Jdi na obsah Jdi na menu
 


Návrh větroně A2

1. 12. 2014

Tento text pochází z pera pana Ivana Hořejšího , který v kategorii větroňů A2 patřil k těm nejlepším.

I když tento článek pojednává o návrhu větroně kategorie A2- tedy volný let , jsou v něm některé pasáže a zkušenosti, které se dají docela dobře využít i u RC větroňů. Mnozí z nás dříve narozených, kteří začínali právě s „ volňásky„ mi jistě dají zapravdu.

 

Před návrhem nového modelu si musíme především ujasnit  k jakému účelu jej chceme používat a tudíž jaké požadavky budeme na něj klást. Větroně A2 můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin :

 1, Modely pro běžné taktické létání

 2, Modely které mají maximální výkon za optimálních podmínek … to je v klidném ovzduší

Budeme se zabývat jen modely podle bodu 1 – tedy pro běžné taktické létání.   Zkonstruovat , postavit a zalétat  model podle bodu 2 je velmi tvrdý oříšek i pro zkušené modeláře  a podmínkou úspěchu jsou  bohaté zkušenosti , znalosti a praxe.

Jistě se dá postavit model , který bude mít menší klesavost než  je obvyklé. Tento požadavek  menší klesavosti  si však vynutí takovou konstrukci  modelu , která je pro běžné  létání na soutěži nevhodná.  Takový model je využitelný jen  ve velmi klidném ovzduší , které je málokdy. Je však třeba vědět , že takto navržený model může příležitostně  rozhodnout  celou soutěž v případě , že dojde k rozlétávání  za večerního počasí a nebo v klidu   v prvních kolech soutěže  začínající brzy po ránu.

Důležitým požadavkem kladeným na model  jakékoli kategorie  je schopnost stabilního letu. Ta je dokonce ještě důležitější než snaha  o co největší výkon.  Bez dostatečné zásoby stability totiž model nemůže  své letové vlastnosti plně využít. Model musí být schopný stabilního kroužení  a musí si  rychle a účinně stabilizovat  houpání. K tomu je zapotřebí aby měl dobrou stranovou stabilitu.  Dobrý model by se měl také vyznačovat  jistou necitlivostí  vůči seřízení i vůči zacházení. Například  velmi malé pokroucení křídla by nemělo mít rozhodující vliv na letové vlastnosti modelu.

Křídlo : Obecné úvahy -  z čistě aerodynamického hlediska ( nepřihlížíme li k vlivu Re čísla) je nejvhodnější křídlo s co největší štíhlostí , neboť se zvětšující se štíhlostí  klesá indukovaný odpor. Se zvětšováním rozpětí  ( za předpokladu  zachování stálé plochy křídla  a tedy při zmenšování hloubky ) se však projevují  následující nepříznivé skutečnosti :

1, pro větší rozpětí by křídlo mělo být ohybově tužší, aby nevzrůstala celková deformace.

Následkem zmenšování hloubky křídla však ohybová tuhost naopak klesá.

2, totéž platí i o tuhosti v kroucení , která je ještě důležitější , neboť na ní záleží jak si křídlo zachová  úhly náběhu.

3, Při stejném relativním kroucení ( to je zkroucení na jednotku  délky )  je celkové zkroucení na větším rozpětí větší ( je míněno zkroucení od namáhání aerodynamickými silami )

4, Stejné zkroucení na větším rozpětí má větší vliv

5 zmenšování hloubky křídla má za následek  pokles Reynoldsova čísla a tím i kvality  obtékání křídla ( zde může v některých případech pomoci turbulátor )

6, obtížnost stavby značně vzrůstá a stoupají i nároky na  čistotu provedení.

Všechny tyto vlivy omezují rozpětí křídla u větroně A2 u ideálního modelu se za horní mez dá považovat hodnota asi 2400 mm. U modelů pro taktické létání je tato hodnota v rozmezí 2000 až 2100 mm. Takovéto křídlo ještě dobře vyhovuje požadavkům běžného soutěžního provozu.

Půdorysný tvar  křídla : Aerodynamickým požadavkům ( opět bez přihlédnutí k vlivu Re čísla )nejlépe vyhovuje křídlo eliptického tvaru.  ( obr. 1a) toto křídlo má nejvýhodnější rozložení vztlaku  po rozpětí . Jeho nevýhodou je to , že je výrobně  velmi náročné  a z toho důvodu se v praxi používají  přímkami ohraničené půdorysné tvary, u kterých se rozložení  vztlaku více , či méně blíží ideálu ( obr. 1b až 1d).  Dvojnásobný lichoběžník (1d) je vhodný i z pevnostního hlediska, neboť v ohybově nejvíce namáhané části  křídla – u trupu -  je hloubka tedy i tloušťka největší. Z tohoto hlediska je nejméně vhodné křídlo obdélníkového  půdorysného tvaru ( 1c) . Je však stavebně velmi jednoduché  a navíc zaručuje stejné Re číslo po celém rozpětí  a tím i stejnou kvalitu obtékání.  Zakončení křídla má také určitý vliv na  jeho aerodynamické vlastnosti.  Jeho význam stoupá se zmenšováním štíhlosti. Největší péče by měla být věnována zakončení obdélníkového křídla , které by mělo mít alespoň okrajový oblouk . Moderní , ale pracné jsou špičky Hoerner  ( obr.2 ) Otázka vhodnosti tohoto  či onoho druhu  zakončení  je složitá – je potřeba  posuzovat případ od případu a usuzovat  zda bude zisk větší , než ztráta.

Profil křídla  Podle empirického srovnání profilů které podnikly kanadští modeláři se zdá být nejvhodnějším profilem pro větroň A2  takový , který má prohnutí střední čáry 8% ve 45% hloubky  a je co nejtenčí. Takový profil by měl podávat maximální výkon v klidném ovzduší. Těmto geometrickým požadavkům  dobře vyhovují například profily THOMANN F4  nebo kanadský GF 6 . Tyto profily však budou za běžných podmínek  to je v turbulentním ovzduší podávat  nanejvýš průměrné výkony a navíc nezajistí potřebnou podélnou stabilitu při běžné mohutnosti VOP. Pro malou tloušťku profilu nebude křídlo ani dostatečně tuhé.

Pro taktické létání jsou proto vhodné profily  méně prohnuté a s větší hloubkou- Typické jsou tyto : B6356b, B7457d/2, B 6456f, Lindner apod. Většina ostatních tak zvaných vlastních profilů jsou jen různé úpravy výše zmíněných profilů.

Za povšimnutí stojí ještě profil  CH 407, který používá americký modelář  H. Cole. Profil má značně tupou náběžnou hranu  a má prý velmi dobré vlastnosti. Citované profily jsou na obrázku 3 a jejich souřadnice v tabulce 1.

Turbulátor : Podle zkušeností se dá turbulátorem  dost zlepšit a málo zkazit. Jeho úkolem je zmenšovat  kritické Re číslo tak, že posouvá bod přechodu  laminárního proudění do turbulentního  směrem k náběžné hraně. Takto uměle vyvolané  turbulentní proudění  je pak stabilnější a méně náchylné k odtržení. Bod odtržení se posune směrem k odtokové hraně.

Různých typů turbulátorů je celá řada , používají se však téměř výhradně  tři druhy:

1, Turbulentní vlákno ( nit, silon, guma ) před náběžnou hranou ( obr 3a )

2, Turbulentní  vlákno ( nit, lišta ) přilepené na náběžné hraně ( obr 3b )

3,Cik- cak  turbulátor , vytvořený obvyklým překrytím dvou balsových potahů , přičemž do horního jsou vyřezané zuby ( obr 3c)

Účinnost turbulátoru se obvykle zkouší tak , že se model seřídí na přímý let , turbulátor se upevní na jednu polovinu křídla  a sleduje se zda model zatáčí na opačnou stranu. Tato metoda však není zcela věrohodná , skutečně účinný turbulátor posouvá bod odtržení  a tím i výslednou aerodynamickou sílu směrem k odtokové hraně , čímž dělá model těžký na hlavu. Je li  turbulátor jen  na jedné polovině křídla , nemůžeme spolehlivě  určit , proč vlastně model někam  zatáčí. Na polovině křídla s turbulátorem stoupne vztlak, ale současně může stoupnout i odpor. Mimo to by každá půlka křídla chtěla letět s jiným úhlem náběhu.

Lepší metoda se zdá být taková , že připevníme turbulátor na obě poloviny křídla a měříme dobu letu z plné šňůry ( samozřejmě bez vlivu termiky ). Zhoršil li se dosažený čas oproti původnímu ( a zrychlil li  model ) je turbulátor zřejmě účinný. Podložením odtokové části VOP se model zpomalí a výkon opět zlepší. Pokud by turbulátor neměl  vůbec vliv na výkon modelu, stále je tu pravděpodobnost , že zlepší alespoň stabilitu letu tím , že rozšíří pracovní  rozsah úhlů náběhu profilu.

Vzepětí křídla

V poslední době se téměř výhradně používá  dvojité vzepětí a to buď do U , nebo dvakrát do V . Zdá se , že výhodnější je vzepětí „uší“ s téměř rovnými  vnitřními částmi, než opačně. Při délce ucha 400 mm by měl být úhel jeho vzepětí 18 stupňů s prodlužováním ucha tento úhel klesá ( Saper 13) a naopak ( Fit ). Menší úhel se dá sotva dohnat větším vzepětím  středu ( stejný úhel vzepětí je tím účinnější čím více je vzdálen od podélné osy )

Dále musí vzepětí  harmonovat s bočním tvarem  modelu ( viz dále ) Větroně A2 s dlouhou částí trupu před křídlem , jako se dělaly před lety, vystačili s menším vzepětím křídla než dnešní  zejména „ beznosé „ modely.

Příliš velké vzepětí se projevuje přestabilizováním  to je  kýváním modelu  kolem podélné osy. Malé vzepětí má za následek  pomalou stabilizaci po náklonu  ať již je vyvolán  například nárazem větru při kroužení , nebo třeba „ vystřelením“ při startu. Je ovšem potřeba vědět , že vzepětí  není zdaleka jediný  faktor , který má na toto vliv.

Zkroucení křídla

Účelem zkroucení křídla je zlepšit jednak výkon, jednak stabilitu modelu. Zejména na stabilitu má zkroucení  téměř rozhodující vliv.

Zkroucení uší

Uši musí být vždy zkrouceny do tak zvaných negativů, to je tak , že směrem ke konci  křídla se jejich  úhel nastavení zmenšuje. Tím se zlepšuje průběh vztlaku  a zmenšuje indukovaný odpor  konců křídla. Zároveň se ale  zlepšuje  podélná stabilita , neboť  při mírném přetažení , kdy na většině  křídla již dochází k odtržení  proudění , tak na uších s negativy  (které mají menší úhel nastavení  než ostatní část křídla), se proudění ještě udrží a zabrání tak ostrému propadnutí modelu.  Pro let v zatáčce je vhodné udělat negativy shodné na obou polovinách  křídla, popřípadě na vnějším uchu ( myšleno vzhledem k zatáčce ) poněkud větší.  Pak se proudění na tomto uchu udrží ještě o něco déle než na vnitřním  a tím  má model  tendenci  stáčet se do této zatáčky. Pokud by negativy byly opačně – to je větší na vnitřním uchu – má model snahu vypadávat  ze zatáčky , což je zcela nevhodné.

Příliš malý negativ na vnitřním uchu způsobuje  houpání „po uchu „  model se téměř zastavuje a propadá po vnitřním křídle. Schopnost odolávat tomuto houpání  je tedy určující pro velikost  vnitřního negativu. Vnější negativ je pak stejný , nebo o něco větší. Velikost negativů závisí hlavně na profilu křídla : některý vyžaduje větší zkrocení , jiný vystačí s menším.

Zkroucení vnitřní části křídla

Až na vyjímky se  dnes používá zkroucení pro tak zvanou organickou zatáčku to je vnější střed  je rovný , vnitřní má mírný pozitiv. Tento pozitiv způsobuje plochou zatáčku a to i na dosti malém průměru. Zatáčka je totiž způsobena pouze větším odporem  vnitřního středu křídla.Pozitiv dělá navíc jakousi zpětnou vazbu. Při nuceném zrachlení ( např. při střemhlavém letu při houpání, nebo při zrychlení po uvolnění z vlečné šňůry )  vzroste na křídle s pozitivem prudce vztlak a ten nedovolí , aby model přešel do sestupné spirály.

Nadměrně velký pozitiv však způsobuje i příliš velký nárůst vztlaku, který může model přetáhnout až do opačné zatáčky.  Houpání se pak značně prodlužuje a často se nevyrovná vůbec.  To je známý případ modelů které jinak dobře létají , avšak hrubé rozhoupání nedokážou srovnat. Podobné houpání mohou vyvolat i přehozené negativy (  medel se na vrcholcích hupů stáčí ze zatáčky ven ) někdy jsou příčinou také nevhodně rozložené boční plochy.

Měření zkroucení :

Nejznámější způsob jímž však zkroucen spíše porovnáme , než změříme , je určování zkroucení pohledem na křídlo zezadu přes odtokovou hranu. Přesto že tak nelze  získat přesné hodnoty , je tento způsob  vhodný pro vytvoření názoru. Nehodí se také propříliš prohnutá křídla. 

Následující způsob se zdá být lepší: křídlo položíme na stůl na podložky tak , aby měřená část  křídla ( to je střed , nebo ucho )  ležela vodorovně.  Na konec této části položíme napříč dvě rovné lišty o rozměrech přibližně 5x5x500 mm. Pohledem z boku lze pak s dostaečnou přesností odhadnout míru ( viz obr 5 ) , která představuje zkroucení. Pokud si ještě budeme tyto míry zaznamenávat, pak lze jednak dobře sledovat vliv zkroucení na vlastnosti modelu a jednak snadno odhalíme , proč model třeba přestal dobře létat. Je ovšem třeba také kontrolovat  zda jsou obě poloviny křídla stejně ustaveny  již v centroplánu. Křídlo můžeme nakrucovat  nad teplem ( ne nad plamenem ). Tato práce vyžaduje  hodně trpělivosti a stálou kontrolu, protože plochy mají tendenci  se vracet do původní polohy.

Vodorovná ocasní plocha

Vodorovná ocasní plocha ( VOP )  se podílí daleko více na odporu modelu , než na jeho vztlaku. Z hlediska aerodynamiky by tedy měla být co nejmenší. To je však zase v rozporu s požadavkem stability. U modelů do klidu se tedy snažíme mít VOP co nejmenší a požadovanou mohutnost dosahujeme  větší plošnou délkou. Se čtvercem  délky trupu  však stoupají setrvačné síly  a ty pak omezují obratnost modelu. Proto se malá VOP hodí skutečně jen pro modely do klidu.  Mívá plochu asi 4 dm čtvereční  vzdálenost mezi odtokovou hranou křídla  a náběžnou hranou VOP bývá asi 700 – 800 mm . Pro modely pro taktické létání je obvyklá velikost asi 4,5 dm čtverečních , vzdálenost mezi odtokovou hranou křídla  a náběžnou hranou VOP asi 600- 700 mm. Půdorysný tvar VOP je většinou obdélník.

Profil vodorovné ocasní plochy

Pokud se držíme  rozumných , obvykle používaných profilů , nemůžeme  mnoho pokazit. Za obvyklý považujeme profil s rovnou spodní stranou , nebo jen málo klenutý. Kdyby byl profil VOP prohnutější  než profil křídla , pak při nuceném zrychlení ( například při  houpání , nebo v siné termice) by narostl vztlak na VOP více než na křídle , model by se choval jako těžký na hlavu , popřípadě by přešel až do sestupné  spirály.

Trup a svislá ocasní plocha

Trup v poslední době degradoval většinou jen na spojovací část ostatních  komponent modelu. Jeho boční tvar ve spojení se svislou ocasní plochou má však na stabilitu dost značný vliv.

Rozebereme li si let modelu v zatáčce ( pro jednoduchost zcela nezborceného)  vychýlíme směrovku například doprava . Co se stane ?  Vlivem aerodynamické síly F na směrovce  ( viz obrázek 6 )  se model natočí kolem svislé osy . Pokud by křídlo nemělo vzepětí , model by setrval v letu  původním směrem, ale v pootočené poloze ( viz obr 6b ). U modelu s vzepětím je to však jinak ( podívejme se na takto letící model zepředu – viz obr 7 , kde letí jakoby kolmo z papíru ven )  Je vidět, že levá půlka křídla má větší úhel nastavení  a pravá menší. Různě velký vztlak na obou půlkách křídla  naklání model do zatáčky a  ten změní směr letu. Z předchozího plynou dva důležité závěry :

1, Model musí mít vzepětí aby byl schopen změnit směr letu. Čím větší vzepětí má , tím se živěji otáčí ( To platí i pro RC modely )

2, model letí v zatáčce osou trupu vždy  mírně šikmo ke směru letu  - je ve výkluzu.  Z toho plyne , že boční plocha za působištěm bočních ploch  , to je zejména SOP  způsobuje srovnání zatáčky  a naopak   Boční plocha před ním ( předek trupu, vzepětí )  stáčí model do zatáčky. Působiště bočních ploch bývá těsně za odtokovou hranou křídla. Toto určení pro naše účely stačí, protože se snažíme jenom vytvořit si názor  na vliv jednotlivých bočních ploch  na let.

Čím tedy více posouváme působiště bočních ploch dozadu ( zvětšováním SOP ,  zmenšováním plochy trupu před ním ,  zmenšováním vzepětí křídla) tím více také porostou síly  tlačící model do zatáčky. To se opět projeví zejména špatnou stabilizací ostrého houpání ( velká SOP ) K tomu pak přispívá i pozitiv na vnitřním křídle.

Rozložení bočních ploch má také značný vliv na stabilitu  v zatáčkách. Sám jsem měl dlouho potíže s tím , že mi modely dělali skluzovou zatáčku po větru. Pak jsem si všiml modelů , které měly  větší plochu trupu před křídlem  a létaly zatáčky velmi stabilně. Zkoušel jsem tedy zvětšovat plochu trupu  před křídlem a výsledek se skutečně dostavil. Podobný účinek pak mělo i malé zmenšení plochy SOP.

Tento jev lze si vyložit takto :  za klidu létá model po kružnici. Ve větru se tato kružnice deformuje do křivky, které se říká cykloida ( viz obr 7a ) U modelu s ideálně rozloženými bočními plochami  je osa trupu  v podstatě totožná s tečnou k této křivce ( 8a ). Model , který má působiště bočních ploch příliš vzadu ( to je malou plochu trupu před křídlem, nebo velkou SOP ) se však natáčí proti větru ( obr 8b ) Stočení po větru , ke kterému nakonec dojde  je  však příliš rychlé  a jeho  výsledkem je sklouznutí po křídle.

Poloha těžiště  

Uvažujeme li dokonale rovný a nepokroucený model , seřízený na rovný let, pak posouváním těžiště vpřed ( současně se zvětšováním úhlu seřízení )nezlepšuje stabilizace houpání , posouváním těžiště vzad ( při zmenšování úhlu seřízení )  se naopak  zhoršuje až do pádu  střemhlav , který není model schopen vyrovnat.

Z hlediska maximálního výkonu by bylo nejlepší  těžiště co nejdále vzadu ( běžná poloha těžiště  je 50 až 60 % hloubky křídla ) / jedná se o modely A2 které mají značné prohnutí profilu křídla /

Poloha těžiště má pro stabilizaci  houpání značný význam,  v praxi  obyčejně ne však rozhodující, protože  těžiště bývá  obyčejně v rozumných mezích. Houpe li model až do země , pak na tom nemá  zásluhu jen poloha těžiště , ale nevhodně pokroucené křídlo ( obvyklá chyba začátečníků )  nebo špatné rozložení bočních ploch. Pokud je však model tvarově vyřešen v rozumných mezích , pak alespoň podle mých zkušeností  stačí k ovládnutí stability  na šňůře  pouhá změna polohy vlečného háčku. Jsem přesvědčen , že vlečný háček musí být posuvný , když obvykle stačí jen v malém rozmezí. Vhodná počáteční poloha  háčku pro model A2 je asi 15 mm před těžištěm. Jeho přesnou polohu určíme až při záletu. Je li háček příliš vpředu je model při vleku přestabilizován a letí ve vlnovce . Naopak je li háček příliš vzadu  model se neochotně vrací do přímého směru po náhodném vybočení. Je proto nutné najít vhodný kompromis.

Stabilita letu s vyklopenou VOP

Ani tento režim letu se nedá odbýt mávnutím ruky. Nestabilita zde může způsobit vážné poškození modelu a tím i jeho vyřazení ze soutěže. Nikdy jsem však neměl potíže tohoto druhu  a mohu se k tomuto problému těžko vyjádřit.  Vodorovná ocasní plocha se nesmí  po vyklopení kymácet na trupu. Úhel vyklopení dělám 45 stupňů  pravděpodobně stačí vyzkoušet právě jen vhodný úhel vychýlení VOP.