Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu

Transkript

1 Abstrakt Tato bakalářská práce nabízí základní přehled koncepcí uspořádání ocasních ploch. Obsahuje teoretický úvod, který vysvětluje pojmy nezbytné pro pochopení problematiky ocasních ploch. V hlavní části jsou představeny nejpoužívanější koncepce uspořádání ocasních ploch, u každé koncepce je uveden stručný popis konstrukce, výhod a nevýhod a letouny, které danou koncepci používají. Klíčová slova Uspořádání ocasních ploch, stabilizátor, kýlová plocha, výškové kormidlo, směrové kormidlo. Abstract This bachelor thesis provides a basic overview of empennage layout designs. It contains a theoretical introduction explaining terms necessary to understand the empennage problematics. In the main part, the most frequent empennage layout designs are described, each one with a brief description of construction, its benefits and drawbacks and airplanes with such empennage layout design. Keywords Empennage layout, tail unit arrangement, stabilizer, fin, elevator, rudder. Bibliografická citace práce PODHORSKÝ, M. Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce prof. Ing. Antonín Píštěk, CSc. Brno Matěj Podhorský

2 Čestné prohlášení Já, Matěj Podhorský, prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a že jsem uvedl všechny použité prameny a literaturu. V Brně, dne Matěj Podhorský Brno Matěj Podhorský

3 Poděkování Na tomto místě chci poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce prof. Ing. Antonín Píštěkovi, CSc. za cenné rady a zkušenosti, o které se se mnou podělil v průběhu zpracování práce a za čas, který mi věnoval při konzultacích. Další poděkování patří mým rodičům za to, že mi umožnili studovat a rozšiřovat si vzdělání, čehož si velmi vážím. Brno Matěj Podhorský

4 Obsah 1. ÚVOD TEORIE Souřadnicové soustavy Letadlová souřadnicová soustava Aerodynamická soustava Ocasní plochy Stabilita Podélná stabilita Stranová stabilita Řiditelnost Mohutnost ocasních ploch Mohutnost VOP Mohutnost SOP Štíhlost OP Vliv vzájemné polohy VOP a SOP Vyvažování a odlehčování kormidel Aerodynamické vyvážení Aerodynamické odlehčení Aerodynamické servořízení Koncepce uspořádání ocasních ploch Způsoby dělení Poloha VOP vůči těžišti letadla Uspořádání ocasních ploch Přehled uspořádání ocasních ploch Klasické uspořádání Konstrukce Výhody a nevýhody Použití Uspořádání typu T Konstrukce Výhody a nevýhody Použití Křížové uspořádání Konstrukce Výhody a nevýhody Použití Zdvojené svislé ocasní plochy Konstrukce Výhody a nevýhody Použití Zdvojené SOP na trupu Vícenásobné svislé ocasní plochy Sdružené ocasní plochy Konstrukce Výhody a nevýhody Použití Obrácené V Typ Y Kachní plochy Závěr Seznam použité literatury Seznam použitých zkratek a značek Seznam příloh Brno Matěj Podhorský

5 1. ÚVOD Létání a letadla obecně jsou mým dlouholetým koníčkem. Dříve jsem se zabýval stavbou plastikových modelů letadel, později jsem se stal pilotem bezmotorových kluzáků. Postupem času mě začalo zajímat, jak jsou letadla navrhována a jaké důvody vedou konstruktéry k volbě konkrétního koncepčního řešení. Proto jsem si pro bakalářskou práci zvolil téma, které se podobnými úvahami zabývá. Ve své práci se pokusím popsat základní koncepce uspořádání ocasních ploch, stručně popsat jejich konstrukce, provést rozbor výhod a nevýhod a seznámit čtenáře s letouny, které danou koncepci používají. Obsahem úvodní části je teorie, která je dle mého názoru nezbytná k pochopení základních principů fungování ocasních ploch a problematiky volby koncepce jejich uspořádání. V následující části jsou rozebrány nejčastěji používané koncepce z hledisek, jež jsem uvedl výše. Přílohou práce jsou pak fotografie letadel s různým uspořádáním ocasních ploch. Pevně doufám, že má bakalářská práce bude tvořit stručný a jasný přehled, který může pomoci čtenáři zorientovat se v problematice ocasních ploch, popřípadě seznámit s řešeními, která nejsou úplně obvyklá. Brno Matěj Podhorský

6 2. TEORIE 2.1 Souřadnicové soustavy Letadlová souřadnicová soustava Letadlová souřadnicová soustava je pevně svázána s letadlem. Sestává ze tří navzájem kolmých souřadných os, které procházejí těžištěm letadla. Rotace kolem osy x se nazývá klonění a značíme ji Ω x, rotace kolem osy y je klopení, Ω y a zatáčením nazýváme rotaci kolem svislé osy z, kterou značíme Ω z. Obr Letadlová souřadnicová soustava [16] V obrázku jsou mimo kladných směrů os vyznačeny kladné smysly momentů, které vyvolávají rotační pohyby okolo jednotlivých os. Od těchto pohybů jsou odvozeny i názvy momentů, které je vyvolávají. L je klonivý moment, M - klopivý moment a N je moment zatáčivý Aerodynamická soustava Aerodynamická souřadnicová soustava letadla není svázána s letadlem pevně, svázán je jen počátek, který je opět umístěn v těžišti. Kladný směr osy x a je určován vektorem V (vektor okamžité rychlosti letounu), ten však nemusí být rovnoběžný s podélnou osou letounu (osa x z letadlové souřadnicové soustavy). K osám této soustavy vztahujeme aerodynamické síly, jež jsou vyvolány pohybem letounu ve vzduchu. Ty mají opačný smysl jako příslušné kladné směry aerodynamických os. Odporová síla D působí ve směru a v opačném smyslu k ose x a. Podobně vztlaková síla L působí v směru a v opačném smyslu osy z a a příčná aerodynamická síla C v opačném smyslu osy y a. Poloha letounu vůči aerodynamické souřadnicové soustavě je pak popsána dvěma úhly. Úhel náběhu α, který svírá průmět osy xa do roviny souměrnosti se střední aerodynamickou tětivou Úhel vybočení β, který svírá osa x b s rovinou souměrnosti (x,z). Brno Matěj Podhorský

7 Obr Aerodynamická souřadnicová soustava [16] 2.2 Ocasní plochy Ocasní plochy se obvykle skládají z ploch vodorovných (VOP) a svislých (SOP). Obě většinou mají pevnou a pohyblivou část. Pevná část vodorovné ocasní plochy se nazývá stabilizátor, pevnou část svislé ocasní plochy nazýváme kýl. Pohyblivými částmi ocasních ploch jsou kormidla. Výškové kormidlo neboli výškovka je součástí VOP, směrové kormidlo, směrovka, je součástí SOP. V některých případech může být celý stabilizátor pohyblivý a plnit tak funkci výškového kormidla, pak hovoříme o tzv. plovoucí výškovce. Pro zobrazení základních částí ocasní ploch nám postačí klasické uspořádání. Obr Části ocasních ploch [5] Brno Matěj Podhorský

8 2.3 Stabilita Stabilita letounu je jeho schopnost udržovat letový režim, do kterého byl přiveden zásahem pilota. Stabilitu lze rozdělit podle vztažných os na podélnou (kolem příčné osy) a stranovou (kolem svislé osy) Podélná stabilita Působením vztlakové síly na křídle vzniká klopivý moment, který je nutno pro stabilní let vyvážit účinkem vodorovných ocasních ploch. V tomto případě je důležitá štíhlost ocasních ploch a také jejich umístění vůči nosné ploše a trupu. Momentová rovnováha nosné plochy a vodorovných ocasních ploch je patrna z následujícího obrázku. Rovnice momentové rovnováhy L VOP ~,vyvažovací vztlak, zajišťující stabilní let je pak: Obr Momentová rovnováha [4] AS kř - aerodynamický střed - působiště vztlakové síly Mkř - klopivý moment křídla l VOP - vzdálenost aerodynamického středu křídla a VOP c T - vzdálenost těžiště a aerodynamického středu křídla L VOP - vztlaková síla na VOP V literatuře [4] se toto uvádí jako základní princip umožnující ustálený let. V naznačené formě platí tento princip pouze pro ideálně klidné ovzduší, letoun však musí být stabilní a ovladatelný i v případě průletu rozruchem, například turbulencí Stranová stabilita Ve standardních letových režimech, tj. bez vybočení, kdy vektor rychlosti leží v rovině symetrie letounu, není zapotřebí letoun díky stranové symetrii bočně vyvažovat. Pro dosažení správného chování letounu při porušení ustáleného režimu letu, např. zavedení vybočení, je zapotřebí vyvolat vznik sil, které povedou k navrácení do režimu ustáleného. Stabilitu stranovou zajišťují svislé ocasní plochy. Je jistě zajímavé, že při zvětšování úhlu náběhu vyvozuje trup přibližně konstantní sílu, stabilizující účinek SOP s tímto úhlem klesá, protože se dostávají do úplavu křídla. Tento problém lze částečně napravit použitím kýlu. Brno Matěj Podhorský

9 Horní, nebo také hřbetní, kýl má za následek zvětšení stranové stability při vyšších úhlech vybočení, což se však druhotně projevuje i při menších úhlech vybočení. Spodní kýl především zvyšuje stabilizační účinek SOP. S výhodou se toho užívá při vysokorychlostních letech. Spodní kýl je možné pozorovat například na stíhacím letounu Mig-23. Negativním projevem přítomnosti kýlů je snížení štíhlosti SOP, což snižuje účinek směrového kormidla 2.4 Řiditelnost Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu Obr Zvětšování plochy SOP [3] Řiditelnost je schopnost rotace kolem tří os letadlové souřadnicové soustavy a provádět manévry účinkem orgánů řízení zásahem pilota. Orgány řízení, které se nacházejí na ocasních plochách, jsou výškové kormidlo a směrové kormidlo. Výškové kormidlo zajišťuje klopení kolem osy y, směrové kormidlo pak zatáčení kolem osy z. Náklon letadla kolem osy x je zajišťován pomocí křidélek, ta však nejsou součástí ocasních ploch, nýbrž křídla, proto se jimi dále zabývat nebudeme. 2.5 Mohutnost ocasních ploch Zpracováno podle literatury [1], [10]. Mohutnost ocasních ploch je důležitá charakteristika, která dává do souvislosti plochu křídla, plochu ocasních ploch, vzdálenost křídla a ocasních ploch a má přímý vliv má letové vlastnosti. Jinými slovy říká, jak velké mají být ocasní plochy vůči velikosti letounu. Velká hodnota mohutnosti zajistí dobrou řiditelnost a obecně dobré reakce na zásahy do řízení, současně s sebou však nese větší aerodynamický odpor, což má negativní dopad na letové výkony. Příliš nízké hodnoty naopak mohou zapříčinit nedostatečnou účinnost kormidel a špatnou řiditelnost Mohutnost VOP Pro mohutnost vodorovné ocasní plochy platí vztah: V VOP= S VOP.l VOP S.c SAT S VOP je plocha VOP, S je plocha křídla, l VOP je vzdálenost působiště síly na VOP od těžiště, c SAT je hloubka střední aerodynamické tětivy křídla. Obvykle V VOP bývá v rozsahu 0,5 0,8, podle literatury [1] může pro dopravní letouny s velkým rozsahem centráží být až 1,1. Autor dále uvádí, že l VOP bývá 2,6 3,2 c SAT. Brno Matěj Podhorský

10 2.5.2 Mohutnost SOP Mohutnost svislé ocasní plochy je dána vztahem: V VOP= S SOP.l SOP S.b S SOP je plocha SOP, S je plocha křídla, L SOP je vzdálenost působiště síly na SOP od těžiště, b je rozpětí křídla. Mohutnost SOP pak bývá 0,04 0, Štíhlost OP U křídla štíhlost udává poměr mezi druhou mocninou rozpětí a plochou křídla. V případě VOP je to obdobné, tedy poměr mezi druhou mocninou rozpětí a plochou, u SOP pak místo rozpětí dosazujeme výšku SOP. 2.6 Vliv vzájemné polohy VOP a SOP Pro zachování řiditelnosti i v kritických situacích je nutno zvážit vzájemnou polohu VOP a SOP. Kritickými situacemi můžeme nazvat zejména vývrtky nebo polohy s vysokým úhlem náběhu, kdy hrozí, že se směrové kormidlo dostane do úplavu VOP, bude tzv. stíněno, což jej činí neúčinným díky výskytu turbulentního proudění vlivem odtržení proudnic od VOP. Pro bezpečné vybrání vývrtky je však nutné, aby si směrové kormidlo zachovalo alespoň 1/3 svého běžného účinku, jak se uvádí v literatuře [3]. Toto je důležité jak u akrobatických letounů, tak například u větroňů s klasickým uspořádáním ocasních ploch (L13 Blaník). Možné způsoby řešení tohoto problému si můžeme vysvětlit na následujících obrázcích. Obr [3] Obr [3] Obr zobrazuje nevhodné řešení, kdy je směrové kormidlo zcela zastíněno vodorovnými ocasními plochami. Vyznačené úhly popisují oblast úplavu, kde snížení účinnosti směrovky. Na obrázku je zachyceno řešení, které pomáhá udržet část směrového kormidla ofukovanou, kormidlo si pak ponechává jistou účinnost. Kýženého efektu je možné dosáhnout předsazením VOP před SOP, což je znázorněno schématem vlevo, nebo odsazením VOP, jak je patrno ze schématu vpravo. Opět je znázorněna oblast stínění. Je zřejmé, že v naznačené situaci se dosáhne lepšího výsledku odsazením stabilizátoru, což je případ již zmíněného větroně L-13 Blaník, kde navíc hraje roli i Brno Matěj Podhorský

11 velká plocha kýlu a směrového kormidla, což poskytuje dobré vlastnosti při vybírání vývrtek a obecně dobrou účinnost nožního řízení. Jinou možností je použití křížového uspořádání (obr ), kdy se VOP nachází přibližně v polovině výšky SOP. Pak je horní část výškovky sice stíněna úplně, spodní však zůstává nafukována. Obr [3] Obr [3] Jako ideální se tedy může jevit uspořádání typu T, které je hojně používané u větroňů od poloviny 70. let. V případě větroňů je toto řešení dáno snížením rizika poškození ocasních ploch při přistání do vyššího porostu a jednoduchou rozebíratelností. U velkých moderních dopravních letounů se příliš nevyskytuje, ale je možno jej pozorovat například na stroji Bae-146. Toto uspořádání je na obrázku Podle literatury [3] je třeba dbát zvýšené opatrnosti při přetažení, které může vyústit ve ztrátu účinnosti výškového kormidla díky odtržení proudnic od VOP. Navíc zde existuje ještě možnost zastínění VOP křídlem. To může nastat zejména u letounů s kratším trupem, kdy vzdálenost křídla a VOP není dostatečná, aby se VOP při přitažení dostala pod oblast úplavu. Tato situace je znázorněna na obrázku Obr Hluboké přetažení [3] Brno Matěj Podhorský

12 2.7 Vyvažování a odlehčování kormidel Oddíl 2.7, části 2.7.1, a citovány z literatury [5]: S řídicí pákou je kormidlo většinou u malých letounů spojeno jednoduchým pákovým systémem. Síla na řídící páce musí vyrovnávat výsledný moment k závěsné ose kormidla, tzv. závěsový moment. Tento moment je způsoben z převážné části aerodynamickou silou vznikající na kormidle, z menší části tíhou kormidla (pokud není kormidlo staticky vyváženo, tj. s těžištěm v ose závěsu). Se zvětšováním velikosti letadla a rychlosti letu překročí síly v řízení od určité hranice fyzické možnosti pilota. Ke snížení sil v řízení se používá v těchto případech kromě mechanického servořízení aerodynamických prostředků pro změnu součinitele závěsového momentu: aerodynamického vyvážení, aerodynamického odlehčení a aerodynamického servořízení Aerodynamické vyvážení Aerodynamické vyvážení umožňuje snížit sílu v řízení při určitém úhlu náběhu a při určité výchylce kormidla na nulovou hodnotu. Obr [5] Nejpoužívanějším prostředkem je vyvažovací ploška na odtokové hraně kormidla, která vůči kormidlu zachovává stálou výchylku τ obr Tím vytváří stálý přírůstek závěsového momentu, kterým se získává v určitém režimu nulová síla na řídící páce, nesnižují se však řídící síly pro vychylování kormidla. Vyvážení výškového kormidla lze provést rovněž vyvažovací ploškou pohyblivou - ovládanou pilotem nebo stavitelným stabilizátorem Aerodynamické odlehčení Snižuje přírůstek síly na řídící páce při vychýlení kormidla. Obvyklými způsoby jsou osové odlehčení, rohové odlehčení (obr ) a vnitřní odlehčení. Zmenšení závěsového momentu lze dosáhnou rovněž zvětšením úhlu odtokové hrany kormidla. Velmi efektivním prostředkem aerodynamického odlehčení je odlehčovací ploška, její výchylka se mění s výchylkou kormidla. Obr [5] Brno Matěj Podhorský

13 Obr Další způsoby odlehčování kormidel [5] Aerodynamické servořízení Aerodynamické servořízení na obr se používá ke snížení sil na řídící páce u velkých letadel. Řídicí páka je spojena s řídící ploškou u odtokové hrany kormidla, nikoli přímo s vlastním kormidlem. Závěsové momenty vyvolané řídící ploškou vychylují vlastní kormidlo. Obr [5] Brno Matěj Podhorský

14 3. Koncepce uspořádání ocasních ploch V letectví se lze setkat s rozličnými způsoby uspořádání ocasních ploch. Liší se od sebe polohou vodorovných ploch vůči těžišti, vzájemnou polohou vodorovných a svislých ocasních ploch, i počtem SOP nebo tvarem VOP a SOP. Ve většině případů jsou tyto plochy součástí zadní, neboli ocasní části trupu, odtud také jejich název, ocasní plochy. Existují však i koncepce, u kterých se vodorovná plocha vyskytuje na přídi letounu, před těžištěm stroje. Tyto se pak nenazývají ocasní plochy, ale tzv. kachní plochy, vodorovné příďové plochy neboli canardy, říkáme, že jde o stroj kachní koncepce. 3.1 Způsoby dělení Pro podrobnější popis a orientaci v jednotlivých koncepcích je můžeme rozdělit podle různých charakteristik. Vybral jsem následující rozdělení Poloha VOP vůči těžišti letadla Před těžištěm uspořádání typu kachna, hovoříme o vodorovných příďových plochách (VPP), Za těžištěm vodorovné ocasní plochy (VOP), tyto se nevyskytují u sdružených ocasních ploch Uspořádání ocasních ploch Podle výskytu svislých ocasních ploch lze provést rozdělení: Se svislými ocasními plochami (SOP) klasické uspořádání, křížové uspořádání (s nadsazenou VOP), uspořádání typu T, uspořádání s dvojitými, příp. trojitými SOP, Bez svislých ocasních ploch, sdružené ocasní plochy různých typů. Uspořádání se svislými ocasními plochami můžeme dále dělit podle počtu SOP na: Ocasní plochy s jednou SOP, Ocasní plochy s dvojitými SOP, dále dělitelné na jednotrupé a dvoutrupé, Ocasní plochy s trojitými SOP. Sdružené ocasní plochy mohou být uspořádány jako: Motýlkové ocasní plochy, typ V, Obrácené motýlkové ocasní plochy (obrácené V ), Obrácené motýlkové ocasních plochy se dvěma trupy, Sdružené ocasní plochy typu Y. Brno Matěj Podhorský

15 Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu 3.2 Přehled uspořádání ocasních ploch Obr [11] Obr [3] Obr Brno Matěj Podhorský

16 3.3 Klasické uspořádání Klasické, někdy také konvenční, uspořádání ocasních ploch má svůj název proto, že je nejběžněji používanou koncepcí. Je to také nejstarší koncepce uspořádání, ačkoli například první letoun bratří Wrightů měl kachní plochy vpředu a dvojité směrové kormidlo vzadu, klasická koncepce v minulosti byla a stále je nejvíce užívanou koncepcí. V literatuře [3] se na straně 77 uvádí, že pravděpodobně více než 70% letadel v provozu má ocasní plochy této koncepce. Velké rozšíření můžeme ostatně pozorovat například na současných ultralehkých letounech. Když se však podíváme na historický vývoj větroňů, zjistíme, že klasické uspořádání ocasních ploch bylo postupně na ústupu asi od poloviny 60. let, v 70. letech už se u nových větroňů prakticky nevyužívalo. Důvodem pro tuto změnu konstrukce byla zejména náchylnost klasicky uspořádaných ocasních ploch, nejvíc však nízko umístěného stabilizátoru, k poškození při přistání vyššího porostu, například obilí. To často vedlo, v kombinaci s křehkou konstrukcí trupu, u typu VT-116 oddělení celého ocasu od trupu vlivem zachycení o porost. Pro menší sportovní a cestovní letouny, které se pohybují do rychlostí kolem 400 km/h (M=0,3), je však podle literatury [2] tato koncepce nadále nejvýhodnější Konstrukce Z konstrukčního hlediska jsou klasické ocasní plochy nejjednodušší variantou. Svislá ocasní plocha (kýl) je obvykle integrální částí trupu. Literatura [11] uvádí, že konstrukce kýlové plochy je jednonosníková nebo dvounosníková torzní skříň, pro kýlové plochy větších rozměrů je pak možné použít poloskořepinovou konstrukci s podélnými výstuhami, případně integrálně vyztužené kompozitní potahové panely. Literatura [6] pak popisuje torzní skříň takto: Torzní skříň je tenkostěnný konstrukční prvek, který je způsobilý zachytit krutové zatížení konstrukce. Je to jedna nebo více uzavřených dutin ohraničených tuhým potahem náběžné hrany a stojinou nosníku, případně tuhým potahem části křídla mezi nosníky a stojinami těchto nosníků. Tato funkce však může být nahrazena použitím trubkového nosníku, čehož se využívá u kormidel menších letadel. Vodorovná ocasní plocha může být dvojí konstrukce. Jak již víme, může mít pevnou část stabilizátor a pohyblivou kormidlo, nebo může být uložena na otočném závěsu a plnit zároveň funkci stabilizátoru i kormidla, pak se nazývá plovoucí výškovka. Literatura [1] o konstrukci stabilizátoru: U menších letounů většinou nedělený, uchycený k trupu 4. Závěsy. Konstrukce je podobna křídlu. Hlavní nosník je zadní. Na něm jsou závěsy výškovky i zadní závěsy na trup. Přední závěsy jsou na předním, pomocném nosníku. Ten často nebývá po celém rozpětí. Pro větší letouny se však používá i dvou a vícenosníková konstrukce. Konstrukce výškového kormidla je podobná jako u směrového. U kormidel, jak výškového, tak směrového, lze obvykle bez obtíží použít jakýkoli systém odlehčení a vyvážení, tato koncepce obecně neskýtá úskalí, která by si vyžádala aplikaci zvláštních druhů odlehčování a vyvažování kormidel. Brno Matěj Podhorský

17 3.3.2 Výhody a nevýhody Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu Jednou z hlavních výhod klasické koncepce uspořádání OP je konstrukční jednoduchost a s ní spojené nízké výrobní náklady. Protože je kýlová plocha součástí trupu a nemusí nést žádné přídavné zatížení, lze realizovat hmotnostně úspornou konstrukci při současné dobré pevnosti a tuhosti, to platí i pro VOP, která může být i průběžná. Navíc je podle literatury [2] možné dosáhnout velmi dobré aerodynamické efektivity, protože samotná kýlová plocha může mít velkou štíhlost, což má pozitivní vliv na účinnost směrového kormidla. Zároveň nemá samostatný kýl takový odpor jako zdvojené svislé plochy. Pokud se podaří ocasní plochy vyřešit tak, aby i při vývrtkách a vysokých úhlech náběhu zůstalo stranové řízení směrovka účinné, lze pro menší a sportovní letadla těžko nalézt lepší řešení. Problematika vzájemného ovlivňování ocasních ploch byla nastíněna v části 2.6. Jinými slovy, klasická koncepce ocasních ploch nabízí nejlepší poměr hmotnosti, konstrukční náročnosti, výrobních nákladů a aerodynamické efektivity. Na druhé straně, realizace tohoto uspořádání u velkých letadel sebou může přinést jisté komplikace související s velikostí ocasních ploch. V literatuře [2] se uvádí zejména tyto: Vznik velkého klonivého momentu při vychýlení směrového kormidla. Toto se dá řešit propojením účinku křidélek a směrovky. Potíže s údržbou a hangárováním kvůli značné výšce SOP. Kvůli velké ploše SOP, zejména u velkých dopravních a transportních letounů, je zapotřebí dbát opatrnosti také při pohybu na zemi i vzletu a přistání s bočním větrem, který působí na poměrně velkou plochu umístěnou vzadu na letounu, a může tak vyvozovat poměrně značný otáčivý moment kolem svislé osy. Dále podle literatury [2] není tato koncepce právě vhodná pro nadzvukové stroje. Důvodem je skutečnost, že se svislá ocasní plocha obvykle nachází v místě expanzní vlny za křídlem. Obrázek z literatury [17] popisuje proudění při Machové čísle větším než 1. V místě 1 je rázová vlna, v místě 2 vlna expanzní, v místě 3 pak je rázová expanzní vlna. Dynamický tlak v místě expanzní vlny bývá obvykle nižší než dynamický tlak při volném proudění. To má za následek zhoršení stranové stability a Obr [17] snížení účinnosti směrového kormidla. Pro pohyb rychlostmi nad Mach 1 je obvykle lepší kýl situovaný pod úrovní křídla. Použít takové řešení však ve většině případů úplně snadné, protože by letadlo muselo mít příliš vysoký podvozek, aby byl konec spodního kýlu dostatečně daleko od země při vzletu, přistání či pojíždění, což by znamenalo Brno Matěj Podhorský

18 nárůst hmotnosti a zvýšené nároky na takový podvozek. Některé stroje, zejména nadzvukové stíhací stroje používají sklápěcí kýlovou plochu, například již zmíněný Mig-23 nebo Mig-27. Tyto stroje taktéž mají i výrazný hřbetní kýl, který dále pomáhá udržet stabilitu při vysokorychlostních letech Použití Jak již bylo uvedeno výše, klasické uspořádání ocasních ploch používá více než 70% letounů. Typickými představiteli této konfigurace jsou letouny Zlín konstrukční řady 26 (Z-126, Z-226, Z-326, Z-526, Z-726), z ultralehkých letounů EV-97 Eurostar a jeho modifikace, ze stíhacích například L-39 Albatros a L-159 Alca. Také většina velkých dopravních letadel využívá tohoto uspořádání. Za zmínku stojí civilní Airbus A380, Boeing 747, nebo vojenský Lockheed C-130 Hercules, protože tyto typy disponují kýlovými plochami značných rozměrů. 3.4 Uspořádání typu T Uspořádání typu T, nebo také uspořádání do T je takové uspořádání, kdy VOP je umístěna na konci SOP. Při pohledu zezadu tak vidíme tvar velkého písmene T, odtud tedy pojmenování. Jedná se opět o často používanou koncepci uspořádání. Zejména oblíbená je u větroňů vyrobených od poloviny 70. let, kde díky své aerodynamické efektivitě (ocas není umístěn v úplavu křídla) pomáhá zvyšovat klouzavost, která je pro bezmotorové létání klíčovou vlastností. Hlavním důvodem pro použití u větroňů však pravděpodobně bylo zajištění větší bezpečnosti konstrukce při nouzových přistáních, která se často provádí při přerušení termického letu. Větroně pak mnohdy přistávají do obilovin nebo vzrostlých travin, přičemž se zvyšuje riziko poškození nízko položených vodorovných ocasních ploch, zatímco uspořádání do T toto riziko téměř zcela odstraňuje Konstrukce Vodorovná ocasní plocha této koncepce se v podstatě neliší od klasického uspořádání, může být jak průběžná, ta je obvykle umístěna až nad koncem SOP, nebo rozdělená v polovině, s umístěním mírně pod koncem SOP. Vzhledem k umístění VOP vysoko nad trupem, daleko z dosahu proudu vzduchu ovlivněného křídlem, může mít VOP a výškové kormidlo menší plochu při zachování účinnosti. VOP může být s pevným stabilizátorem a výškovkou, nebo může být VOP plovoucí. Podle literatury [2] pak VOP často mívá negativní vzepětí, kdy jsou konce VOP skloněny k zemi, což zvyšuje odolnost proti flutteru bez nutnosti nadále zesilovat konstrukci a tím opět zvyšovat hmotnost. Svislá ocasní plocha bývá opět součástí trupu, což je výhodné z pevnostních důvodů. Protože je ale VOP umístěna až na jejím horním konci, musí být SOP navržena tak, aby snesla přidané zatížení, což zvyšuje nároky zejména na tuhost konstrukce. Přímým efektem toho je pak zvýšení hmotnosti konstrukce, které však může částečně kompenzovat úspora materiálu při zmenšení plochy VOP. Konstrukce tak může být podobná, jedno i vícenosníková, za předpokladu větší únosnosti. Kvůli umístění VOP na horním konci SOP není možné použít rohové odlehčení směrového kormidla bez změny konstrukce. Samotné osové odlehčení mnohdy ale Brno Matěj Podhorský

19 nestačí. To je například patrné na letounu L-610, který byl navržen v závodu Let Kunovice. Zde je užito rohové odlehčení směrového kormidla, ovšem takové ocasní plochy již nejsou klasickým T, protože SOP pokračuje ještě asi 50cm nad VOP. Toto řešení však zachovalo výhody T a umožnilo užití rohového odlehčení pro směrové kormidlo Výhody a nevýhody Nejvýznamnější charakteristikou ocasních ploch konfigurace T je bezesporu umístění vodorovné ocasní plochy nad křídlem a na samém konci letadla. Jak bylo zmíněno dříve, takto řešená VOP se nachází v proudu vzduchu, který není narušen křídlem a tak má vyšší účinnost, proto může mít menší plochu, než VOP klasické koncepce. Literatura [3] uvádí, že poloha mimo vrtulový vír odstraňuje vibrace v řízení, které mohou mít vliv na únavu jak materiálu konstrukce, tak pilota. Navíc se tímto řešením zvětší vzdálenost mezi VOP a těžištěm letounu, čímž roste délka ramene momentu VOP, což se podle literatury [2] ještě více projevuje u šípové VOP. Vliv této vzdálenosti na mohutnost VOP je pak patrný ze vzorce v části Dále, jak bylo rozebráno v části 2.6, ocas uspořádaný do T netrpí zastíněním směrového kormidla výškovým, jak se může stát u klasického uspořádání. To je výhodné pro vybírání vývrtek Díky efektu koncové desky, kdy je přítomností VOP dosaženo snížení indukovaného odporu na kýlové ploše. Toto snižuje aerodynamický odpor ocasních ploch a tím i celého letadla, zároveň to přispívá i ke zvýšení účinnosti směrového kormidla. Ocasní plochy do T také umožňují zástavbu pohonných jednotek v zadní části stroje, a to jak po stranách trupu, tak v kořeni SOP, což vyústilo ve vznik třímotorových proudových dopravních letadel. Podle zdroje [12] však toto bylo aktuální zejména v 70. a 80. letech, kdy nařízení FAA (Federal Aviation Administration úřad dohlížející na civilní letectví v USA) nedovolovalo používat dvoumotorové proudové dopravní letouny na tratích, kde v případě vysazení jednoho motoru nebylo možné do 60 minut přistát na záložním letišti. V současnosti se nová letadla této konfigurace neobjevují, nicméně existuje ještě mnoho strojů v aktivní službě. Nevýhodou uspořádání ocasních ploch do T je v prvé řadě vyšší hmotnost daná zvýšenými nároky na tuhost konstrukce, jak již bylo uvedeno. Přidaná hmotnost také pochází od ovládacích systémů výškového kormidla, které musí být vedeny celou délkou kýlové plochy. Hlavní výhoda tohoto uspořádání, totiž umístění VOP mimo vrtulový vír od motoru umístěného vpředu, zároveň souvisí i s jednou nevýhodou. Tou je skutečnost, že díky poloze VOP mimo vrtulový vír dochází s klesající rychlostí letu ke snižování účinnosti kormidel, zejména výškového. Ovládání stroje pak není tolik citlivé a stává se obtížnějším. Toto může být problém zejména při přistání a vzletu. Sníženou citlivost výškového kormidla při letech nižší rychlostí lze kompenzovat užitím plovoucí výškovky, což však mnohdy vede ke zbytečně velké citlivosti a přehnaným reakcím, zejména při vyšších rychlostech letu. Brno Matěj Podhorský

20 V případě hrubého přetažení letounu s ocasními plochami typu T lze pozorovat neúčinnost výškového kormidla z důvodu stínění křídlem, tedy stavu, kdy se OP nacházejí v turbulentním proudění odtrženém od křídla. Nebezpečí takové situace tkví v tom, že se vybírání takového režimu uskutečňuje zásahem výškového kormidla, které je však v tomto případě neúčinné. Literatura [2] uvádí, že letadlo je v tomto režimu velmi stabilní a k vybrání je potřeba dostatečné účinnosti výškovky, stále se tak ale děje za velké ztráty výšky. Proto navrhuje použití VOP a výškovky většího rozpětí. Dále se uvádí, že většina velkých dopravních letounů je vybavena servomotory, které při přetažení varují piloty vibracemi nebo navrací páku řízení vpřed, aby bylo zamezeno přechodu do tohoto letového režimu Použití Uspořádání ocasních ploch typu T používá například dopravní letoun ze 60. let, Tupolev Tu-154, který je v našich krajích dobře známý, zejména díky zařazení u ČSA a službě dvou strojů u armádního letectva, které byly užívány jako vládní a prezidentský speciál. Jednalo se o jeden z nejrychlejších dopravních letounů, dosahoval rychlosti až 975 km/h. Zvolená koncepce dovolila konstruktérům situovat pohonné jednotky na záď stroje, z toho jeden motor byl umístěn v kořeni SOP. Pro britský Bae- 146 byla použita stejná koncepce, protože je to hornoplošník a klasické ocasní plochy by byly přímo ofukovány proudovými motory. Zajímavou aplikaci našla tato koncepce na americkém stíhacím letounu Lockheed F-104 Starfighter, nebo na známém československém cvičném proudovém stroji L29 Delfín. Už bylo zmíněno, že toto uspořádání je oblíbené konstruktéry větroňů, kde hlavním důvodem je ochrana ocasních ploch, zejména VOP, před možným kontaktem s porostem při přistání do terénu. U většiny produkce se nepoužívá jiné konfigurace, vyjímkou jsou akrobatické větroně, například Swift S-1 a MDM-1 Fox. 3.5 Křížové uspořádání (Pozn.: toto uspořádání je někdy nazýváno klasické nadsazené VOP.) V případech, kdy by použití ocasních ploch typu T vyžadovalo obzvláště zvýšené konstrukční nároky a přineslo zbytečný nárůst hmotnosti, existuje ještě řešení, které kombinuje výhody uspořádání typu T a klasického uspořádání. Jedná se o tzv. křížové uspořádání. Toto pojmenování vychází z tvaru ocasních ploch při pohledu zezadu. Stabilizátor umístěný přibližně uprostřed výšky kýlové plochy tvoří kříž. Stabilizátor se zároveň nachází výše než trup, tedy v oblasti, kde proudění není ovlivněno křídlem nebo vírem od vrtulí pohonných jednotek. Tímto způsobem se také zabrání ofukování stabilizátoru horkými výfukovými plyny proudových pohonných jednotek, podobně jako u typu T Konstrukce Konstrukčně se toto uspořádání příliš neliší od předchozích uvedených typů, platí tedy podobné principy, které byly probrány v částech a Rozdíl najdeme pouze v tom, že stabilizátor nemusí být nesen celou délkou kýlové plochy, ale je uchycen zhruba v polovině, to znamená, že SOP pak nemusí splňovat tak vysoké nároky na pevnost a tuhost konstrukce, jako v případě koncepce typu T, tedy ocasní plochy Brno Matěj Podhorský

21 tohoto uspořádání mohou být lehčí, než podobně velké uspořádání typu T, konkurovat hmotnosti klasických ocasních ploch však nemohou. Stejně tak systémy ovládání výškového kormidla není nutno vést přes celou délku kýlové plochy, tím pádem se ušetří část hmotnosti. Jak ale uvádí literatura [3], kvůli poloze VOP nedochází k působení stabilizátoru jako koncové desky pro SOP tak, jako je tomu v případě ocasních ploch typu T, nelze tedy ocasní plochy odpovídajícím způsobem zmenšit, aby byla ušetřena plocha a bylo tak dosaženo další úspory hmotnosti. Podobně jako je tomu u již jmenovaného letounu L610, je zde možno použít rohového odlehčení pro směrové kormidlo. U výškového kormidla je možno použít tento typ odlehčení bez problémů Výhody a nevýhody Očividnou výhodou křížového uspořádání ocasních ploch je tedy spojení výhod typu T a úspory hmotnosti z konstrukčních důvodů, které jsou uvedeny výše, v odstavci Ppodobně jako u typu T, VOP není vystavena turbulencím za křídlem a vírům za pohonnými jednotkami, což snižuje riziko vzniku únavy materiálů ocasních ploch a jejich závěsů. Podle literatury [2], je toto důležité vzít v potaz zejména u vrtulových letounů s vysokým poměrem výkonu a hmotnosti. Literatury [2] a [3] shodně uvádějí jako nevýhodu skutečnost, že není dosaženo efektu koncové desky, který pomáhá snižovat aerodynamické ztráty a tím zvyšovat účinnost směrového kormidla. Toto je uvedeno i v části Další možná nevýhoda pramení opět z umístění stabilizátoru. Vyskytují se zde totiž čtyři rohy, přechody mezi vodorovnou a svislou ocasní plochou, které zvyšují celkový aerodynamický odpor vznikem interferenčního odporu. Směrové kormidlo také musí mít prostor pro natočení do polohy maximální výchylky, proto bývá výškové kormidlo navrženo podle toho, kolik místa je nutné udělat pro směrovku. To vede k situaci, kdy není možné plně využít rozpětí stabilizátoru pro výškové kormidlo a směrové kormidlo je opatřeno výřezem, aby v provozu nedocházelo ke kolizím kormidel Použití Typickými představiteli této koncepce uspořádání jsou například bizjety: Dassault Falcon a Lockheed Jetstar. Falcon se může vyskytovat jako dvoumotorový i třímotorový, oba druhy však mají stejné uspořádání ocasních ploch, v případě třímotorového se třetí pohonná jednotka nachází v koření SOP. Ze stíhacích letounů to byly například první německý proudový stíhač Messerschmitt Me-262, první masově použitý sovětský stíhač se šípovým křídlem Mig-15, nebo první spojenecký proudový stíhač v nasazení, Gloster Meteor. 3.6 Zdvojené svislé ocasní plochy Uspořádání ocasních ploch se zdvojenými svislými plochami může být dvojího typu. Oba mají svislé ocasní plochy na obou koncích jedné vodorovné ocasní plochy, rozdíl je v uchycení k trupu letounu. První typ je jednotrupý, podle literatury [7] též samonosný, ocasní plochy jsou uchyceny k trupu přes závěs, který se obvykle nachází Brno Matěj Podhorský

22 uprostřed rozpětí vodorovné ocasní plochy, kdežto druhý typ má trupy dva a na nich jsou kýlové plochy. Mezi nimi se pak nachází opět jeden stabilizátor. Jednotrupému uspořádání se pak také může říkat uspořádání typu H, podle tvaru písmene H, který takové ocasní plochy připomínají. Toto označení se často používá zejména v anglicky psané literatuře. SOP ovšem nemusí nutně být upevněny až na koncích VOP, mohou být posunuty směrem k podélné ose letounu, příkladem může být anglický válečný bombardér Armstrong Whitworth Whitley. Uspořádání s dvojitými SOP se používá tehdy, je-li potřeba zachovat letoun dobře řiditelný i při malých rychlostech letu. Toho se docílí umístěním svislých ocasních ploch do vrtulového proudu, ve kterém jsou pak kormidla účinnější, což je přínosné i pro pohyb letadla na zemi. Toto uspořádání má též výhody v případě vysazení jedné pohonné jednotky, kdy se zachová účinnost směrových kormidel. Nepříznivým důsledkem umístění ve vrtulovém víru je přenos vibrací od turbulentního vrtulového víru do konstrukce ocasních ploch a řízení. Jak už bylo řečeno, tyto vibrace zvyšují riziko únavy materiálu, vibrující řízení rovněž neprospívá ani pohodě pilota. Literatura [3] také uvádí, že koncepce se zdvojenými SOP pomáhá udržet tyto obtékané i při vysokých úhlech náběhu. Jako příklad uvádí výcvikový letoun amerického letectva Fairchild T-46. Stejná literatura pak navrhuje případy, kdy je vhodné použít zdvojené ocasní plochy dvoutrupého typu, například je-li snaha použít tlačné uspořádání pohonné jednotky (motor je před vrtulí) nebo když je potřeba umístit težký proudový motor co nejblíže těžišti Konstrukce Jednotrupá varianta zdvojených SOP vyžaduje tuhou a pevnou konstrukci, protože na koncích nese právě SOP. Zvýšené nároky jsou kladeny též na závěsy stabilizátoru na trup, ty musí snést velké zatížení od celých ocasních ploch, které navíc, s velkou hmotností přidanou na obou stranách a poměrně dlouhých ramenech, mohou vyvolávat kroucení koncové části trupu. Tyto problémy se nevyskytují u dvoutrupé koncepce. SOP jsou integrálními částmi trupu, stabilizátor je uchycen na obou svých koncích, může mít tedy poměrně tenkou konstrukci, což šetří hmotnost. Svislé ocasní plochy jsou obvyklé konstrukce, pouze nejsou u jednotrupého typu součástí trupu. Literatura [7] uvádí jako nejčastější tvar SOP pro tuto koncepci tvar eliptický. Pro dvoutrupé koncepce je to často lichoběžník Výhody a nevýhody Koncepce se zdvojenými svislými ocasními plochami má podle literatury [11] výhody zejména v nižší stavební výšce letounu, to znamená, že při stejné ploše SOP se dosáhne nižší výšky letounu. Dále píše, že použitím tohoto uspořádání se mohou v některých případech vyřešit konstrukční komplikace provázející uchycení velkých jednoduchých kýlových ploch na konec trupu. Neméně významnou předností je podle něj i zvyšování účinnosti VOP a výškového kormidla díky snížení indukovaného odporu na ocasních plochách. SOP na koncích stabilizátoru totiž působí jako koncové desky. Literatura [7] píše následující: U letadla se dvěma ocasy mívají vodorovné ocasní plochy tvar nosníku o dvou podporách, což značně snižuje jejich váhu a Brno Matěj Podhorský

23 dovoluje, aby byly velmi štíhlé, čímž se zmenší jejich indukovaný odpor a zvýší účinek. Při takovém uspořádání mohou být vodorovné ocasní plochy o 25 až 30% menší než při uspořádání samonosném. Dále ze stejné literatury: U dvou a více motorových je rozšířeno uspořádání zdvojené. Má před uspořádáním jednoduchým řadu předností, zejména: Kýlovými plochami se zmenší indukovaný odpor vodorovných ocasních ploch. Snižuje se působiště vztlaku na svislé ocasní plochy, což zmenšuje kroutící moment trupu. Zmenšuje se vliv vírové oblasti. Dostává se lepší výstřel dozadu. Zdvojené svislé ocasní plochy jsou u dvoumotorových letadel v proudu vrtulí, což zvyšuje jejich účinek. Literatura [3] se zmiňuje o využití zdvojených ocasních ploch ve vojenském letectvu: Na letounu Fairchild A-10 slouží ocas typu H k zakrytí horkých trysek motoru před teplem naváděnými raketami při pohledu zezadu a ze stran. Dle literatury [2] lze k již uvedeným přednostem přidat nízký klonivý moment při vychýlení směrovek, což je dáno krátkým ramenem tohoto momentu. Zmiňuje se i o odolnosti vůči bojovému poškození, jinak řečeno, poškozený letoun má ještě jednu záložní SOP, zůstává tedy ovladatelný, byť o něco hůř. Autor pokračuje o dvoutrupé koncepci se zdvojenými SOP: Při přepravě nákladů může dvoutrupá koncepce kombinovaná s hornoplošným uspořádáním křídla být vhodná z hlediska nakládání a manipulace s nákladem kolem letadla. Pokud lze trupy využít pro zástavbu palivových nádrží (to však přichází v úvahu pouze pro letadla extrémního doletu), dvoutrupý design může ve skutečnosti dosáhnout nižší hmotnosti. Příkladem takového řešení je Rutan Voyager, rekordní letoun, který obletěl zeměkouli bez mezipřistání. Nyní k nevýhodám: v literatuře [11] vyjmenovává autor tyto zápory: větší odpor, plynoucí z více ploch, dále větší interferenční odpor. Zmiňuje rovněž větší namáhání VOP od SOP umístěných na konci VOP a rovněž se podle něho komplikují řízení, zejména při stejných výchylkách směrového kormidla. Literatura [2] uvádí o nevýhodách dvoutrupých koncepcí následující: Dvoutrupá uspořádání jsou většinou těžší než uspořádání s klasickým trupem. Jeden z důvodů, proč se tak děje, je že trupy této koncepce obvykle nejsou tak aerodynamicky jemné a štíhlé, což zvyšuje odpor, kvůli kterému je zapotřebí instalovat větší výkon a s výkonnějšími motory roste hmotnost. Když se podíváme na ocasní plochy například letounu L200 Morava, je patrné, že i ovládací mechanismus zejména směrových kormidel musí být složitý, protože zatímco v trupu je veden po směru letu, následně musí být vyveden do VOP, kde pokračuje po obou stranách k SOP. Nejenže se zvyšuje konstrukční náročnost takového řešení, roste i hmotnost a v neposlední řadě se komplikuje přístup k mechanismům a tím i údržba. Brno Matěj Podhorský

24 3.6.3 Použití Klasickým zástupcem jednotrupé koncepce se zdvojenými SOP je legendární československý cestovní letoun L200 Morava. Tento letoun má dva motory a poměrně vysokou kabinu pro cestující, motivace konstruktérů použít toto uspořádání je tedy celkem zjevná. SOP nejsou stíněny trupem, mohou být nižší díky zdvojení a v případě vysazení jednoho z motorů je druhá SOP stále ofukována proudem od vrtule a tedy účinná. Konkrétně L200 však provázely v průběhu provozu komplikace související se závěsem SOP. Jiným zástupcem civilních cestovních letounů je anglický lehký hornoplošný letoun ze 40.let, Chrislea Super Ace. Mezi další zástupce patří druhoválečné bombardéry Avro Lancaster, Armstrong Whitworth Whitley, nebo sovětské Petljakov Pe-2 a Tupolev Tu-2. Takto konstruované letouny, díkym zdvojeným SOP, často mohly i v případě bojového poškození doletět zpět. Byl zmíněn i Fairchild A-10 Thunderbolt, útočný letoun pro protitankový boj a podporu pozemních jednotek. Ze současných dopravních letounů můžeme jmenovat nákladní stroje Antonov An-14, An-22, An-28, An-38 a největší civilní nákladní letoun An-225, nebo stroje Short 330 a Short SC7 Skyvan. Kvůli použití velké nakládací rampy se ocas takových strojů nachází ve velké výšce a použití jednoduché svislé ocasní plochy by mohlo způsobit komplikace jak při konstrukci, tak při provozu, zdvojené SOP mohou být vhodným řešením. Dvoutrupou koncepci využíval například rychlý dvoumotorový stíhací letoun Lockheed P-38 Lightning, nebo letoun P-82 Twin Mustang, který sloužil, podobně jako Lightning, jako těžký a noční stíhač a doprovodný letoun, nacisté vyvíjeli obdobný stroj, Messerschmitt Bf-109Z. U civilního letounu Cessna Skymaster byla dvoutrupá koncepce zvolena s ohledem na použití tlačného uspořádání druhé pohonné jednotky. Výše je psáno, že tato koncepce je také vhodná pro umístění proudového motoru blízko těžiště, příkladem jsou stíhací letouny Saab 21 a de Havilland Vampire. Stejné uspořádání, jen s VOP umístěnou nahoře má letoun de Havilland Vixen. Mezi většími letouny to byly například Nord Noratlas, který dlouhá léta sloužil u německého letectva, nebo stroje Fairchild C-82 Packet a C-119 Flying Boxcar. Tyto stroje mohly být nakládány velkými zadními vraty, umožňovaly bezpečné provádění hromadných výsadků nebo shozu materiálu a techniky. Také trup mohl díky použité koncepci mít větší objem, tím pádem schopnost pojmout rozměrnější náklady. Jistě velmi pozoruhodným strojem se zdvojenými SOP dvoutrupé koncepce je polský zemědělský letoun PZL M-15, přezdívaný někdy díky svému neobvyklému vzhledu Belfegor (podle stejnojmenného démona). Tento zvláštní stroj je jediným proudovým letounem s dvouplošnou koncepcí křídel na světě a má dvoutrupé uspořádání dvojitých SOP, právě kvůli umístění proudového motoru v trupové gondole Zdvojené SOP na trupu Některé velké moderní stíhací letouny využívají uspořádání se zdvojenými SOP na trupu. Je to proto, že jednoduchá SOP může být ovlivňována rázovými vlnami za kabinou a také, jak je uvedeno v části 3.3.2, SOP se může nacházet v oblasti expanzní vlny nad trupem, což snižuje účinnost SOP. Více informací je v části Literatura [3] uvádí, že takové uspořádání je sice těžší, než jednoduchá SOP o stejné ploše umístěná v ose letounu, ale obvykle je účinnější. Představiteli této koncepce jsou Brno Matěj Podhorský

25 například americké stíhačky F-14, F-15, F-18, dále ruské Mig-25, Mig-29, Suchoje Su- 27, Su-37, Su-34. Poslední dva jmenované však v některých svých modifikacích využívají i pomocné canardové plochy pro zvýšení obratnosti Vícenásobné svislé ocasní plochy Existují i případy, kdy se vyskytují vícenásobné SOP. Většinou se tak činí z prostorových důvodů, protože toto řešení nemá mnoho jiných výhod a vykazuje větší aerodynamický odpor, zejména interferenční. U dopravního letounu Lockheed Constellation byly použity tři SOP, zejména proto, aby se, jak uvádí literatura [3], vešel do tehdejších hangárů a nebylo nutné je zvyšovat, což by přineslo leteckým dopravcům další náklady spojené se zavedením nového typu. Northrop-Grumman E-2 Hawkeye používá dvojité SOP na konci VOP, mezi nimi však má dvě další menší SOP. Toto řešení pomáhá šetřit místo na palubách letadlových lodí, pro něž byl Hawkeye navržen. Vojenský letoun pro průzkum a pozemní podporu Grumman OV-1 Mohawk má řešení se třemi štíhlými SOP. Krajní jsou vystaveny ve vrtulovém proudu a v případě poruchy motoru má stále dost účinné směrovky. Létající člun Boeing 314 Clipper, jehož prototyp byl zalétán roku 1938, měl původně jednoduchou SOP. Podle literatury [13] to však bylo při záletu vyhodnoceno jako nedostačující, taková SOP nebyla schopna letoun stabilizovat v přímém letu. Stroj byl poté navrácen k výrobci na přepracování a místo původní SOP dostal dvojité SOP typu H. I tato konfigurace však byla shledána nedostatečnou a finální verze stroje již měla ocasní plochy, které by se daly popsat jako kombinace předchozích dvou řešení, tedy jednu SOP uprostřed a dvě po stranách. Zajímavou ukázkou koncepce vícenásobných ocasních ploch jsou letouny Breguet 761/763/765k, též zvané Deux-Ponts, neboli dvoupatrové. Tyto měly velmi štíhlé dvojité SOP na koncích VOP a z konce trupu plynule vychází jakási třetí pomocná kýlová plocha bez směrového kormidla. Koncepce vícenásobných SOP není příliš obvyklá u cestovních letounů, ale i zde nalezneme výjimky. Pozoruhodným úkazem je letoun Bellanca Cruisemaster, o němž pojednává literatura [15], poválečný jednomotorový čtyřmístný cestovní dolnoplošník s trubkovou příhradovou konstrukcí trupu, jenž byla potažena plátnem, a s dřevěnými křídly. Ocasní plochy jsou kombinací příhradové trubkové konstrukce a překližky, odtud letoun dostal přezdívku Překližková Connie, od podobně uspořádaných ocasních ploch letounu Lockheed Constellation. Zajímavostí je, že jenom prostřední SOP s trubkovou konstrukcí má směrové kormidlo, postranní menší SOP mají pouze stabilizační účinek, tyto jsou vyrobeny z překližky. 3.7 Sdružené ocasní plochy Sdružené ocasní plochy, někdy též motýlkové, nahrazují konvenční uspořádání ocasních ploch. Redukuje se počet ocasních ploch, místo SOP a VOP jsou dvě ocasní plochy s velkým úhlem vzepětí Konstrukce Konstrukčně jsou motýlkové plochy podobné VOP běžných uspořádání. Obě motýlkové plochy mají kormidla, která zajišťují klopení i zatáčení. Právě ovládání Brno Matěj Podhorský

26 kormidel je největší zvláštností. Princip ovládání vysvětluje literatura [11] takto: Sdružené ocasní plochy pracují na principu rozkladu vztlakové síly VOP s velkým úhlem vzepětí, svislé složky plní funkci výškového kormidla, vodorovné pak směrového kormidla. Dále se pak ve stejné literatuře píše, že při zatáčení vzniká nepříznivý druhotný klonivý moment opačného smyslu než zatáčení, který je nutno eliminovat diferenciovanými výchylkami kormidel při zatáčení, což komplikuje řízení. Princip rozkladu sil a ovládání je názorně vysvětlen na obrázku Výhody a nevýhody Literatura [2] uvádí jako možnou výhodu této koncepce zmenšení plochy OP, tím pádem i hmotnosti v porovnání s konvenčním uspořádáním. Podle literatury [3] však intenzivní výzkum agentury NACA prokázal, že pro dosažení uspokojivé rovnováhy ovladatelnosti a stability musí mít sdružené ocasní plochy dohromady podobnou plochu jako běžná uspořádání. Ve stejné literatuře se však dále píše, že oproti klasickým OP mají sdružené menší interferenční odpor. Literatura [11] uvádí mezi výhodami nižší hmotnost konstrukce a menší odpor vzduchu. Nevýhodou sdružených ocasních ploch je však přítomnost druhotného klonivého momentu při zatáčení, jak je uvedeno v předchozí části. Literatura [18] pojednává o bezpečnostních opatřeních u letounu Beechcraft Bonanza. V provozu u verze se sdruženými OP došlo v průběhu 80. let k sérii nehod kvůli zlomení OP, stalo se tak pravděpodobně při překročení letové obálky. Následně probíhalo vyšetřování FAA, které vyústilo ve vývoj kitu pro zesílení ocasních ploch v jejich kořeni. Po aplikaci této sady na letouny se počet podobných nehod rapidně snížil Použití Obr [11] Mezi letouny s takto uspořádanými OP se řadí již zmíněná Bonanza, která se ovšem vyráběla i s klasickými OP. Americká firma Cirrus Aircraft vyvíjí proudový cestovní letoun kategorie VLJ (Very Light Jet malé proudové cestovní letouny) s názvem SF50 Vision. Tento letoun je poháněn proudovým motorem, jenž je umístěn na hřbetu trupu. Podle zdroje [20] je toto řešení zvoleno z bezpečnostního hlediska, protože pohonná jednotka není umístěna v trupu a je oddělena od prostoru pro cestující. Dále takové řešení podle stejného zdroje usnadňuje certifikaci stroje. Kvůli umístění pohonné jednotky bylo použito motýlkových ocasních ploch. Podobné uspořádání jak OP, tak pohonné jednotky má bezpilotní letoun Global Hawk. Radarem obtížně zjistitelný letoun amerického letectva Lockheed F117 také využívá motýlkových OP. Brno Matěj Podhorský

27 3.7.4 Obrácené V Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu Literatura [3] uvádí, že pokud se použije uspořádání s ocasními plochami opačného vzepětí (velké negativní vzepětí), odstraní se tak přítomnost opačného klonivého momentu, než je zatáčení, a místo toho tento moment bude působit ve smyslu zatáčení. Podle stejné literatury se dále uvádí, že letoun s takto uspořádanými ocasními plochami pak má menší snahu přecházet do spirály. Jako nevýhoda se však ve stejné literatuře uvádí, že takto řešené ocasní plochy mohou způsobit problém při řešení podvozku letadla a při pohybu po zemi, jelikož se jejich konce mohou vyskytovat blízko země. Možným řešením tohoto problému je použití ocasních ploch jako součásti přistávacího zařízení, tedy opatření konců OP koly. Toto je možné vidět na ultralehkém letadle Lazair III. Podobnou koncepci OP, ovšem s přidanou spodní kýlovou plochou, má bezpilotní prostředek amerického letectva MQ1 Predator. Existuje i dvoutrupá varianta této koncepce, takové uspořádání má bezpilotní prostředek RQ7 Shadow s tlačným uspořádáním pohonu. Výhody dvoutrupé koncepce ocasních ploch byly uvedeny v části Typ Y Přidáním svislé ocasní plochy ke sdruženým ocasním plochám a zmenšením úhlu jejich vzepětí vznikne uspořádání typu Y. Podle literatury [3] je součástí SOP, která obvykle bývá pod trupem, směrové kormidlo pro zatáčení, zatímco změna náklonu se provádí pomocí kormidel na sdružených ocasních plochách. Díky tomu je možné odstranit složitý systém ovládání kormidel motýlkových ploch, literatura [3] navíc uvádí, že toto uspořádání generuje oproti konvenčnímu nižší interferenční odpor. Příkladem stroje s takovou koncepcí ocasních ploch je letoun Bugatti 100, postavený ve Francii firmou Bugatti před 2. světovou válkou. Podle literatury [19] byla na SOP umístněna pevná ostruha, která byla součástí přistávacího zařízení. V náběžných hranách motýlkových ploch pak byly nasávací otvory pro přívod vzduchu ke chladičům motorů umístěných za kabinou pilota. Tento letoun byl na svou dobu velmi pokročilý a aerodynamicky čistý, podle literatury [19] měl sloužit k závodům, nikdy však nevzlétl. Existuje i koncepce obrácené Y, takovou konfiguraci má například stíhací letoun F-4 Phantom, který je takto podle literatury [3] řešen především proto, aby při vysokém úhlu náběhu nebyly VOP skryty v úplavu křídla. Dalším představitelem s ocasními plochami typu Y je americký bezpilotní letoun MQ9 Reaper. Má standardní podvozek příďového typu a tlačnou vrtuli umístěnou za OP. 3.8 Kachní plochy Kachní plochy, neboli canardové plochy (canard = fran. kachna) jsou vodorovné plochy, které jsou umístěny před křídlem na přídi letounu. První letouny, Wright Flyer, byly vybaveny kachními plochami. Literatura [3] k tomu uvádí: Canardové plochy byly užity při stavbě první letounů bratří Wrightů pro zajištění potřebné účinnosti řízení, ale nebyly příliš oblíbeny kvůli neschopnosti zajistit dostatečnou stabilitu. Jejich první letouny byly ve skutečnosti poměrně nestabilní a vyžadovaly zkušeného letce s rychlými reflexy. Filmové záběry pořízené pasažéry za letu ukazují, jak pilot neustále pohybuje řídicí pákou mezi krajními polohami potlačeno a dotaženo, aby kompenzoval reakce kormidla na poryvy a turbulence. Brno Matěj Podhorský

28 Podle literatury [3] je dnes možné dělit canardové plochy na řídicí a vztlakové. První jsou využívány pouze pro klopení, při horizontálním letu však operují při téměř nulovém úhlu náběhu a tak nesou pouze velmi malou část hmotnosti letadla. Literatura [3] uvádí jako příklad pokusný letoun Grumman X29. V horizontálním letu a nulovém úhlu náběhu canardů je letoun podélně neutrální, čehož se dosahuje složitým systémem řízení pomocí počítačů a canardové plochy se neustále automaticky vychylují v závislosti na poryvech, to samé byl nucen pilot Wright Flyeru dělat ručně. Podobné uspořádání, často v kombinaci s delta křídlem používají pozdější stíhací letouny 4. generace, jako Eurofighter Typhoon, Dassault Rafale. Ruský Suchoj Su33 (námořní verze Su27) používá canardové plochy i klasické VOP. Canardy slouží pro zkrácení vzletu a pomáhají zvýšit obratnost. Literatura [3] uvádí, že uspořádání se vztlakovými kachními plochami je teoreticky aerodynamicky účinnější než běžné křídlo, protože je možné použít křídlo menší plochy. Má však i některé nevýhody, například křídlo musí být posunuto dozadu, což má za následek zvýšení klopného momentu při použití vztlakových klapek křídla, který musí být kompenzován zvýšením vztlaku na kachní ploše. Podle literatury [2] musí být pevné kachní plochy navrženy tak, aby u nich došlo k odtržení proudění dříve než u křídla. Pak vzniká klopivý moment, který způsobí snížení úhlu náběhu letounu a tak se obnoví proudění a vztlak na nosných plochách. Bezpečnost letu, kterou takové řešení poskytuje je podle literatury [3] hlavním důvodem, proč jej konstruktér Burt Rutan použil při návrhu letounů VariEze, Long-EZ, Aries a dalších. Brno Matěj Podhorský

29 4. Závěr Úkolem této práce bylo předložit přehled uspořádání ocasních ploch. V teoretické části byly stručně vysvětleny pojmy, které poslouží k lepšímu porozumění problematice ocasních ploch. Bylo provedeno rozdělení koncepčních řešení, u nejčastěji používaných řešení byl proveden stručný popis konstrukce, rozbor výhod a nevýhod a výčet použití na letadlech. Bakalářská práce tedy tvoří základní přehled možných koncepcí uspořádání ocasních ploch. Na tomto místě je vhodné dodat, že nebyla obsažena všechna řešení znázorněná v části 3.2. Pravdou ale je, že ve většině případů další koncepce ocasních ploch principiálně vycházejí z řešení, která již byla rozebrána v práci, případně jejich použití bylo dáno konkrétním zaměřením a tedy velmi okrajové, nebo se v praxi neosvědčily a byly nahrazeny uspořádáním obvyklejším. Nicméně při volbě koncepce ocasních ploch vždy záleží na uspořádání celého letadla, pohonných jednotek, účelu, k němuž má sloužit a na konkrétních podmínkách, v jakých bude stroj provozován. Tato problematika je velmi složitá, protože spojuje zákonitosti aerodynamiky s konstrukčními, ekonomickými, provozními, legislativními, bezpečnostními, a v neposlední řadě estetickými hledisky. V průběhu zpracovávání práce jsem se setkal s různými typy letadel, od notoricky známých a běžných až po takové, které by se daly nazvat velmi neobvyklými. Rovněž byly zmíněny jak stroje historické, tak stroje současné a moderní, například bezpilotní letouny. Vzhledem k tomu, že jsem díky svému zájmu o letectví s některými koncepcemi již přišel do styku, tímto způsobem jsem měl možnost pochopit, jak fungují. Jsem velmi rád, že jsem si tímto způsobem mohl rozšířit obzory a znalosti letectví a zároveň se seznámit s množstvím odborné letecké literatury. Brno Matěj Podhorský

30 5. Seznam použité literatury [1] MERTL, Vlastimil. Konstrukce a projektování letadel. Vyd. 1. Brno: PC-DIR Real, 2000, 133 s. Učební texty vysokých škol (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství). ISBN [2] ROSKAM, Jan. Layout design of cockpit, fuselage, wing and empennage: cutaways and inboard profiles. 3. print. Lawrence, Kan: DARcorporation, ISBN X. [3] RAYMER, Daniel P. Aircraft Design : A Conceptual Approach. [s.l.] : AIAA Series, s. ISBN [4] POPELA, Robert. Aerodynamika [online]. [cit ]. Dostupné z WWW: < [5] TŮMA, Jiří. LETADLA: Pro učební a studijní obory na SOU. 1. vyd. [s.l.] : SNTL, s. ISBN [6] O letadlech. SLAVĚTÍNSKÝ, Dušan. [online]. [cit ]. Dostupné z: [7] SULŽENKO, M. N. Konstrukce letadel. Pavel Kudrický. 1. izdanie. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, s. [8] JENKINSON, Lloyd R., SIMPKIN, Paul, RHODES, Darren. CIVIL JET AIRCRAFT DESIGN. Great Britain : Arnold, s. ISBN X. [9] KOLMAN, Libor. Řiditelnost modelu a jeho konstrukce [online]. [cit ]. Dostupné z: [10] RAYNER, Daniel P.. Simplified Aircraft Design for Homebuilders. [s.l.] : Design Dimension Press, s. ISBN [11] SLAVÍK, Svatomír. Stavba letadel. Vyd. 1. ČVUT, ISBN [12] JÁN, Tomáš. ETOPS: Když je záložní letiště daleko. In: Vztlak.net [online] [cit ]. Dostupné z: [13] BOGASH, Robert A. In search of an icon: The Hunt for a Boeing B-314 Flying Boat Pan American NC the Honolulu Clipper [online]. [cit ]. Dostupné z: [14] BRIDGMAN, Leonard. Jane's All The World's Aircraft Londýn: Jane's All The World's Aircraft Publishing Company., [15] Bellanca Cruisemaster. WILLIAMS, Russell. Williams Vintage Aircraft Site [online] [cit ]. Dostupné z: cription Brno Matěj Podhorský

31 [16] DANĚK, Vladimír. Mechanika letu. Vyd. 1. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2011, 334 s. ISBN [17] ŠKORPÍK, Jiří. Efekty při proudění vysokými rychlostmi. Transformační technologie [online]. leden 2006 [cit ]. Dostupné z: [18] LANDSBERG, Bruce. Bonanza Safety Review. Aircraft Owners And Pilots Association Online [online] [cit ]. Dostupné z: [19] JAAP, Horst. Bugatti 100P Airplane. Bugatti Aircraft Association [online] [cit ]. Dostupné z: [20] Cirrus Vision SF50: Vision SF50 Design notes. Cirrus Aircraft [online]. říjen 2010 [cit ]. Dostupné z: [21] MQ-9 Reaper Hunter/Killer UAV. Defence Update: International Online Defence Magazine [online] [cit ]. Dostupné z: [22] U.S. Using Armed Predator Drones Over Libya. DefenseTech [online] [cit ]. Dostupné z: [23] PIKE, John. RQ-4A Global Hawk (Tier II+ HAE UAV). Federation of American Scientists [online] [cit ]. Dostupné z: [24] KEYES, Charles. Drone collision in Afghanistan sparks debate on U.S. availability. CNN Blogs [online] [cit ]. Dostupné z: [25] JIMENEZ, Craig. Lazair II/III Project available for donation to EAA Chapter. Craig R. Jimenez [online] [cit ]. Dostupné z: [26] C-130 Hercules. Airplanes Gallery: Airplanes, featuring news and information. [online] [cit ]. Dostupné z: [27] Mikoyan MiG-23 Flogger. Military Today [online] [cit ]. Dostupné z: I/AAAAAAAADxY/Pfh7gTHeiRY/s1600/mikoyan_mig_23_flogger.jpg [28] Lockheed Jetstar CL-329 Prototype. The Museum of Flight [online] [cit ]. Dostupné z: Protype_P1.jpg [29] PALT, Karsten. Dassault Falcon 900. Flugzeuginfo.net [online] [cit ]. Dostupné z: Brno Matěj Podhorský

32 [30] VLČEK, Richard. Tu154M. Planes.cz [online]. červen 2008 [cit ]. Dostupné z: [31] VLČEK, Richard. L-610G. Planes.cz [online]. červenec 2010 [cit ]. Dostupné z: [32] KUČERA, Mialn. Bemoair LET L-200 Morava OK-PHJ. Airplane pictures [online] [cit ]. Dostupné z: [33] ARCHER, Victor G. Lightning Strikes at Planes of Fame Air Show Airport Journals [online]. červenec 2007 [cit ]. Dostupné z: [34] Boeing flying boats. MSA Computer [online] [cit ]. Dostupné z: [35] LEVIER, Tony. Lockheed 1 to J. Aerofiles [online] [cit ]. Dostupné z: [36] WILLIAMS, Russell. Bellanca Cruisemaster. Williams Vintage Aircraft Site [online] [cit ]. Dostupné z: [37] Beechcraft V35 Bonanza VH-CAD. Airways Museum [online] [cit ]. Dostupné z: Bonanza-V35-VH-CAD-Department-of-Aviation-KTA %28Eyre%29.jpg [38] Grumman E-2C Hawkeye. Military Aircraft [online] [cit ]. Dostupné z: [39] Aerospaceweb.org [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [40] Tangient LLC.. The F.14s [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [41] Flying Aircraft Carriers of the USAF: Monstro and the McDonnell XF-85 Goblin. Air and Space [online] [cit ]. Dostupné z: space.com/goblin/mcdonnell%20d4e% %20xf-85% %20left%20front%20l.jpg [42] Dornier Do 335. GUNSTON, Bill. Luftwaffe Resource Center [online]. 3. května 2004 [cit ]. Dostupné z: [43] Miller JM2. Aerofiles [online] [cit ]. Dostupné z: [44] Lockheed XFV-1 Salmon. Avia Dejavu [online] [cit ]. Dostupné z: Brno Matěj Podhorský

33 6. Seznam použitých zkratek a značek Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu VOP SOP OP b[m] c SAT [m] x T [-] L VOP [m] L SOP [m] V VOP [-] V SOP [-] S [m 2 ] vodorovná ocasní plocha svislá ocasní plocha ocasní plochy rozpětí křídla hloubka střední aerodynamické tětivy poloha těžiště letounu vztaženo k SAT rameno VOP těžiště rameno SOP těžiště mohutnost VOP mohutnost SOP plocha křídla 7. Seznam příloh Příloha 1 - příklady uspořádání ocasních ploch, která byla uvedena v části 3. Brno Matěj Podhorský

34 Příloha 1 Příklady uspořádání ocasních ploch, která byla uvedena v části 3. Klasické uspořádání Uspořádání typu T Mig-23 [27] Lockheed C130 [26] Křížové uspořádání Tu-154M [30] L-610G [31] Lockheed Jetstar [28] Dassault Falcon 900 [29] Brno Matěj Podhorský

35 Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu Zdvojené svislé ocasní plochy L200 Morava [32] Lockheed P38 Lightning [33] Vícenásobné SOP Boeing 314 Clipper [34] Lockheed Constellation [35] Bellanca Cruisemaster [36] Grumman E2 Hawkeye [38] Zdvojené SOP na trupu Grumman F-14 Tomcat [40] Mig-29 [39] Brno Matěj Podhorský

36 Sdružené ocasní plochy Beechcraft V35 Bonanza [37] Global Hawk UAV [23] Obrácené V Lazair III [25] MQ1 Predator UAV [22] RQ7 Shadow UAV [24] Brno Matěj Podhorský

37 Koncepce uspořádání ocasních ploch na letounu Sdružené ocasní plochy typu Y MQ9 Reaper UAV [21] Bugatti 100P [19] Další příklady koncepcí znázorněných na obrázcích v části 3. McDonnell-Douglas XF85 Goblin [41] Dornier Do335 [42] Miller JM2 [43] Brno 2012 Lockheed XFV1 Salmon [44] 41 Matěj Podhorský