Dušan Slavětínský: O letadlech
Samonosná nosníková křídla
Zpět     Nosníková křídla

Předchozí část: Nosníková křídla.

 
Úvod

Samonosné křídlo je takové, které nemá žádná vnější vyztužení. Vnějšímu aerodynamickému i setrvačnému zatížení, které na křídlo působí, odporují pouze vnitřní síly v jeho nosné konstrukci. V předešlé části jsme naznačili, že ohybový moment Mx ohýbající křídlo kolmo k jeho rovině a vertikální síly Tz zachycuje nosník (nebo nosníky), zatímco kroutící moment My (v kapitole "Nosníková křídla" označovaný Mk) přenáší tuhý potah křídla. Zde je na místě zmínit se i o dalších zatíženích na křídlo působících, o nichž jsme doposud nemluvili. V první řadě jsou to aerodynamické i setrvačné síly Tx působící v rovině křídla. Patří k nim aerodynamický odpor, hmotné síly při vodorovném zrychlení (rychlý rozjezd, prudké brždění) a u malých letadel v neposlední řadě i síly při pozemní manipulaci s letounem (tlačení za křídla, případně i vlečení za konce křídel). Působiště těchto sil leží v převážné většině mimo závěsné uzly křídla, v nichž pak vznikají rovnovážné reakce. Nesouosost sil a jejich reakcí pak vyvolávají ohybový moment Mz v rovině křídla . (Viz "Konstrukce křídla / obr. 1" ). Aby byl výčet sil úplný, připomenu ještě boční síly Ty, převážně setrvačného charakteru, působící na křídlo při rotaci letounu kolem svislé nebo podélné osy, případně při přistání s vybočením. Způsob, jakým jsou jednotlivé typy zatížení ošetřeny je u různých typů konstrukcí různý a bude zmíněn vždy při popisu jednotlivých typů konstrukcí.

Samonosná křídla jsou vždy hmotnější než křídla vyztužená, bývají však aerodynamicky mnohem čistější. Poněvadž zisk ze snížení škodlivých odporů samonosného křídla významně převažuje ztrátu ze zvýšené hmotnosti konstrukce, je u převážné většiny dnešních letadel konstruováno křídlo jako samonosné.

Dělení křídla po rozpětí:


Křídlo může být navrženo jako nedělené po celém rozpětí (obr. 1a). Pak jsou průběžné i jeho nosníky a ohybové zatížení  křídla se vůbec nepřenáší do trupu. Spojovacím kováním do trupu se přenáší pouze posouvající síla. Takové křídlo je oproti ostatním typům výhodné pro nižší hmotnost, jeho kování pro připojení k trup je totiž jednodušší a lehčí. Používá se u malých letadel, pokud ovšem není dělení křídel výslovně požadováno pro jejich snadnou demontáž a hangárovaní a jejich transport  v demontovaném stavu. Často se používá i u letadel střední velikosti, u nichž se demontáže křídla mimo výrobní nebo opravárenský závod nepředpokládají vůbec. (Např. LET L410 má průběžné křídlo o rozpětí 19 m, LET L610 - 25 m). 

Dělené nosníkové křídlo (obr.1b) je vetknuto do trupu tak, že je připojeno na horní i dolní pásnici každého nosníku, který přenáší ohybový moment. Ohybové zatížení vetknutého křídla se ovšem do trupu přenáší, nosníky křídla jsou zavěšeny na nosníky centroplánu v trupu, což je v podstatě pokračování přerušeného nosníku křídla uvnitř trupu. Kování spojující pásnice jsou podstatně robustnější, než kování průběžného křídla, poněvadž síly v pásnicích jsou 7 ÷ 12 větší, než je přenášená posouvající síla. (Poměr těchto sil se zvyšuje se zvětšující se štíhlostí křídla a zmenšující se tloušťkou profilu.)

Často bývá křídlo ze specifických důvodů děleno na více částí. Velmi rozšířené je křídlo trojdílné (obr. 1c). U malých letadel bývá často střední část - centroplán - zastavěn do trupu jako jeho integrální součást. Je to výhodné z hlediska hmotnosti. Odpadnou závěsy zavěšení křídla na trup a závěsy pro připojení křídla k centroplánu jsou dík posunutí spoje dále od kořene křídla subtilnější, ohybový moment v místě spoje klesá se čtvercem vzdálenosti od kořene křídla. Ovšem trup s integrovaným centroplánem většího rozpětí je mnohem méně skladný a obtížněji se v demontovaném stavu transportuje.


Jednonosníkové samonosné křídlo

Jednonosníková křídla jsou z hlediska hmotnosti ze všech typů nosníkových křídel nejvýhodnější. Pouze jediný nosník je totiž možné umístit do místa největší tloušťky profilu, a pouze toto umístění umožňuje optimální využití mechanických vlastnosti materiálu pásnic nosníku a dosažení  nejvyšší možné efektivní výšky nosníku. Nevýhodou nosníku v této poloze však je rozbití vnitřního prostoru křídla a komplikace při jeho využívání pro umístění např. většího množství paliva nebo prostoru pro zasouvnání  podvozku, prostoru pro zástavbu zbraňových systémů či zástavby jiných technologických zařízení.



Jednonosníkové křídlo může být provedeno jako jednodutinové, což je schéma znázorněné na str. "Nosníková křídla /obr.3". Náběžná část má tuhý potah a tvoří torsní skříň, zatímco křídlo za nosníkem bývá potaženo plátnem.

Tento typ křídla, v dřívějších dobách rozšířený zejména u malých sportovních letounů v dnešní době dosti ustupuje do pozadí. Do této skupiny patří mj. dřevěné křídlo cvičné dvojsedadlovky Zlín Z-381 nebo otrokovického kluzáku Zlín Z-124 Galánka z r. 1949. (Obr. 2).

Jak bylo řečeno výše, hlavní nosník křídla je připojen k trupu dvěma závěsy, jeden na horní a jeden na dolní pásnici. Tyto závěsy spolehlivě přenesou ohybový moment Mx i posouvající sílu Tz. K zachycení dalších zatížení, jmenovitě krouticího momentu My a ohybového momentu v rovině křídla Mz  je vždy potřebný ještě nejméně jeden další závěs. (Obr.3).


Z obrázku je zřejmé, že každý ze závěsů v nejjednodušším provedení, kdy oko závěsu má ve vidlici protikusu oboustrannou vůli (obr.4.), je způsobilý přenést pouze síly ve směrech kolmých na spojovací čep. (Podrobnější rozbor návrhu spojovacích kování a orientace spojovacích čepů při návrhu zavěšení křídla bude uveden na str. "Konstrukce závěsových kování").

Třetí závěs může být umístěn před hlavními závěsy v blízkosti náběžné hrany křídla a zatížení z něj je do konstrukce zavedeno zesílenou podélnou výztuhou, případně předním pomocným nosníkem. Stejně často bývá třetí závěs umístěn v zadní části křídla, na pomocném zadním nosníku, který bývá současně využit i jako podpora závěsů křidélka a vztlakových klapek. U kluzáku  Z-124 z obr. 2 je třetí závěs umístěn na konci pomocného šikmého nosníku.



Křídlo je pokládáno za jednonosníkové i tehdy, má-li vedle hlavního nosníku i nosník pomocný připojený k trupu (nebo centroplánu) kloubově, tak jak naznačuje schéma na obr. 3. Kloubové spojení nosníků nepřenáší žádný ohybový moment, celkový ohybový moment na křídlo působící je tedy přenesen pouze závěsy hlavního nosníku. Nulový moment je ovšem jen v místě samotného závěsu pomocného nosníku. Po průběhu rozpětí přenášejí ohyb oba nosníky tak, že v dostatečné vzdálenosti od roviny závěšení křídla se rozdělí celkový moment mezi oba nosníky v poměru jejich ohybových tuhostí. I když pásnice kloubově připojených nosníků bývají navrženy jako velmi slabé a ohybová tuhost takových nosníků je malá, přece jen se přenosu ohybového momentu svým dílem zúčastňují. Jak vypadají průběhy ohybových momentů po rozpětí i v blízkosti závěsů je znázorněno na obr. 5.


Na tomto obrázku je znázorněno křídlo s hlavním a pomocným nosníkem a s torzní skříní vytvořenou tuhým potahem prostoru mezi nosníky a stojinami obou nosníků. Šedé křivky nad oběma nosníky ukazují průběhy ohybových momentů rozdělených do obou nosníků v poměru jejích tuhostí, tak jak by vypadaly, kdyby oba nosníky byly zavěšeny dvojící závěsů. Takové křídlo bychom pokládali za dvojnosníkové. Pokud je ovšem pomocný nosník zavěšen jen jedním závěsem dochází k deformaci obou rozložení, která je znázorněna modrými křivkami. Zhruba ze vzdálenosti měřené od kořene křídla, která je přibližně rovná rozteči nosníků u kořene začína klesat moment na pomocném nosníku až do nulové hodnoty v místě závěsu. Tento moment se samozřejmě z celkové bilance zatížení neztrácí a musí být nahrazen přírůstkem zatížení na hlavním nosníku.

U letounů jejichž jediná torzní skříň je dutina vytvořená náběžným potahem a stojinou předního nosníku bývá částo potah v náběžné hraně vyztužen lištou, která spolu se silně zakřiveným potahem má funkci pásnice při zachycování ohybu v rovině křídla (Obr. 6). Druhou pásnici pro tento ohyb pak tvoří přední nosník a horní i dolní potah náběžné hrany má funkci zakřivené stojiny - přenáší posouvající sílu Tx v rovině křídla.



Tříbodové zavěšení křídla je staticky určité, což nabízí možnost velmi jednoduché početní analýzy zatížení závěsů. Rovněž jednoduché může být i konstrukční a technologické řešení závěsových uzlů. Vážnou nevýhodou ovšem je, že právě díky statické určitosti závěsového systému dojde při poruše kteréhokoli z trojice závěsů k úplnému zhroucení zavěšení křídla, což obvykle vede ke katastrofickým důsledkům.



Jednonosníkové křídlo dvojdutinové je modernější alternativa ke křídlům jednodutinovým. Je to křídlo s hlavním nosníkem a pomocným nosníkem tříbodově zavěšené. Od náběžné hrany až po zadní nosník je potaženo tuhým potahem. (Obr.7).  Příkladem kovového křídla obdobného typu je např. kluzák  L-13 Blaník, příkladem dřěvěné konstrukce je kluzák  LF-107 Luňák. Oba letouny mají nosný potah celého křídla, jednu dutinu před hlavním nosníkem, druhou mezi nosníky. Křídla jsou zavěšena na trup tříbodově. Drobný rozdíl obou letounů je v umístění pomocného závěsu, u L-13 na zesíleném podélníku v náběžné hraně, u LF-107 na zadním nosníku.



Jinou ukázkou dvoudutinového jednonosníkového křídla s tříbodovým zavěšením může být např. křídlo stíhacího letounu Messerschmidt Bf-109. Celistvost jeho přední dutiny je narušena velikým výřezem v potahu pro zasunutí podvozkového kola a nohy podvozku. Kroutící moment v této oblasti křídla je tedy přenášen převážně zadní dutinou. Hlavní nosník s hlavními závěsy je umístěn v 45%  hloubky křídla, závěs na pomocném nosníku je před hlavním nosníkem, zhruba ve 20% hloubky, při dolním obrysu křídla .

Jiným příkladem může být vnější křídlo zemědělského letounu Z-37 Turbo (obr.8), s hlavním nosníkem ve 20% a pomocným v 65% hloubky. Zadní závěs je umístěn při horním obrysu křídla. I toto křídlo je na dolní straně opatřeno velikým odnímatelným víkem mezi nosníky (na obrázku není znázorněno) pro případnou montáž dodatečné palivové nádrže. Tento otvor je však v provozu uzavřen smykovým víkem, takže zatížení od kroucení křídla je přenášeno plnohodnotně, jako by výřez v potahu nebyl.

 Méně obvyklé je jednonosníkové křídlo bezdutinové s trubkovým nosníkem. (Obr.9). Trubkový nosník je způsobilý přenést všechna zatížení na křídlo působící, včetně kroucení a zatížení v rovině křídla. Vystačí tedy s nenosným potahem. Nosník bývá kovový, ale v poslední době velmi často také z kompozitních materiálů. Ukázka křídla na obr. 9 je Beech 77 Skipper, jehož zvlášností je vedle trubkového nosníku, že jeho celokovové křídlo je spojováno lepením.



Jinou neobvyklou konstrukcí křídla je konstrukce geodetická, kde podstatná část ohybového momentu Mx a posouvající síla Tz  je přenášena nosníkem nebo nosníky, zatímco krouticí moment a moment v rovině křídla je přenášen dvěma soustavami úhlopříčných výztuh, vedených po teoretickém povrchu křídla.  Obě úhlopříčné soustavy svírají s osou křídla úhel 45° ,  jsou tedy vzájemně kolmé. (Obr. 10). Nejsou podpírány ani žebry, ani podélnými výztuhami (s výjimkou nosníků). V místě křížení jsou propojeny, vzájemně se podpírají a spolu s nosníky vytvářejí uzavřenou klec. Tato klec je potažena nenosným plátěným potahem. Poněvadž při zatížení kroucením se tažená i tlačená úhlopříčná soustava vzájemně podpírá, mohou být průřezy výztuh poměrně malé a soustava jako celek vychází lehčí, než tuhý potah stejné pevnosti vyztužený žebry a podélníky. Výhodou tohoto typu konstrukce je i snazší využívání vnitřních prostorů v křídla (např. pro nádrže paliva), poněvadž prostory nejsou rozbity žebry a jinými vnitřními prvky konstrukce. Výraznou nevýhodou je ovšem značně vysoká pracnost jak konstrukční, tak i výrobní.

Autorem tohoto typu konstrukce byl Barnes N. Wallis, legendární konstruktér společnosti Vickers-Armstrong Ltd., který ji uplatnil poprvé r. 1935 velmi úspěšně u bombardéru Vickers Wellesley a později (r. 1936) u slavného bombardéru Vickers Wellington. Na obr. 10 je jednonosníkové vnější křídlo Wellingtonu s prostředním nosníkem hlavním a dvěma nosníky pomocnými (všechny jsou příhradové konstrukce). Náběžná hrana křídla je nenosná odklápěcí.




Dvou nebo vícenosníkové křídlo

Dvounosníkové  a vícenosníkové konstrukce se používají u více zatížených a nepříliš tlustých křídel, kdy pásnice jediného nosníku by byly neúnosně robustní. Veliký průřez pásnic by vedl k dalšímu snižování efektivní výšky nosníku a tím i ke zhoršení využití materiálu pásnic a k následnému zvýšení hmotnosti konstrukce.


Jiným důvodem k použití jmenovitě dvounosníkových křídel může být potřeba využít oblast největší tloušťky křídla k zástavbě konstrukčních prvků, které do jiných prostorů v křídle buď  nevejdou nebo je z funkčních důvodů nelze umístit jinam. (Zástavba zbraňových systémů, prostor pro zasouvání kola podvozku ap.). Pak bývá přední nosník umístěn blíž k náběžné hraně, tak aby byl mezi nosníky vytvořen potřebný prostor.

Předpokladem k tomu, aby všechny nosníky plnohodnotně po celé délce přenášely ohybový moment je, aby byly vetknuty do konstrukce, nikoli pouze připojeny kloubově  jediným závěsem. Musí tedy být upevněny závěsem jak na horní, tak i na dolní pásnici. Celkové ohybové zatížení působící na vícenosníkové křídlo se pak mezi jednotlivé nosníky rozdělí přímo úměrně tuhostem těchto nosníků.



Schéma na obr. 11 znázorňuje dvounosníkové, jednodutinové křídlo. Dutinu k přenosu krutového zatížení tvoří prostor mezi oběma nosníky, potažený tuhým potahem. Rozšířenější typ je dvounosníkové dvoudutinové křídlo, kdy jsou tuhým potahem potaženy jak prostor mezi nosníky, tak i náběžná hrana křídla. Na obr. 12 je kresleno schéma třínosníkového třídutinového křídla.

Vícenosníková křídla s tuhým potahem jsou způsobilá plnohodnotně přenést i ohybové zatížení v rovině křídla. Např. u křídla z obr. 11 si můžeme představit, že soustava obou nosníků spolu s tuhým potahem skříně tvoří vodorovný nosník ležící v rovině křídla, jehož pásnicemi jsou přední a zadní nosník. Horní a dolní potah skříně pak představuje dvojitou zakřivenou stojinu.



Ve dvounosníkovém uspořádání lze navrhnout i bezdutinové křídlo, které je způsobilé přenášet jak kroucení, tak i ohyb ve vodorovné rovině. Do rovnoběžníků vytvořených soustavou nosníků a žeber se vkládají úhlopříčné pruty, případně zkřížená soustava zavětrávacích lanek, čímž vznikne nosníkově-příhradová konstrukce. (Obr. 13). Taková konstrukce bývala často využívána u starších generací letadel, která byla převážně potahována plátnem.

Pro úplnost je třeba dodat, že existovaly i konstrukce s jedinou sadou diagonálních výztuh v neutrální rovině křídla. (Obr. 14). Taková konstrukce však sice zajistila tuhost ve vodorovné rovině, ale neodolala kroutícímu zatížení a proto se neuplatnila u samonosných křídel. Bývala použita u vyztužených křídel, jejichž oba nosníky byly podepřeny vzpěrami a tuhost v kroucení, mimo jiné, dodaly právě tyto vzpěry.




Ukázka skutečného provedení kovového dvounosníkového křídla s tuhým potahem je na obr. 15. Na obr. 17 je nosníkově-příhradové křídlo sovětské stíhačky  I-16 z 30. let minulého století.

Na obou těchto obrázcích je vidět uzly čtyřbodového zavěšení křídla. Takové zavěšení křídla již není úloha staticky určitá a síly do závěsů již není možné stanovit pouhou jednoduchou analýzou zatížení křídla, jako v případě zavěšení tříbodového. Rozdělení sil do závěsů vícenosníkového křídla významně ovlivňuje, kromě vlastního zatížení křídla, také tuhost konstrukce spojovaných celků, tedy křídla i trupu, případně křídla a centroplánu.



Pro první přiblížení stanovení sil lze celkové ohybové zatížení křídla rozdělit do všech nosníků v poměru jejich ohybových tuhostí a síly do závěsů pak stanovit nezávisle pro každý nosník zvlášť. Z poměru ohybových tuhostí lze provést i kvalifikovaný odhad polohy ohybově elastické osy dvounosníkového (obr. 16a) i vícenosníkového křídla.(Obr. 16b).



EO dvounosníkového křídla


EO vícenosníkového křídla
.....1)



.....2)

Výhodou staticky neurčitého zavěšení vícenosníkového křídla je vyšší míra bezpečnosti takového spojení. V případě poruchy jednoho ze čtyř závěsů nemusí ihned dojít k okamžité destrukci, dojde pouze k přerozdělení zatížení, což zvyšuje pravděpodobnost, že poškozený letoun bude schopen dočasně pokračovat v letu a bude moci provést nouzové přistání.




Navazující část: část: Vyztužená křídla

Zpět     Nosníková křídla
Stránka není dosud dokončena, je ve vývoji. Poslední aktualizace 25.4.2010 23:24:03