Úvod » Aerodynamika a mechanika » Samokřídla

Samokřídla

Print Friendly, PDF & Email

Většinou vídáme v povětří  letouny s ocasními plochami. Ale jsou také některé bez nich. Ty co je nemají jsou „samokřídla“. Protože nemají ocasní plochy a ani příliš velké a objemné trupy, mohly by dosahovat lepších výkonů než letouny, které je mají. Měly by mít například menší škodlivý odpor. Samokřídla však mají jinou nevýhodu, která je ve výkonech řadí až za ty s křídlem a ocasními plochami. Je to tím, že profily jejich nosných ploch nemohou být tak výkonné, protože musí svými vlastnostmi zajistit nezbytnou stabilitu letu. Žádná vodorovná ocasní plocha  jim totiž nepomáhá.

Tyto profily mají dvojitě prohnutou střední křivku s inflexním bodem za polovinou hloubky. Jsou to tak zvané „autostabilní profily“. Některé jejich příklady jsou uvedeny v tomto článku. Jsou to profily, jejichž klopivý moment se snaží letoun naklopit do větších úhlů náběhu. A to je právě opačně než u profilů jednoduše prohnutých.

V prvním obrázku je ukázka jednoho z možných řešení letounů, který sice není čistokrevným samokřídlem, ale mnoho mu do něj nechybí.

Typickou je  pro většinu samokřídel jejich nosná plocha upravena do šípu – negativního nebo pozitivního. Existují také samokřídla jejichž nosná plocha je bez šípu, protože  spojnice jejich čtvrtinových hloubek svírá s osou symetrie letounu pravý úhel.  Některé z nich jsou připomenuty také v tomto článku.

Určitou nevýhodou všech samokřídel jsou krátká ramena v podélné ose stroje na nichž působí svislé síly vůči těžišti, jež ovlivňují jeho podélnou stabilitu. Výchylky kormidel, ovlivňující velikost těchto sil, musí být zvoleny obezřetně, ale právě takových hodnot, aby zajistily co nejefektivnější (dostatečně rychlé a velké) nabytí rovnovážné polohy letu, která byla před tím něčím porušena. Podmínkou nutnou k tomu je správná poloha těžiště.

V následujícím obrázku jsou uvedeny tři příklady samokřídel. Všechny mohou mít  použity „autostabilní“ profily nebo profily souměrné. Pokud by byly použity profily prohnuté, pak nezbývá než okraje obou polovin nosné plochy zkroutit do značného negativního úhlu a ještě je opatřit pomocnými ploškami ( viz prostřední případ na obrázku).

Všimnětě si vzdáleností křidélek (elevonů) od těžiště, zde označených písmeny A. Jsou to ramena na nichž působí síly vznikající v této části nosné plochy –  oblasti elevonů. Oproti letounům s ocasními plochami jsou u samokřídel tato ramena působících sil několika násobně  kratší a proto je ovládání v podélném směru u nich velmi citlivé.

V případě negativního (dopředného) šípu plochy je tato vzdálenost velmi malá a proto je výhodné opatřit takovéto stroje malými pomocnými ploškami (něco jako VOP s malou plochou), aby bylo snadnější udržovat stroj v optimálním rozmezí úhlů náběhu za letu.

Pro zopakování, těm co si to ještě nezapamatovali, uvádíme, že těžiště těchto létajících strojů jsou vzdáleny od náběžných hran středních aerodynamických tětiv méně než v 1/4 jejich hloubek. POZOR – nejedná se o hloubku ve středu křídla, jak se mnozí stále a znovu (ti noví) domnívají.

A ještě připomeneme, že pro samokřídla je výhodné (skoro nutné), aby klopivé momenty profilů jejich ploch vykazovaly hodnoty kolem nuly nebo mírně v kladných hodnotách. Platí se za to nižšími maximálně dosažitelnými součiniteli vztlaku.

A teď ještě využijeme několik obrázků k tomu, abychom poukázali na některé okolnosti provázející svět samokřídel.

Bude se to týkat nyní trochu více některých dřívějších konstrukcí skutečných letounů- samokřídel, mezi něž můžeme zahrnout i ty, které postavil například  legendární A.Lippisch a také samokřídel-modelů stejné koncepce. Ta je zachycena uprostřed předchozího obrázku.

Dejme tomu, že pro bezocasý stroj  použijeme profil uvedený v dalším obrázku.

Když přidáme, jak je to nyní rozšířeným zvykem (převzatým z doby před mnoha desetiletími) zejména u modelů letadel  k základnímu lichoběžníkovému tvaru nosné plochy okrajové klapky pro ovládání náklonu a klopení, tak vznikne profil z obrázku následujícího.

Pro posouzení  aerodynamických charakteristik obou profilů použijeme porovnání jejich polár v jednom diagramu. A také prohlédneme průběh klouzavostí a klopivých momentů v závislosti na úhlech náběhu. Zde je to jen pro „modelářské“ Reynoldsovo číslo,  což by snad nemuselo tolik vadit. Pro hodnoty větších Re čísel je to totiž obdobné.

 

 

Charakteristiky jsou pro oba profily s klapkami v nule (nevychýlené). Každý si jistě všimne, že se průběhy součinitelů vztlaku, odporu a klopivého momentu poněkud změnily. Nejzřetelnějí změna nastala u klopivých momentů.

A teď co se stane jestliže klapku, jíž má druhý profil vzniklý z prvního, vychýlíme?!

To je snad patrné z dalších dvou obrázků, kde  jsou aerodynamické charakteristiky okrajového profilu s klapkou se dvěma výchylkami (nahoru a dolu) ukázány. První je pro výchylku klapky pět stupňů dolu a druhá pro výchylku dvanáct stupňů nahoru. Dejme tomu, že to je diferencované vychýlení pro náklon. O tom jak to dopadlo s polárami, klouzavostmi a klopivými momenty uvádějí oba obrázky.

 

 

Porovnejte průběhy součinitelů odporu a vztlaku, jejich maximální a minimální hodnoty a klopivé momenty. Ty se liší zásadně. Ale v podstatě to není příliš odlišné od vychýlených samotných křidélek na jakékoliv nosné ploše. Může to však být nápovědou k tomu, že tak rozdílné hodnoty mohou nepříliš tuhá křídla v kroucení  potrápit.

Tak to byly létající stroje jejichž nosné plochy měly šíp – dozadu nebo dopředu.

A co když je nosná plocha opravdového samokřídla, které nemá ani trup ani ocasní plochy, bez šípu?!?!

Takovéto letouny jsou nazývány „létajícími prkny“ a je třeba k jejich navrhování a provozování přistupovat obezřetně a připravit se na neočekávaná překvapení. To však neznamená, že by nebyly schopny spolehlivého letu. Pokusíme se na to na dalších příkladech poukázat.

Tři příklady takových neuvěřitelných tvarů samokřídel jsou v dalším obrázku. Prsty v tom měl hlavně Paul Mc Cready, když po předchozích úspěších, o nichž jsme již psali dříve, začal pronikat do vyšších vrstev ovzduší s využitím sluneční energie a dosáhl letů trvajících několik dnů a výšek nad 20km s Centurionem a pak i s  Heliosem přes 29km. Odvážné konstrukce „létajících prken“, obrovských štíhlostí, jejichž horní strany nosných ploch byly zcela pokryty solárními články, se po proniknutí turbulentní vrstvy(několik stovek metrů) atmosféry pohybovaly jako obrovská štíhlá, do tvaru  „U“ prohnutá, „prkna“,  ve velkých výškách po dlouhé hodiny a dny.

Jejich konstrukce, jakkoliv dimenzované na násobky kolem 6 a při použití kompozitových technologií včetně kevlaru, byly však  jen omezeně odolné namáháním v krutu. To se stalo osudným Heliosu na Hawai před několika lety, když ho dost rychle rozlámala vertikální trubulence a důležitíé infomace o elektropohonu skončily hluboko v moři. Nepomohl k tomu ani 12%-ní  autostabilní profil M.Seliga.

A jak mohou nebo mohly vypdat jiná pravá ještě mohutnější samokřídla bez trupu a ocasních ploch je ukázáno v následujícím obrázku. Je to jedna z konstrukcí legendárního Jacka Northropa, čtyřmotorové celokovové samokřídlo o rozpětí 52m z roku 1946.

Použitý profil, souměrný robustní NACA 65-019 je společně s polárou pro Reynoldsovo číslo odpovídající cca rychlosti 200km/h v dalších dvou obrázcích. Prohlédněte legendu u předchozího obrázku, která napovídá o tom jak bylo samokřídlo řízeno. Pravověrní zastánci aerodynamiky si jistě povšimnou velmi maléhou, nejmenšího součinitele odporu, kterého je dosahováno na takovýchto profilech s maximální tloušťkou posunutou dále od náběžné hrany. Je k tomu však zapotřebí také dostatečně velkého Reynoldsova čísla.

  

V posledním obrázku je grafické znázornění průběhu klouzavostí a součinitele klopivého momentu v závisloti na úhlech náběhu. Ten měl nepříznivý průběh při vyšších úhlech náběhu. „XB – 35“ musel mít okraje křídla opatřeny automaticky stavitelným slotem, zřejmě kvůli „umravnění“ proudění při větších výchylkách klapek zajišťujících směr letu. Ale mohlo to být také z jiného důvodu.

Později byl tento letoun vybaven 4 proudovými motory pod označení „YB – 35“, ale byl po nedlouhé době zničen za letu vinou posádky.

Není vyloučeno, že by někteří naši příznivci mohli být trochu zklamáni obsahem tohoto článku a proto zařazujeme ještě několik podnětů pro ty, kdo by chtěli uplatnit svoje tvořivé vlohy tak, že by zhotovili nějaká samokřídla jako modely nebo UAV. Několik inspirací je v dalších obrázcích.

    

 

Nebyla to sice nijak zvlášť ucelená informace, ale  snad by to pro tentokrát o samokřídlech mohlo stačit.

Pokud ne, tak se k nim odjinud můžeme ještě někdy vrátit.

Protože samokřídla mají obvykle nosné plochy upraveny do šípu a na nich dochází k poněkud jiným stavům souvisejícím s rozložením vztlaku a tím pádem i odporu, takže například nevhodným tvarem křídla spojeným se špatně voleným geometrickým zkroucením a velikostí šípu a to všechno v závislosti na použitém profilu, může dojít ke značnému snížení aerodynamické účinnosti a zhoršení letových vlastností.

16.11.2011 © Jaroslav Lněnička

 


6 komentářů

  1. Zdravím,
    videl som súťaž voľných samokrídel v poľskom Krosne. Celkom sa pozdávali, až na tie výkony. Niekde som čítal, že samokrídla so záporným šípom môžu dosahovať výkony klasických modelov. No takýchto plánikov je malo. Musí byť použitý autostabilný profil? Tiež by ma zaujímalo prečo majú pri zápornom šípe na konci krídla tak veľký uhol nábehu. Je jedinou prekážkou stavby veľmi namáhané krídlo?

  2. Vážený pane Lněnička,
    Obracím se na Vás s problémem mého samokřídla. Při zvyšování rychlosti dochází k prudkému nárůstu tíživosti, které musím korigovat manuálně, jinak by došlo k „flutteru“ a rozlámání konstrukce, popř. střetu se zemí. Takové létání pochopitelně nepříjemné a nebezpečné… Poloha těžiště nemá na jev žádný vliv. Jediné, co mě napadá, je přetlačení elevonů vlivem narůstajících aerodynamických sil proti síle serv, pružností klapek a z toho plynoucí ztrátu autostability profilu. Můžete mi prosím poradit? Předem děkuji M.O.

Reagovat na článek

Archiv