Dušan Slavětínský: O letadlech
Aeroelastické jevy
Zpět     Stavba letadel

Křídla, ocasní plochy, řidící plochy i jiné časti letounu nejsou absolutně tuhá tělesa. Jsou-li zatíženy, pružně se deformují, mohou se ohýbat, mohou se kroutit. Jsou-li zatěžovány působením aerodynamických sil, mění deformace konstrukčního celku charakter jeho obtékání a tím zpětně ovlivňují velikost sil, které deformaci konstrukce vyvolávají. Reakcí na vnější deformující síly jsou vnitřní síly (elastické síly) v konstrukci, kterými se konstrukční celek deformaci brání.

Takové vzájemné působení aerodynamických a elastických sil je normální, pokud jsou tyto síly ve stabilní rovnováze a velikost pružné deformace odpovídá předpokladům konstruktéra. Podmínkou pro zachování tohoto bezpečného stavu je dostatečná tuhost příslušného konstrukčního celku a nepřekročení aerodynamického zatížení, pro něž je letoun navržen. Pokud však je tuhost konstrukce nepřiměřené malá nebo zatížení aerodynamickými silami příliš veliké, projeví se nebezpečně některý z tzv. aeroelastických jevů.



Divergence křídla (ocasních ploch)

Divergence patří ke statickým aeroelastickým jevům. Rozvinutí divergující deformace je naznačeno na obr. 1. Křídlo je ofoukáváno pod úhlem náběhu a  a obtékaná plocha generuje vztlak L jehož působiště je přibližně v aerodynamickém středu


příslušného profilu. (Se zvětšujícím se úhlem náběhu se působiště vztlaku posouvá směrem k náběžné hraně). Pokud AS neleží na elastické ose (většinou leží před EO), vztlaková síla L působící na rameni x zkrucuje křídlo momentem Mk. Toto zkroucení má však za následek opět zvětšení úhlu náběhu, tím se zvětší i vztlak, vzroste také kroutící moment a následně dále i úhel zkroucení křídla. Pokud je křídlo dostatečně tuhé, stačí vnitřní síly v konstrukci křídla k tomu, aby kroutící moment Mk bezpečně eliminovaly a zastavily další zkrucování ve stabilní rovnováze. Pokud však bude dále vzrůstat aerodynamické zatížení, např. výrazným zvýšováním rychlosti letu, vyčerpají zvětšující se reakční elastické síly únostnost konstrukce a dojde k destrukci, k ukroucení přetíženého křídla. Rychlost, při které k tomu dojde označujeme jako kritickou rychlost divergence.

Z předchozího popisu je zřejmé, že zvyšováním tuhosti konstrukce křídla nastoupení divergence pouze oddálíme (zvýšíme kritickou rychlost divergence), ale nedovedeme ji zabránit. Úlohou konstruktéra je navrhnout křídlo tuhé tak, aby kritická rychlost divergence (i ostatní aeroelastické kritické rychlosti) byly bezpečně výšší, než je navržená nepřekročitelná rychlost letounu. Podle většiny předpisů pro stavbu letadel je nutné tuto skutečnost letovými zkouškami prokázat. U letounů známých z historie se ví, že chorobou divergence trpělo např. křídlo stíhacího jednoplošníku Fokker E III. 



Reverze křidélek

Mezi statické aeroelastické jevy patří i "reverze křidélek", jejích obrácené působení. Křidélka jsou  umístěna na odtokové hraně na konci křídla, mají funkci kormidel příčného řízení. Při řízení se vychyluje křidelko na jednom křídle nahoru, na opačném dolů. Při normální funkci křídélko vychýlené nahoru generuje sílu, která tlačí křídlo dolů, výchylka křidélka dolů naopak druhé křídlo zvedá, letoun se otáčí okolo podélné osy.



Poněvadž síla R1 od nahoru vychýleného křidélka působí blízko odtokové hrany křídla, způsobuje vedle hlavního účinku - poklesu křídla a rotace letounu - i druhotné zkrucování křídla, tlačí odtokovou hranu dolů a momentem Mk kroutí křídlo okolo EO. Na takto zkrouceném křídle, vlivem zvětšeného úhlu náběhu, vzniká aerodynamická síla R2 působící směrem nahoru. Tato síla působí proti síle R1 a zmenšuje její klonivý účinek. Snižování klonivého momentu od křidélka při vzrůstající rychlosti se stupňuje až k situaci, kdy síly R1 a R2 jsou v silové rovnováze, klonivý moment od křidélka je nulový a jediný účinek vychýlenoho křidélka je zkroucení křídla. Rychlost při které k tomu dojde označujeme jako kritickou rychlost reverze. Při dalším zvyšování rychlosti letu už síla R2 převyšuje sílu R1 a účinek křidélek změní smysl, letoun kloní oproti záměru pilota na opačnou stranu. U křidélka vychýleného dolů jsou všechny popsané děje opačné. I u tohoto křidélka dojde k tomu, že síla vyvolaná zkroucením působí proti původní řidicí síle od křidélka.

I v tomto případě platí, že má-li letadlo získat osvědčení o způsobilosti k provozu, je nutné zkouškami prokázat, že k úplné reverzi nedojde při rychlosti nižší, než je návrhová nepřekročitelná rychlost.



Flutter

Flutter je dynamický aeroelastický jev. Na rozdíl od předchozích dvou jevů se na jeho vzniku nepodílí pouze aerodynamické a elastické síly, ale velmi významný podíl mají i síly setrvačné.




Flutter je samobuzené kmitání např. soustavy křídlo/křidélko, ocasní plocha/kormidlo, ohybově-torzní kmitání křídla nebo ocasních ploch. Některé typy flutteru jsou naznačeny na obr. 3.

U statických aeroelastických jevů bylo zásadní obranou proti nim zvýšení tuhosti konstrukce. U dynamických jevů je situace podstatně složitější, příčin vzniku a rozvoje kmitání je daleko více. Vedle tuhosti konstrukce je důležitým parametrem hustota konstrukce křídla a její rozložení.  Ta má vliv na vlastní frekvenci konstrukce, která naznačuje míru nebezpečí, že se kmitající konstrukce rozkmitá v rezonanci. Rozložení hustoty má zase vliv na to, jak se křídlo při kmitání deformuje, jestli aerodynamické síly generované vlivem deformace jsou tlumící a kmitaní brzdí, nebo je naopak budí,  podporují a rozvíjejí. Např. jestli se při ohybově-kroutivém kmitání křídla kroutí křídlo tak, že náběžná hrana má menší rozkmit než odtoková, úhel náběhu se při výkmitu v absolutních hodnotách zmenšuje a změny aerodynamických sil tím vyvolané mají charakter tlumící, působí proti směru kmitavého pohybu.  Naopak zvětšuje-li se při výkmitu úhel náběhu, aerodynamické síly mají charakter budící. Je tedy zřejmé, že v ideálním případě by těžištní osa křídla měla ležet před osou elastickou. Poněvadž však je tento ideální případ spíše vyjímečný, je žádoucí, aby těžištní osa alespoň ležela co nejvíce vpředu.



Šípové křídlo na obr. 4 má, dík příznivému zkrucování při ohybu, tendenci kmitaní tlumit. Zde je tlumící efekt dán ani ne tak rozložením hmot, jako charakterem ohybu šípového křídla (viz obr. 4). Křídlo se záporným šípem, naopak, tendenci ke kmitání podporuje.

Vážným problémem, který může přispět k rozvoji flutteru jsou hmotově nevyvážené řidicí plochy, obzvláště křidélka. Proto je žádoucí, přesto, že úplné hmotové vyvážení kormidel je velmi náročné na zvyšování hmotnosti, tato kormidla vyvážit alespoň částečně.

Dalším nebezpečím podporujícím vznik flutteru, jsou vůle v ovládání kormidel, které dovolí při zcela zablokované řidící páce i třeba jen velmi malé vychýlení kormidla. K tomu je potřeba říci, že takový ovládací systém, v němž vůle vůbec nejsou, není možný. Je však třeba důsledně dbát na to, aby vůle na novém letounu byly nejmenší možné a v průběhu provozu je nutné důsledně kontrolovat, aby se nepřípustně nezvětšovaly opotřebením.

Zpět     Stavba letadel
Stránka není dosud dokončena, je ve vývoji. Poslední aktualizace 25.4.2010 23:30:49