4. díl - Statická zásoba podélné stability aneb Kolibřík a těžiště

V podvědomí některých pilotů UL letadel je Kolibřík zapsán jako letoun se „špatnými“ letovými vlastnostmi. Je to pravda nebo mýtus? Vždyť přeci na každém šprochu pravdy trochu. Ve čtvrtém díle seriálu o renovaci Kolibříka, se pokusím na základě svých znalostí, dostupných informací a zkušeností s tímto letounem výše uvedenou skutečnost uvést na pravou míru.

Co si pod pojmem „špatné letové vlastnosti“ vlastně představit? Problém je v tom, že výše uvedené nepříznivé hodnocení letových vlastností jsem nikdy neslyšel přímo od pilota Kolibříka, ale vždy jen jako zprostředkovanou informaci bez upřesnění, o jaké letové vlastnosti, vymykající se normálu, by se vlastně mělo jednat.

Kolibřík byl zkonstruován počátkem 90.let minulého století leteckým konstruktérem

Ing. Josefem Marešem.

Troufám si tvrdit, že v této době již bylo po celém světě zkonstruováno a provozováno tolik typů (ultra) lehkých letounů, koncepčně i výkonově srovnatelných s letounem Kolibřík, že nejen pro leteckého konstruktéra, ale i pro lehce nadprůměrného leteckého modeláře se znalostmi aerodynamiky by bylo poměrně obtížné navrhnout takovýto letoun tak, aby měl letové vlastnosti výrazně horší, než ostatní, stejně koncipované letouny.

V roce 1996 jsem dostal od konstruktéra Kolibříka k dispozici kompletní výkresovou

i výpočtovou dokumentaci původního Kolibříka s krátkým křídlem, s možností použití motorů Rotax 473, Rotax 503, případně Rotax 582. Na základě této dokumentace

a příslušných letových zkoušek, byl původnímu Kolibříku vydán typový průkaz LAA ČR.

Mým úkolem bylo upravit původní aerodynamické a pevnostní výpočty pro použití většího křídla, motoru STRX1200, který je těžší než výše uvedené motory a zohlednit vliv hmotnosti kompletní kapotáže trupu na polohu těžiště a ve výpočtech vycházet z aerodynamických charakteristik profilu NACA 4412, který byl u delších křídel použit místo profilu NACA 4414. Protože jsem bojácný pilot a v té době jsem měl letové zkušenosti pouze s bezmotorovým rogalem, nespokojil jsem se pouze s dosazením jiných čísel do stávajícího výpočtu. Rozhodl jsem se celou metodiku aerodynamických

i pevnostních výpočtů, včetně použitých doporučených rozsahů koeficientů, použitých polár profilů, empirických vztahů atd. prověřit z jiných zdrojů. Vzhledem k tomu, že jsem od dětství modelařil a kniha Aerodynamika moderních leteckých modelů od Miroslava Musila byla tehdy naší biblí, tak to spolu s další dostupnou literaturou a poznámkami z víkendového kurzu stavby letadel ing. Oldřicha Olšanského v Křižanově nebyl až tak velký problém. Jako turbinář jsem se na vysoké škole aerodynamice, byť v trochu jiném pojetí, také nevyhnul. Výpočtová dokumentace byla zpracována v rozsahu, odpovídajícím účelu použití, metodika výpočtu a použité empirické hodnoty a vztahy byly ve shodě s literaturou. Výsledky výpočtů nevybočovaly z předepsaných nebo doporučených mezí. Výkresová dokumentace byla na tehdejší dobu zpracována vysoce nadstandardně. Jak se dalo očekávat, neobjevil jsem nic, co by mělo nasvědčovat tomu, že Kolibřík nebude létat minimálně stejně dobře, jako ostatní letouny této kategorie.

Křídlo Kolibříka  je opatřeno od kořene lineárně narůstajícím negativním překroucením, které na konci křídla činí asi 2-3°, což je spolu s obdélníkovým půdorysem křídla jedním z předpokladů dobrých pádových vlastností letounu. Řízení křidélek je opatřeno odpovídající diferenciací, úhly seřízení křídla i VOP se pohybují v obvyklých mezích, stejně tak poloha a úhel vektoru tahu vrtule. Problémy s účinností ocasních ploch by mohl způsobit velký zavířený prostor za kabinou posádky, ale vzhledem k tomu, že ocasní plochy jsou ofukovány tlačnou vrtulí, můžeme tento problém také vyloučit. Avšak i v bezmotorovém letu reaguje Kolibřík na řízení normálně, nácvik nouzových přistání s vypnutým motorem včetně přistání je bezproblémový. Pouze je nutno zohlednit poláru profilu NACA 4412, ze které lze vyčíst vyšší přírůstek odporu se zvyšujícím se úhlem náběhu. Proto je dobré přistávat s dostatečnou rezervou rychlosti a nepočítat s velkými korekcemi dráhy letu po podrovnání, zvláště, pokud je letoun opatřen malým křídlem s profilem NACA 4414. Výše uvedené platí samozřejmě i pro přistání s motorem na volnoběhu. U všech letounů s tlačným pohonem a vektorem tahu výše nad těžištěm je třeba při náhlém ubrání plynu nebo vysazení motoru eliminovat úbytek klopného momentu okamžitým potlačením VOP, Kolibřík samozřejmě není výjimkou.

Podívejme se, jaká specifika ve vztahu k poloze těžiště letounu nám nabízí koncepce dvousedadlovky s tlačným pohonem se sedadly vedle sebe. Motor s vrtulí v tlačném uspořádání je u Kolibříka umístěn asi 0,8 m za středem povoleného rozsahu centráže. Centráží se rozumí vzdálenost těžiště letounu ve směru + x podélné osy letounu od náběžné hrany křídla a udává se v % délky průmětu střední aerodynamické tětivy profilu křídla (SAT) do této osy. V případě křídla Kolibříka je SAT uvažována přibližně jako hloubka křídla s flaperony. Konstruktér letounu má pouze dvě možnosti, jak udržet polohu těžiště ve stanovených mezích. Hmotnost motoru s vrtulí za těžištěm může eliminovat závažím na předku letounu, ale jeho hmotnost by byla větší, než je hmotnost motoru s vrtulí, protože pohonná jednotka je umístěna za těžištěm. Nezbývá tedy nic jiného, než k zajištění správné polohy těžiště letounu využít hmotnost posádky.

Představme si, že by byl Kolibřík navržen jako dvousedadlovka se sedadly za sebou. Konstruktér umístí vzadu sedícího člena posádky do těžiště, takže jeho celková hmotnost těžiště neovlivní a lze tedy letět i bez něho. Letoun bude dovažovat vepředu sedící člen posádky, jehož celková hmotnost se může měnit v povoleném rozsahu tak, aby správná poloha těžiště letounu byla zachována. Musíme vzít v úvahu také z hlediska krajních poloh těžiště nejméně příznivou hmotnost paliva v nádržích, případně nákladu v zavazadlovém prostoru, který však Kolibřík nemá. V sólo obsazení by pilot musel sedět vždy vepředu.

Jak to bude s dovážením hmotnosti tlačného motoru za těžištěm u skutečného Kolibříka se sedadly vedle sebe? Hmotnost posádky, jejíž těžiště musí být umístěno před těžištěm letounu, se bude měnit v rozsahu od minimální celkové hmotnosti sólo pilota až po maximální celkovou hmotnost obou členů posádky. Z toho plyne, že poloha těžiště bude ovlivněna více, než v předchozím případě a nic na tom nezmění ani fakt, že v případě tandemového uspořádání letounu sedí přední člen posádky od těžiště letounu dále. Rozsah celkové hmotnosti posádky bude tedy v tomto případě primárně podřízen správné poloze těžiště letounu. Celková minimální a celková maximální přípustná hmotnost posádky by měla být spočtena pro každý letoun zvlášť na základě zjištění skutečné polohy těžiště prázdného letounu vážením a měla by být zaznamenána v letové příručce a vyznačena na přehledném místě v kokpitu letounu.

Pro lepší porozumění následujícímu výkladu zde pro zopakování uveďme a na Kolibříka aplikujme to podstatné z teorie podélné stability letounu:

1. Správná poloha těžiště je nutná k zajištění podélné stability letounu.

2. Podélná stabilita letounu představuje schopnost letounu vrátit se bez zásahu pilota do původního ustáleného stavu letu (úhel náběhu, rychlost) po vychýlení vnějším zásahem, např. poryvem.

3. Statická zásoba podélné stability je vzdálenost průmětu neutrálního bodu a těžiště do podélné osy letounu a obvykle se volí jako 8-15% SAT.

4. Těžiště je působiště celkové tíhové síly letadla.

5. Neutrální bod letounu je bod, ke kterému je celkový klopný moment letounu konstantní v širokém rozsahu úhlů náběhu a je působištěm celkové vztlakové síly letounu. Jeho poloha se vypočte ze známých geometrických a aerodynamických charakteristik letounu.

6. Na Kolibříka působí celkový klopný moment ve smyslu na čumák, předpoklad smyslu klopného momentu vychází z úvahy, že Kolibřík je hornoplošník s klenutým profilem a s vektorem tahu motoru nad těžištěm letounu.

Je-li poloha těžiště letounu před neutrálním bodem, Kolibřík bude stabilní a podélně řiditelný s rozdílnou citlivostí podélného řízení v závislosti na vzdálenosti těžiště od neutrálního bodu, tj. na velikosti statické zásoby podélné stability. Čím menší bude statická zásoba podélné stability, tím bude Kolibřík na podélné řízení citlivější a řízení se může začít jevit jako nepříjemné.  S rostoucí statickou zásobou podélné stability bude řízení naopak tupější, což se v extrémním případě bude jevit rovněž jako nepříjemné.

Je třeba však zdůraznit, že nachází-li se těžiště v povoleném rozsahu centráže, podélné řízení v závislosti na poloze těžiště sice mění svoji citlivost, není však pro většinu pilotů subjektivně ještě nepříjemné.

Těžiště letounu před neutrálním bodem, letoun je podélně stabilní a řiditelný

Legenda:

Je-li poloha těžiště za neutrálním bodem, bude Kolibřík z hlediska podélné stability nestabilní, při vychýlení z ustáleného režimu letu v podélném směru poryvem bude mít letoun tendenci toto vychýlení zvětšovat a bude podélně prakticky neřiditelný.

Těžiště letounu za neutrálním bodem, letoun je podélně nestabilní a prakticky neřiditelný

Okamžitou polohu těžiště a tím i okamžitou statickou zásobu podélné stability letounu s tlačným motorem, ale může ovlivňovat ještě další faktor, a tím je hmotnost pohonné jednotky s vrtulí, umístěné nejen za, ale také vysoko nad těžištěm letounu. Vážení letounu pro stanovení polohy těžiště provádíme v poloze letounu, která odpovídá vodorovnému letu při cestovní rychlosti. Při letu na vyšších úhlech stoupání (nikoliv náběhu) se těžiště pohonné jednotky, umístěné za a zároveň také nad těžištěm pohybuje po kružnici kolem těžiště letounu a tím dojde k dalšímu posunu těžiště pohonné jednotky a tím i letounu směrem vzad. Je-li hmotnost posádky dostatečná, je tento jev kompenzován posunem těžiště posádky směrem vpřed, protože její těžiště leží před a pod těžištěm letounu. Problém však může nastat, jestliže poletí sólo pilot s hmotností blízko spodního hmotnostního limitu na letounu s těžším, vysoko umístěným motorem s velkou vrtulí, například vodou chlazeným Rotaxem 582. V takovém případě posun těžiště pilota směrem vpřed ke kompenzaci výše uvedeného jevu nemusí stačit. Je třeba si uvědomit, že velmi lehký pilot poletí s těžištěm blízko zadní centráže (nikoliv neutrálního bodu) již během vodorovného letu a posun motoru směrem vzad při vysokých úhlech stoupání může vést k posunu těžiště až za zadní centráž. Výrazný efekt bude tento jev mít například při strmém stoupáním letounu na úkor kinetické energie, chceme-li po startu s dlouhou výdrží  předvést, jak nám letoun krásně stoupá. Situace je o to nebezpečnější, že při tomto manévru nutně dochází k poklesu rychlosti.

Vzájemná poloha těžiště letounu a těžiště motoru při vodorovném letu
Vzájemná poloha těžiště letounu a těžiště motoru při stoupání

Legenda:

T …... těžiště letounu

Tm … těžiště motoru

Lx … vzdálenost ve směru osy x - těžiště motoru od těžiště letounu ve vodorovném letu

Lx´ … vzdálenost ve směru osy x - těžiště motoru od těžiště letounu ve stoupavém letu

Lx´> Lx

Samotné posunutí těžiště za zadní centráž však ještě nezpůsobí katastrofu, protože k posunu těžiště až za neutrální bod, kdy je teprve letoun neřiditelný, je třeba ještě vyčerpat celou statickou zásobu podélné stability (cca 8–15 % SAT). Kritická situace s fatálními následky vlivem výše popsaného jevu však může nastat, pokud bude těžiště letounu již ve vodorovném letu sice ještě před neutrálním bodem, ale již za zadní centráží.

Za 14 dní, tuto trochu teoretickou problematiku dokončíme, včetně jednoho negativního případu z praxe.

Autor textu a fotografií: Ing. Josef Ulrych