a popisuje pouze osamocenou nosnou plochu. Nebrali jsme v potaz její tvar, společně s trupem, ocasními plochami, podvozkem, pohonnou jednotkou atd. Ve skutečnosti to tak samozřejmě není.

Jak jsme poznali v kapitole o poláře křídla konečného tvaru a velikosti jsme na tom proto hůře. Indukované jevy na obou koncích křídla a za jeho odtokovou hranou mění dosavadní dvourozměrné proudění po hloubce profilu na proudění trojrozměrné. Proudění vzduchu kolem nosné plochy neprobíhá nyní jen v rovině od náběžné hrany přímo k hraně odtokové, ale vyskytuje se částečně i podél rozpětí. A to tím více, čím blíže se nacházíme u jeho konců(okrajů). Významný vliv má při tom ještě tvar křídla, jeho konců a přerušení jeho celistvosti(nezakryté štěrbiny). Tím se celá záležitost navrhování letounu komplikuje a kdo to zanedbá nedosáhne dobrého výsledku.

Výsledkem tohoto trojrozměrného, skutečného obtékání křídla je pak množství vírů při tom vznikajících a současně s tím i obtékání ostatních částí letounu, včetně jejich vzájemného ovlivňování, za vzniku dalších vírů. Protože většinu těchto vírů bereme jako nutné zlo, snažíme se jejich vliv utlumit jak jen to je možné, protože v jejich neuspořádaných prouděních dochází ke ztrátám a tím ke zhoršení výkonů.

Skoro všichni lidé, včetně těch co létají, nevnímají proudění probíhající kolem létajících strojů nijak významně. Berou prostě na vědomí, že se něco kolem letadel děje co jim umožňuje poletovat. Pokud vůbec o tom jakkoliv uvažují. Takže se jim letící stroj jeví asi tak jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Jak to však asi vypadá ve vzduchu kolem letounu se pokouší přiblížit následující obrázek.

Několik druhů vírů proměnné intenzity provází letadlo během jeho pouti atmosférou Země.

Další fotografie ukazují obrazy vírových proudění kolem okrajů křídel, jejich velikosti a intenzity a jejich dosah směrem za letoun, kam až působí. Poslední obrázek je jednou z mnoha zachycených skutečností jaké se v proudění odehrávají na horních stranách nosných ploch letounů.

Zmiňujeme se o vířivém proudění kolem létajících strojů proto, že jednak svoji podstatou umožňují vlastní létání(viz dřívější informace o cirkulaci kolem profilu) a zároveň mu kladou nepříjemné překážky pro dosažení ideálního stavu.

Jestliže bychom znovu připomenuli, že jakékoliv letadlo je pouze a jen kompromis všech s jeho létáním souvisejících okolností, pak si dovolíme připomenout ještě znovu, že ke konečnému kompromisnímu návrhu letadla je:

• prvním krokem volba vhodného profilu, což však je pouze podmínka nutná nikoliv však zcela postačující. Stává se nezřídka, že správná volba profilu je podceňována nebo zase úzkostlivě přeceňována
• druhým pak velikost a tvar nosné plochy, která rozhoduje o co nejúčinnějším využití vlastností v ní použitého profilu
• třetím je omezení odporů ostatních částí letounu na minimum
• dalším vhodná hmotnost, která bude v souladu s potřebnou pevností, tuhostí a bezpečností stroje
• a v návaznosti na to vhodnost použitých materiálů.

Co z toho všeho například vyplývá? Velmi stručně řečeno třeba to, že aerodynamické charakteristiky profilů se zásadně liší od obdobných charakteristik nosných ploch a navíc i od letounů na nichž jsou použity.

Křídlo konečného rozpětí a konkrétního tvaru má mnohem horší výkony a mnohdy i letové vlastnosti než profil, který je v něm použit. Pokud chcete lépe pochopit tyto příčiny a jejich následky, vraťte se k článku o poláře v třetím čísle našeho letošního magazínu. My se to pokusíme objasnit ještě jednou trochu jinými obrázky, i když podstata je stále táž. Podívejte se na následující obrázek.

Nahoře vlevo je polára profilu křídla pro zatížení v něm uvedené. Je to obdélníkové křídlo nekonečné štíhlosti, takže nemá žádné okraje a existuje na něm pouze dvourozměrné proudění, obvykle zepředu dozadu. Ne do stran. Vedeme-li k této křivce tečnu z počátku souřadnic získáme v bodě dotyku údaj o součiniteli vztlaku(vlevo) a odporu(dole) pro nejlepší klouzavost, která má hodnotu cca 162. Vpravo, pro stejný součinitel vztlaku, pak získáme na pomocí vztlakové čáry profilu tomu odpovídající úhel náběhu. Ten je asi 5,1^o.

Jenže tohle všechno je nám platné dost málo, protože neumíme sestrojit křídlo nekonečné štíhlosti. Je to jen takový „mezivýpočet“.

Takže chtě nechtě musíme přejít ke skutečnému křídlu, se stejným zatížením jako prve, jehož geometrické charakteristiky jsou zapsány v levém dolním diagramu. Křídlo má tvar lichoběžníku. A co se teď stane je jednou z příčin toho, že každý létající stroj je jen a jen a pouze kompromisem mezi našimi přáními a možnostmi.

Vlivem obou konců křídla se původní dvourozměrné proudění po profilu změní na proudění trojrozměrné. Mnohé částice vzduchu se začnou pohybovat šikmo podél rozpětí křídla a co více, ovlivní i směr proudu nabíhajícího na křídlo. Je to velmi zploštělé a zkrácené konstatování toho co souvisí s vírovou teorií křídla konečného rozpětí a tvaru. Ale je to tak a levá spodní polovina předchozího obrázku to v celé nahotě předvádí. Původní úhel náběhu α se zmenší o tzv. indukovaný úhel náběhu, zde označený jako α_i , takže ke křídlu přichází proud vzduchu s menším úhlem náběhu α_e. Následkem toho se zmenší vztlak a sklon vztlakové čáry se zmenší směrem k větším úhlům náběhu. Zmenší se proto i maximálně dosažitelný vztlak, protože profil není schopen dosáhnout jeho původní hodnoty, když je ve skutečnosti ofukován menším úhlem náběhu α_e.

Když za těchto, velmi zkratkovitě popsaných poměrů v proudění, vedeme k poláře skutečného křídla tečnu, nachází se nejlepší klouzavost v hodnotě kolem 29 při úplně jiném úhlu náběhu křídla. Asi tak -0,8^o. A to je nemilé překvapení, bohužel skutečné. A to ještě není všechno. Pohlédněte na další obrázek.

Tady je počáteční a konečný stav stanovení aerodynamických charakteristik letounu stručnou graficko-početní metodou opětovně připomenut.

V horní části jsou již prve uvedené aerodynamické charakteristiky profilu znovu znázorněny.

Ve spodních dvou diagramech jsou však již aerodynamické charakteristiky celého letounu. Tedy nejen skutečného křídla, ale jsou započítány i vlivy ostatních částí letounu a jejich vzájemné ovlivnění. Tato změna je zastoupena součinitel škodlivého odporu, jehož hodnota je pro probíraný letoun odhadnuty na 0,0175. O tuto hodnotu je počátek souřadnic náležející skutečnému křídlu(viz spodní část obrázku předchozího) posunut doleva. A odtud vedená tečna k poláře udává v bodě dotyku hodnotu klouzavosti kolem 14,3. Tomu odpovídá efektivní úhel náběhu na vztlakové čáře vpravo asi 3,2^o. Bude-li se nosná plocha letounu při pohybu vzduchem nacházet v této poloze vůči směru letu, doletí ten stroj nejdále. Kousek nad tímto bodem dotyku bude úhel náběhu asi 5^o při němž bude během letu dosahováno nejmenší klesavosti za letu. Je to tzv. ekonomický režim letu.

A to je již podruhé, v naší krátké populárně naučné vydavatelské aktivitě, kdy jsme popsali sice nevědeckým, ale dost srozumitelným způsobem, jak to je s polárami letadel s pevnými křídly. Udělali jsme to proto, že některé dotazy našich pozorných čtenářů svědčí o maličko odlišném chápání toho co zde prezentujeme.

Kdo by s tím, co jsme zde v předchozích informacích uváděli, nechtěl smířit, protože teoretizování mu není příliš blízké, ať si znovu prohlédne vírové stopy v předchozích fotografiích, které za sebou zanechávají letouny, když se prodírají atmosférou Země.