Dušan Slavětínský: O letadlech
Půdorysný tvar křídla
Zpět     Koncepce letadel

Půdorysný tvar křídla významně ovlivňuje širokou škálu vlastností celého letounu. Nyní nemám na mysli jen případnou šípovitost křídla. Vlastnosti šípových křídel a jejich konstrukční zvláštnosti jsou podrobněji rozebrány na jiném místě. Zde si porovnáme přímá křídla různých tvarů z hlediska aerodynamického, konkrátně dopad na výkony letounu a také dopad na letové vlastnosti, dále porovnáme hmotnost křídel různých půdorysných tvarů a konečně posoudíme technologickou náročnost výroby jednotlivých tvarů. Abychom mohli srovnávat, přepokládejme, že všechna tvarem se lišící křídla ponesou letoun o stejné vzletové hmotnosti, mají stejnou nosnou plochu a mají stejnou štíhlost.


Obdélníkové křídlo



Vlastnosti obdélníkového křídla:

Obdélníkové křídlo má příznivé letové vlastnosti. Odtržení proudu, ke kterému dojde po dosažení kritického úhlu náběhu při přetažení letounu, nastává nejdříve u kořene křídla v oblasti trupu. (Obr.1) Konce křídel jsou i v tomto režimu ješte stále plnohodnotně obtékány a letoun je stále příčně ovladatelný křidélky. Víry odtrženého proudu u kořene křídla zasahují vodorovnou ocasní plochu a rozechvívají výškové kormidlo. U malých letadel s přímým řízením toto chvění cítí pilot na řidicí páce jako "varování" před blížícím se pádem, jako signál, aby neprodleně snížil úhel náběhu. Teprve při dalším zvyšování úhlu náběhu se oblast odtržení šíří až ke koncům křídel a dochází k pádu. 
Vzhledem k výše popsanému chování nebývá nutno provádět aerodynamické úpravy křídla pro zlepšení pádových vlastností jako je geometrické nebo aerodynamické křížení (kroucení) křídla. Obdélníková křídla nebo obdélníkové úseky kombinovaných křídel nebývají kříženy.
Indukovaný odpor obdélníkového křídla je ze všech půdorysných tvarů nejvyšší. Letoun s obdélníkovým křídlem bude mít oproti ostatním při zachování všech ostatních podmínek nejnižší výkony.
Poněvadž tlouštka obdélníkového křídla a tím i výška jeho nosníku je na  konci křídla stejná jako u jeho kořene, je materiál nosníku vnější poloviny křídla velmi špatně využit z hlediska jeho pevnosti. Proto je samonosné obdélníkové křídlo při zachování potřebné pevnosti těžší než křídla jiných půdorysných tvarů.
Protože po délce křídla se nemění tvar jeho profilu ani jeho hloubka i proto, že křídlo nebývá nutné kroutit, velmi se zjednoduší jeho geometrie. To usnadní vyšetřování tvarů žeber i jiných tvarových dílců a následně umožní použít jednodušších výrobních pomůcek a přípravků pro jeho stavbu. Takové křídlo je technologicky jednodušší a tím i levnější, než křídla ostatních půdorysných tvarů.



Z výše popsaných vlastností nám vyplývá, že obdélníkové křídlo je výhodné u těch letadel, kde klademe nejvyšší důraz na letové vlastnosti a na pořizovací cenu, méně nám záleží na výkonech letounu a jeho provozních nákladech. Hodí se pro školní letadla a letadla, od nichž požadujeme co nejnižší nároky na techniku pilotáže.


Lichoběžníkové křídlo



Lichoběžníkové křídlo je jeden z nejrozšířenějších půdorysných tvarů. Jeho vlastnosti:

Rozložení vztlaku po lichoběžníkovém křídle je z hlediska jeho pádových vlastností méně příznivé než u křídla obdélníkového. Odtržení proudu při přetažení začíná v oblasti křidélek v blízkosti konce křídla. V důsledku toho přestávají křídélka při přetažení, v blízkosti kritického úhlu náběhu správně fungovat, letoun přestává být příčně ovladatelný. Bezprostředně před vlastním pádem dochází ke stavu, že vychýlíme-li křídelko dolů, abychom zvýšili vztlak a zvedli křídlo nahoru, dojde v oblasti dolu vychýleného křidélka k úplnému odtržení proudu a následnému  přepadnutí na opačnou stranu, než měl být původně zamýšlený klonivý pohyb. (Obr. 2). Kořen křídla v blízkosti trupu je stále obtékán plnohodnotně, "varování" v podobě chvění výškového kormidla se neprojeví. Poněvadž šíření odtržení není na obou křídlech vždy zcela souměrné dochází obvykle při dalším přetažení k hlubokému pádu na stranu křídla, kde se odtržení rozšířilo rychleji.
Výše popsané pádové vlastnosti jsou u moderního letounu nepřijatelné, letoun by byl, zvlášť pro méně zkušeného pilota nebezpečný. Pro zlepšení tohoto stavu se u většiny lichoběžníkových křídel provadí buď geometrické nebo aerodynamické křížení, velmi často se využívá kombinace obou. Jiné opatření pro zlepšení pádových vlastností je instalace odtrhovacích lišt nebo jiných podobných prostředků na náběžnou hranu u kořene křídla. Ty vyvolají umělé a předčasné odtržení proudu u kořene, způsobí rozechvění výškovky a "varování" letounu a zmírní tendenci k hlubokým pádům po křídle.
Indukovaný odpor lichoběžníkového křídla je podstatně nižší, než u křídla obdélníkového, ale je vyšší, než u křídla eliptického. Lichoběžníkové křídlo je proto z hlediska letových výkonů velmi dobře přijatelnou alternativou.
Tlouštka lichoběžníkového křídla a jeho nosníku je u kořene největší, ke konci křídla se zmenšuje. Takový průběh výšky nosníku je v souladu průběhem zatížení křídla, material je z hlediska pevnosti využit mnohem lépe než u křídla obdélníkového. Lichoběžníková křídlo jsou proto mnohem lehčí než křídla obdélníková.
Geometrie lichoběžníkového křídla ve srovnání s obdélníkem je složitější a pracnější pro konstrukční práce i pro vlastní výrobu křídla, není však natolik složitá, aby vážně mluvila proti použití lichoběžníku. Geometrie lichoběžníkových křídel je relativně lehce zpracovatelná i tradičními nekomputerizovanými konstrukčními i výrobními postupy.





Eliptické křídlo



Eliptická křídla jsou velmi působivá esteticky.Patří mezi nejlíbivější půdorysné tvary. Přesto jsou používány dosti zřídka. Jejich jsou vlastnosti takové:

Rozložení vztlaku po nezkrouceném eliptickém křídle je zcela rovnoměrné, nedochází k jeho přerozdělení po rozpětí jako u předchozích typu křídel. Tento jev je pozitivní v tom smyslu, že eliptické křídlo má ze všech existujících alternativ nejmenší indukovaný odpor, letoun s takovým křídlem za jinak stejných podmínek dosahuje lepších výkonů, než letouny s jinými půdorysnými tvary. Zvláště ve "zlaté době letectví" v třicátých létech minulého století bylo eliptické křídlo velmi často používáno při stavbě závodních a rekordních speciálů, ale není neobvyklé ani u jiných letounů, kde záleží na co největší výkonnosti.
Špatná zpráva je, že rovnoměrné rozložení vztlaku dává křídlu nejhorší pádové vlastnosti ze všech možných alternativ. K odtržení proudu při přetažení dochází po dosažení kritického úhlu náběhu náhle, bez varování a prakticky najednou po celém rozpětí křídel. (Obr. 3). To znamená, že i pády přicházejí náhle, rozvíjejí se velmi rychle, jsou velmi hluboké a často nesouměrné. Z dnešního pohledu jsou takové pádové vlastnosti nepřípustné a aerodynamiku eliptických křídel je nutné korigovat aerodynamickým nebo geometrickým křížením. Pádové vlastnosti kříženého křídla jsou již přijatelné, ale daň za toto zlepšení je zvětšení indukovaného odporu - tedy snížení výkonů. 
Průběh výšky nosníku eliptického křídla je, podobně jako u lichoběžníkového, v souladu se zatížením po rozpětí křídla. Eliptické křídlo je z hlediska hmotnosti lepší než obdélníkové a je srovnatelné s křídlem lichoběžníkovým.
V době předpočítačových technologií bývalo zpracování geometrie eliptického křídla oproti práci s jinými tvary křídel mnohem složitější a pracnější. Projevovalo se to obzvlášť ve fázi konstrukčního vyšetřování samotného tvaru křídla a ve fázi navrhování jeho konstrukčních dílců, sestavovacích přípravků i jiných výrobních pomůcek. Tyto složitosti se promítaly do výrobních nákladů, které byly u těchto křídel podstatně vyšší, než u křídel jiných půdorysů. Tento problém se však značně zmírnil zavedením počítačového modelování geometrie a využitím číslicově řízených obráběcích strojů při jejich výrobě. Komputerizované technologie návrhového i výrobního procesu zásadní rozdíly pracnosti plynoucí z různé geometrie křídla zcela vymazala.





Kombinace uvedených tvarů



Výše popsané základní půdorysné tvary je možné nejrůznějšími způsoby kombinovat a mezi existujícími letadly skutečně najdeme řadu rozmanitých kombinací. Důvody pro volbu takových kombinací bývají také velmi různé.

Kombinace "obdélníková střední část křídla a lichoběžník na koncích" zvlášť u velmi šíhlých křídel dává rozložení vztlaku blížící se rozložení eliptickému, které pak vykazuje velmi malý indukovaný odpor. Odtrhávací vlastnosti takového křídla jsou sice horší, než u křídel obdélníkových, ale bývají lepší, než u křídel čistě lichoběžníkových. Velmi často taková křídla nalézáme u vysokovýkonných kluzáků, u nichž je aerodynamická účinnost křídla požadavkem číslo jedna. Významného zlepšení odtrhávacích vlastností bývá dosaženo, je-li zúžená část křídla aerodynamicky, nebo geometricky křížena. (Obdélníková část kroucena nebývá).

Z hlediska hmotnosti bývá takové křídlo horší než čistý lichoběžník a to tím více, čím je delší jeho obdélníková část a čím je kratší část lichoběžníková. To ovšem platí hlavně u samonosných křídel. Vyobrazený hornoplošník Lysander ukazuje účelně navržené vzpěrové křídlo, úsilující o významnou úsporu hmotnosti. Křídlo je nejtlustší v místě maximálního ohybového momentu, což je místo, kde je podepřeno vzpěrou. Ohybový moment klesá od tohoto místa nejen ke konci křídla, ale i směrem k trupu, v místě zavěšení na trup je jeho ohybové zatížení nulové. Křídlo má proto v místě zavěšení na trup menší relativní tloušťku profilu, ale i menší hloubku, je to vlastně nikoli obdélník, ale také lichoběžník rozšiřující se od trupu směrem ke vzpěře, kde je křídlo nejširší. Ke konci křídla jeho hloubka opět klesá.



Rozšíření lichoběžníkového (někdy i obdélníkového) křídla u jeho kořene se někdy používá v situaci, kdy potřebujeme zvětšít vnitřní prostory křídla v tomto místě. (Zvětšit tloušťku křídla a vytvořit prostor pro úplné zasunutí podvozku, zvětšít prostor v kořeni náběžné hrany pro uložení dostatečně veliké palivové nádrže a pod.). V některých případech má rozšíření kořene křídla aerodynamickou funkci, používá se ke korekci pádových vlastností letounu.



Kombinace obdélníkového centroplánu a eliptických konců křídel má obdobné aerodynamické vlastnosti jako již popsaná kombinace obdélníku a lichoběžníku. Je ovšem složitější a dražší a používala se zřídka, dnes se téměř nepoužívá.



Trojúhelníkové křídlo




Trojúhelníková křídla jsou v podstatě křídla šípová s velmi malou štíhlostí a extrémním zúžením.

Základní užitečnou vlastností trojúhelníkového křídla jsou mnohem lepší
aerodynamické charakteristiky v transsonické oblasti (oblast rychlosti zvuku). Oproti křídlům přímým mají vyšší kritické Machovo číslo, dokonce v tomto směru překonávají i křídla šípová. Oproti křídlům přímým i šípovým mají v oblasti malých úhlů náběhu menší součinitel odporu, umožní dosažení vyšších ryachlostí.

Podrobnější rozbor vlastností trojúhelníkových křídel je uveden zde.



Gotické křídlo




Gotické křídlo je alternativa trojúhelníkového křídla vyvinutá specificky pro návrh dvou paralelně vyvíjených nadzvukových dopravních letounů z přelomu šedesátých a sedmdesátých let min. století, britsko-francouzského
Aerospatiale/ British Aerospace Concorde a sovětského TU-144. Záměrem autorů tvaru tohoto křídla bylo, ve srovnání s klasickým trojúhelníkem, dosažení ještě nižšího odporu při nadzvukových rychlostech a současně co nejlepších letových vlastností při rychlostech malých. Právě kombinace dlouhého náběhu náběžné hrany, spolu s volbou profilu křídla a zkroucení křídla, přispívá při větších úhlech náběhu ke vzniku intenzivního náběžného víru, jehož vírové pole vyvolává přídavný vztlak a zlepšuje pádové vlastnosti křídla.

Křídlo obdobného tvaru je použito i na raketoplánech NASA/Rockwell Shutle Space. Tam je maximalně snížený odpor užitečný nikoli pro zlepšení výkonů, nýbrž pro relativní zmírnění aerodynamického ohřevu při vstupu kosmického kluzáku do atmosféry.


Zpět     Koncepce letadel
Poslední aktualizace 25.4.2010 23:23:51