Jdi na obsah Jdi na menu
 


Zakončení křídel letounů

5. 4. 2015

Ukončení křídel letounů

Křídlo , tedy nosná plocha je nejdůležitější  částí  převážné většiny  létajících strojů.  Volba tvaru křídel a také jejich profilů   prošla v historii letectví dlouhým vývojem. Nejprve  se používaly  prohnuté ptačí profily , později různé tlustší  tvary   turbulentních profilů až po  laminární profily soudobých větroňů.   S ohledem na rychlost  letu, manévrovací schopnosti a také  určení letounu  se volí půdorysný tvar křídla. S ohledem  na provozní rychlosti   se používá šípovitost  ( kladná nebo záporná ) , nebo křídla bez šípu.

Negativní stránky omezeného rozpětí křídla.

Konečnost rozpětí je právě tou okolností, která poškozuje  aerodynamické  kvality křídla. Při vytváření vztlaku je trojrozměrné křídlo  méně účinné , než profil , který je dvojrozměrný  a dá se tudíž modelovat křídlem o nekonečném rozpětí.   Zásluhou konečného  rozpětí  vzniká  na jeho konci indukovaný aerodynamický odpor.

Důvody nárůstu odporu u konečného křídla:

Důsledkem vyrovnávání  tlakových rozdílů na horní a spodní straně křídla je vznik okrajových vírů  na koncích nosné plochy. Tyto víry vytvářejí indukovanou rychlost proudění na křídle, která v každém místě  křídla mění obtékání  jednotlivých profilů  tím , že nabíhající  proud odchyluje směrem dolů – to je , že snižuje  úhel náběhu profilu.  Z toho plyne , že nově směrovanému vektoru rychlosti  příslušejí změněné vektory  vztlaku a odporu.  Tento odpor je charakterizovaný  součinitelem odporu  Cx a  je převažující složkou v odporu křídla Cxk, zvláště pak při velkých úhlech náběhu. Úsilím všech  leteckých konstruktérů je  tyto záporné jevy  co možná nejvíce ponížit.  Možností  jak toho dosáhnout je  použití křídla o větší štíhlosti.  Avšak z konstrukčních, pevnostních  i jiných důvodů  převažuje snaha  toto zvyšování štíhlosti obelstít vhodným zakončením křídla

Klasické prostředky – koncová vřetena

Docílení co nejmenších indukovaných odporů se konstruktéři snaží  vyřešit  vhodným  zakončením  konců křídel od různě ladných oblouků a polokapkovitých  konců křídel až po kolmo useknutá  zakončení.  Hlavním cílem při přidávání jakéhokoli tělesa na konce křídla je omezit  vyrovnávání tlaků nad a pod nosnou plochou.  Tím by se měly odstranit , nebo zmírnit účinky okrajových vírů.  Následné zmenšení odporu se vyjadřuje  zvýšením efektivní štíhosti  křídla – což  znamená , že nové křídlo  není geometricky štíhlejší , ale má snížený odpor vůči původnímu křídlu.vreteno.jpg

Praktickým příkladem klasicky zakončeného křídla  jsou v prvé řadě jednoduché  rovné koncové desky. Jsou to svislé desky  přidané ke koncovému profilu, nepatrně větších rozměrů než  vlastní profil křídla.  Jsou jakýmsi prvním krůčkem k vlastnostem křídla nekonečného rozpětí  - tedy profilu jak je znám z měření v aerodynamickém tunelu.

Daleko širší praktický význam  má však změna desky na těleso proudnicového  tvaru , které lze využít například  jako palivovou nádrž.

Koncové těleso  , ať už deska , či vřeteno,  má vedle zmiňovaného účinku  na efektivní štíhlost  i další přednosti :

1, umožňuje zvýšit hodnotu efektivního vzepětí  křídla   umístěním  středu tělesa nad základní rovinu křídla 

2, Z hlediska čeního odporu je koncové těleso používané jako nádrž  výhodnější pro svou menší čelní plochu  oproti přídavné nádrži umístěné na pylonu pod křídlem.

3, Zvyšuje účinnost křidélek.

4, Vlivem zvětšeného momentu setrvačnosti  ( ponejvíce u plné nádrže )  kolem podélném osy  x  se zvětší poměr Ix/Iy a tím dochází k rovnoměrnějšímu otáčení ve vývrtce a ke zlepšení některých  charakteristik dynamické stability.

Nevýhody koncových vřeten

1, Zvětšené momenty setrvačnosti  zmenšují příčnou obratnost – letoun se pomaleji dostává na hodnotu maximální úhlové rychlosti kolem podélné osy ( tyto negativa jsou částčně vyváženy  zvýšenou účinností křidélek )

2, Zvětšený součinitel odporu při malých hodnotách  vztlaku  z toho plynoucí  snížení maximální rychlosti   oproti  čistému křídlu ( viz poláry na obr .3 )

3, Může dojít ke snížení kritické rychlosti Flutteru.

Rozšířené používání koncových nádrží  je důkazem  o jejich dostatečném přínosu.  Představují výhodnou možnost zvýšení palivové kapacity  letounu a jsou příznivé z hlediska  zatížení křídla za letu.  Při dodržování  jemného tvarování přechodu  ke křídlu  jsou úspěšně používány i u rychlejších  letadel. 

Moderní prostředky – zahnutí konců křídel

V poslední době lze pozorovat na některých typech  ( zejména větroňů )  zakončení křídel jakousi zahnutou plochou  většinou směrem dolů.  Význam těchto zakřivených konců  je opět ve snížení indukovaného odporu.  Zabraňují   tvorbě okrajového víru, způsobují jeho rozptýlení a tudíž zeslabení jeho ůčinku.  Často se toto tvarování   používá u větroňů,  zde je zdůvodněno  i ochranou křídla před poškozením při přistání. V některých případech je toto zahnutí směren dolů využito k montáži pomocného kolečka z tvrdé umělé hmoty do  tohoto zakončení křídla.

Koncové plochy winglets

Toto zakončení nosných ploch bylo  navrženo známým výzkumným pracovníkem  NASA  dr. R. Whitcombem v angličtině pojmenované a také v odborných kruzích  známé pod názvem winglets.  Winglets se sestávají ze dvou koncových desek. Menší přední vybíhá z konce křídla směrem dolů, větší pak směrem vzhůru. Obě desky jsou vychýleny o malý úhel směrem ven od svislice.  Tyto plochy jsou nesymetricky tvarovány  ( profilovány ) a to ve stejném  smyslu, který odpovídá profilu křídla při jejich pomyslném sklopení do roviny křídla.  Velká plocha  má délku asi 14 %  a malá asi 3 %  - vztaženo k polovině  rozpětí křídla. Výpočty a tunelovým měřením je navrženo i vhodné zakřivení střední čáry  jejich profilu a zkroucení.

Takto ukončené křídlo  způsobuje snížení indukovaného odporu tím , že rozšiřuje jeho průměr a snižuje rychlost rotace okrajového víru.  Obtékáním koncových ploch vzniká  také i tahová složka  obr  Vznik této dopředné síly je přirovnáván  k analogické reakci při plachtění jachty proti větru.  Složka rychlosti proudu usměrněná koncovým vírem  má tak výhodnou velikost a orientaci, že aerodynamická  výslednice vztlakové  a odporové složky  R na koncové ploše dodá po rozkladu do směru x , y  kladnou složku ve směru letu x.

Efektivní štíhlost křídla se zvyšuje o tolik , o kolilk by byla větší  při přidání delší plochy k rozpětí. Koncové plochy typu winglets  mají tu velkou přednost , že příliš nezvyšují ohybový moment  v kořenové partii křídla, což představuje možnou úsporu na hmotnosti konstrukce.

Z  výsledků  rozborů a zkoušek s křídlem opatřeným dvojicí koncových ploch vyplývá , že jednoduché klasické křídlo o stejném indukovaném odporu jako křídlo s koncovými plochami musí mít o 8 % větší plochu a o 8,5 % větší rozpětí .  Znamená to tedy , že křídlo opatřené koncovými plochami winglets  je menší a lehčí.