Dušan Slavětínský: O letadlech
Konstrukce šípových křídel
Zpět     Konstrukce křídla


Konstrukce šípového křídla je obdobná jako u křídla přímého. Základní schéma konstrukce sestává z podélného systému, což jsou nosníky a podélníky a systému příčného, což jest soustava žeber a zesílených žeber. Elastická osa křídla sleduje směr podélného systému. Křídlo je ohýbáno ohybovým momentem působícím kolmo na podélný systém, velikost ohybového momentu tedy nezávisí na fyzickém rozpětí křídla, ale na délce jeho podélného systému. Podélný systém s úhlem šípu c má při polorozpětí l délku l/cosc. Zavádíme pojem konstrukční štíhlost šípového křídla, která je ve vztahu k štíhlosti aerodynamické lkonstr = l/cos2c. Z prodloužení podélného systému šípového křídla i ze zvýšení jeho konstrukční štíhlosti oproti křídlu přímému plyne, že šípová křídla obecně jsou těžší, než křídla přímá.


 
Z hlediska přenosu zatížení funguje šípové křídlo podobně jako křídlo přímé. Nové je u šípového křídla to, že přinejmenším u kořene křídla se výrazně mění směr prvků podélného systému, šikmý nosník křídla je připojen na přímý nosník centroplánu. V místech těchto zlomů už ohybový moment nezatěžuje pouze nosníky, případně podélníky, ale významně ovlivní i prvky systému příčného. Ta situace nastává:

 

Zcela pravidelně u  kořene křídla - ve zlomu mezi nosníkem šípového křídla a nosníkem centroplánu, který je kolmý na podélnou osu letounu. (Obr. 2).
Mění-li se sklon nosníku po rozpětí křídla, pak v místě této změny. (Obr. 3).

Rozklad ohybového momentu v místě změny směru nosníku křídla.


Místo v němž se nosník, případně podélník, lomí, musí být podepřeno zesíleným žebrem (úsečka DC z obr.2). Ohybový moment M0 přenášený nosníkem se pak v místě zlomu rozkládá do složky M0*cos c, která zatíží nosník centroplánu (úsečka D´D) a složky M0*sin c, která ohýbá žebro DC. Tato složka není nikterak zanedbatelná, při úhlu šípu 45° má hodnotu 0.707*M0 , téméř 3/4 max. ohybového momentu v místě zavěšení křídla. Budeme-li předpokládat, že v místech C a D je umístěn hlavní a pomocný závěs křídla, pak je složka momentu zatěžující žebro vyvážena reakcemi v těchto závěsech. Vyvažující reakce je pak nutno přičíst k zatížení závěsů od posouvajících sil.

Stejně jako u přímých křídel mohou být šípová křídla typu nosníkového, typu nosníkové poloskořepiny i  křídla skořepinová.

Prvky podélného systému jsou orientovány přibližně rovnoběžně se čtvrtinovou čarou, pro uspořádání příčného systému se použivají dvě alternativy:

Žebra jsou kladená rovnoběžně se směrem letu (obr. 1).


 
O této alternativě lze říci:
Je jednodušší vyšetření obrysů žeber - výhoda, která však je dnes již problematická. V současné době počítačového modelování geometrie povrchu křídla jsou již snadno vyšetřitelné i tvary žeber nerovnoběžných se směrem letu.
Díky úhlu, který svírají žebra s nosníky, jsou technologicky složitější uzly jejich vzájemného styku.
Dík kosodélníkovému tvaru polí potahu mezi nosníky a žebry a dík nepříznivému poměru délky a šířky těchto polí mívá potah při dané tloušťce nižší kritické napětí ve smyku. To v mezních případech může znamenat nutnost použití tlustšího potahu a tím větší hmotnost konstrukce.

Pokud se jedná o jednonosníkové křídlo, jehož nosník po rozpětí nemění směr, je přenos jednotlivých zatížení křídla zajištěn stejně jako u křídel přímých:

Ohybový moment přenáší nosník, přesněji řečeno jeho pásnice.
Posouvající síla je zachycena a přenesena stojinou nosníku
Kroutící moment je přenesen tuhým potahem a stojinami nosníků

Žebra jsou kladena šikmo přibližně kolmo na čtvrtinovou čaru (obr. 4).

Složitější vyšetření obrysů řezu křídlem. Jak by řečeno v přechozím odstavci, to však už dnes, dík počítačovému modelování geometrie, přestalo být problémem.
Uzly styku žeber s nosníky jsou konstrukčně i technologicky jednodušší.
Tvar polí potahu mezi žebry a mezi nosníky je příznivější, potah bude mít při dané tloušťce vyšší kritické napětí, což by mohlo v některých případech dovolit použití tenšího potahu.


 
Pro alternativu šikmo kladených žeber je přenos ohybového momentu a posouvající síly stejný jako u alternativy předcházející. Rozdíl je v přenosu kroutícího momentu.

Z obr. 4 a 5 je zřejmé, že z místa zadního závěsu křídla (bod C) vychází zesílené žebro CFB. Kroutící moment od konce křídla až po toto žebro je sveden do žebra podepřeného v závěsu C a bodě F, kde se žebro opírá o nosník. V těchto dvou závěsech vzniká dvojice RC a RF, která moment vyvažuje. Síla RF jako osamělá síla přitěžuje (nebo odlehčuje) nosník, síla RC zadní závěs křídla. Kroutící moment ze zbývající části křídla je sveden do zesíleného nosového žebra DE, které je vetknuto v bodě D. Kroutící moment je pak vyvážen dvojící sil horním a dolním závěsu předního nosníku.

Jednonosníkové křídlo s příčným nosníkem (obr. 6).


 
Šípové křídlo s příčným nosníkem je v jistém smyslu obdobou přímého křídla se vzpěrou. Podstatný rozdíl je v tom, že příčný nosník nevystupuje z teoretického obrysu křídla, je to tedy řešení aerodynamicky naprosto čisté.

Příčný nosník 3 je jediným prvkem, který přenáší ohybový moment z  křídla do centroplánu. Je spojen s centroplánem horním a dolním závěsem v uzlu 4. Bod 6 je místo, kde tento nosník podpírá hlavní nosník 1. Reakce, kterou na něj hlavní nosník působí, jej zatěžuje jako na jeho konci působící osamělá síla. Průběh ohybového momentu po příčném nosníku je znázorněn na obr. 6 dole.

Hlavní nosník je zavěšen na trup v uzlu 5 jediným závěsem, tedy kloubově. Ohybový moment v místě závěsu je proto nulový. Maximum ohybového momentu na hlavním nosníku je v podpěrném bodě 6. Toto maximum je podstatně nižší, než by bylo maximum na klasickém do trupu vetknutém nosníku, jak je z obr. 6 zřejmé.



 
Kroutící moment je zachycen na zesíleném žebru, které prochází podpěrným bodem 6. Toto žebro je podepřeno jednak v bodě 6 koncem příčného nosníku, jednak nepřímo, prostřednictvím pomocného zadního nosníku závěsným uzlem 4, do nějž je pomocný nosník zakotven.

Toto řešení je výhodné v první řadě pro úsporu hmotnosti. Odlehčení úseku hlavního nosníku mezi body 6 a 5 plus absence zesíleného kořenového žebra je výraznější, než přírustek hmoty příčného nosníku. Spojovací kování příčného nosníku je jednodušší, poněvadž přenášený ohybový moment leží ve stejné rovině. Výhodnost příčného nosníku se snižuje se zvětšujícím se úhlem šípu, pokud je zachována konstantní vzdálenost mezi body 4 a 5, tedy mezi hlavními závěsy a pomocným závěsem. Pokud ale zachováme dělící poměr celkové délky hlavního nosníku k délce podepřené časti (úsek 5 - 6), pak se výhodnost úpravy se zvětšujícím se úhlem šípu zvyšuje.

Druhá zásadní výhoda je právě okolnost, že není potřebné robustní okrajové žebro. Prostor kořene křídla je pak možné využít na př. pro zasunutí kola podvozku (obr. 9), případně pro umístění vstupních kanálů vzduchu do motoru.

Použití příčného nosníku je možné i v případě křídla s žebry rovnoběžnými se směrem letu (obr. 7).

Dvounosníkové křídlo.

Jako dvounosníková křídla chápeme křídla dle schémat obr. 1 a 4 v těch případech, kdy jejich zadní nosník je poměrně výrazný a je (v bodě C) k centroplánu připojen  nikoli otočně, jediným závěsem, ale závěsy, jak pro horní, tak i pro dolní pásnici. Pokud je to křídlo s žebry orientovanými ve směru letu (obr. 1), pak o něm lze říci v podstatě totéž, co již bylo řečeno o jednonosníkovém křídle tohoto typu, s tím, že u dvounosníkového křídla ohybové zatížení přenášejí oba nosníky a zatížení do nich je rozděleno v poměru jejich tuhostí.

Složitější situace je u křídel s žebry kolmými na podélný systém (obr. 4). Představme si, že se křídlo ohýbá podél elastické osy, která bývá nedaleko za předním nosníkem a bývá přibližně kolmá na rovinu žeber. Zesílené žebro CFB nám rozdělí křídlo na vnější a trojúhelníkovou vnitřní část. Zatímco zadní nosník končí na dělícím žebru a je vetknut do závěsového uzlu C, přední nosník pokračuje za dělícím žebrem a je vetknut až do závěsového uzlu D, je tedy zdanlivě delší a tedy poddajnější než kratší nosník zadní. Zatížení do obou nosníků  se rozdělí v poměru jejich tuhostí, ovšem nikoli tuhostí vypočtených z průřezů a materiálových charakteristik jejich pásnic, ale faktické tuhosti ovlivněné i jejich rozdílnou délkou. Je tedy nutné počítat s tím, že zadní nosník bude přenášet větší část zatížení, než odpovídá vypočtené tuhosti, bude přetěžován.

Nosníková poloskořepina a poloskořepina.


 
Na přenášení ohybového momentu se uplatní vedle pásnic nosníků i soustava podélníků, případně podélníky vyztužený potah. Proto musí být všechny tyto prvky připojeny k centroplánu takovým způsobem, aby byly schopny zatížení v nich působící zavést dále do centroplánové konstrukce. V místech kde se mění směr působícího zatížení je nutné posílit příčný systém, obvykle výrazně zesíleným žebrem tak, aby všechny složky zatížení byly spolehlivě rozvedeny do konstrukce.

Stejně jako u nosníkových křídel jsou používány obě varianty kladení žeber (obr. 8). A opět jako u nosníkových křídel se tyto dvě varianty liší v přenosu krouticího momentu. U varianty žeber rovnoběžných se směrem letu je Mk zachycen v rovině okrajového žebra (DC) a eliminován množinou reakci vzniklých ve spojích u všech spojených prvků, zatímco u varianty žeber kolmých na podélný systém je podstatná část Mk zachycena šikmým žebrem CFD a eliminována dvojicí v závěsu C a podpoře žebra nosníkem v bodě F, stejně jako u nosníkových křídel.

Šípové nosníkové poloskořepiny a skořepiny s žebry kolmými na podélný systém mají zadní část nosné skříně zatíženu více, než odpovídá její ohybové tuhosti. Vzhledem k tomu, že zadní část skříně mívá obvykle menší stavební výšku než má část s předním nosníkem, je tento typ konstrukce ve srovnání  jednonosníkovým křídlem nepříliš výhodný,  hmotnost poloskořepinového křídla může vyjít vyšší, než u křídla jednonosníkového.

Ukázky reálných konstrukcí.

Obr. 9  ukazuje část jednonosníkového křídla s žebry orientovanými ve směru letu, které je však doplněno zesíleným žebrem CDA pro zachycení a odvedení kroutícího momentu. Nosník tohoto křídla (na obraze prvek 2) je průběžný - obě křídla s nosníkem centroplánu tvoří jediný montážní celek. Zlom nosníku je realizován úhlovým kováním, které spojuje stojiny obou částí nosníku. Pásnice jsou spojeny přeplátovacím plechem, který, kromě toho, že spojuje obě pásnice nosníku, zapojuje do spojovacího uzlu i pásnice přední a zadní časti zesíleného žebra CDA. V kování uzlu 6 je otvor pro hlavní čep spojující křídlo s trupem.

 
Pomocné nosníky přední (prvek 1) a zadní (4) jsou ukončeny na zesíleném kořenovém žebru (5) kováními A a C, jejichž čepy rovněž připojují křídlo k trupu. Zásadní rozdíl mezi čepem v hlavním uzlu D a čepy na pomocných nosnících A a C je ten, že kompletní posouvající síla z celého křídla na trup může být přenesena jen v obou uzlech D. Čepy v uzlech A a C spojují křídlo s trupem kloubově, nemohou tudíž přenést z křídla na trup ani ohybový moment, ani posouvající sílu. (Přenášejí pouze reakce od kroutícího momentu, boční síly na křídlo působící, síly od ohybu křídla ve vodorovné rovině a pod.).


Na obr. 10 je vykresleno křídlo s příčným nosníkem a žebry orientovanými kolmo na podélný systém, které poměrně přesně odpovídá  schematu rozebranému výše (obr. 6). Ohybový moment i posouvající síla je z křídla do centroplánu zaváděna výhradně hlavními závěsy 12 na příčném nosníku. Třetí závěs křídla (10) na hlavním nosníku  je kloubový, přenáší reakce od kroutícího momentu, boční síly, síly od ohybu křídla ve vodorovné rovině.

 
Pomocný závěs v uzlu II, v němž je křídlo spojeno s trupem dvěma svorníky, může sloužit k zachycení sil působících na křídlo ve směru letu (za letu síly od odporu, zpětné rázy od případných zbraní, při přistání setrvačné síly při brzdění). Za pozornost stojí skutečnost, že kořenové žebro nejen, že zde není zesíleno, ale naopak je extrémně zeslabeno. Nabízí se otázka, jestli prostřednictvím zmíněného pomocného závěsu 11 neposkytuje trup oporu kořenové části křídla a tímto závěsem neposkytuje dostatečnou tuhost kořenové partii křídla.


Na obr 11. je ukázka dvounosníkového poloskořepinového křídla, jehož střední dutina (mezi nosníky) je vyztužena soustavou podélníků a jejíž vyztužený potah se podílí spolu s nosníky na přenosu ohybového momentu. Z obrázku je zřejmé, že spojení pásnic obou nosníků zajišťuje vždy čtveřice tahových svorníků, po dvou na horní i dolní pásnici.

Horní  i dolní pásnici zesíleného kořenového žebra tvoří přírubové kování, do nějž jsou zakotveny podélníky i ohybově nosný potah. Zatížení z podélníku a vyztuženého potahu se přenáší do centroplánu soustavou tahových svorníků po horním i dolním obvodu nosné dutiny.

 


Zpět     Konstrukce křídla
Poslední aktualizace 25.4.2010 23:24:01