- Šikmé křídlo mělo odemknout nadzvukové rychlosti pro leteckou přepravu
- Asymetrická konstrukce byla funkční, ale až praxe ukázala na problémy, se kterými matematika nepočítala
- Koloběh identifikace problémů a jejich odstraňování zabraly roky
Když se řekne letadlo, asi si představíte stíhačku, větroň, nebo šmouhu na obloze rozplývající se za nějakým airbusem či boeingem. Všechny jmenované stroje spojuje osová symetrie. Obě křídla se stejným úhlem jsou stejně dlouhá a mezi nimi najdete trup. Pokud zkusíme zavzpomínat na nějaké extravagantnější varianty, možná si vybavíte třeba Su-47 Berkut s obrácenou šípovitostí křídel, ale tím vesměs originalita končí. Jenže je tu ještě šikmé křídlo…
Nedávno uvedený blockbuster Top Gun: Maverick (ČSFD: 88 %) probudil zájem nejen o létání samotné, ale i o první díl z roku 1986. V něm kromě Toma Cruise hrál hlavní roli stroj Grumman F-14 Tomcat. Jedná se o jeden z nejznámějších letounů s proměnnou šípovitostí křídel. V kontextu tohoto článku je však podstatnější otázka, proč se námořnictvo jakožto hlavní uživatel tohoto stroje rozhodlo pro tak složitou konstrukci. Křídla přeci nesou většinu sil působících na letoun, přitom pohyblivé součásti jsou náročnější na údržbu i pevnost celé stíhačky, zároveň možnosti údržby jsou na letadlové lodi náročnější. Proč tedy riziková konstrukce přetlačila i jednodušeji koncipované stroje?
Důvod spočívá ani ne tak ve skladnosti na palubě, nýbrž v rychlosti. Dlouhá a úzká křídla vytvářejí vysoký vztlak, ať už kvůli nutnosti zdolávat extrémní výšky (špionážní Lockheed U-2), nebo potřebě klouzavosti (u větroňů či dronů) v nízkých rychlostech, krátká zase nejlépe fungují za nadzvukových rychlostí. Jenže trefovat palubu letadlové lodi v rychlosti Mach 1 by nechtěl ani Randy Gordon. Na přistání v tak omezeném prostoru potřebujete čas, který získáte jen díky nižší rychlosti. Proměnná geometrie proto byla logickým vyústěním snahy spojovat výhody vysokých i nízkých úhlů šípovitosti.
Řešení je přeci tak jednoduché!
Proměnná šípovitost však měla své slabiny. O komplikovanosti konstrukce už jsem se zmínil, avšak svou roli hrálo i posouvání těžiště, zvlášť v 70. letech, kdy teprve vznikala technologie fly-by-wire. Jinými slovy, pilot stroje Tomcat musel trénovat ovládání dvou letadel – s každou změnou šípovitosti se F-14 chovala trochu jinak.
Řešení problému stálo na jednoduché úvaze. Proč mít na letadle dva klouby, když stačí jeden? Proč si nezkrátit cestu spojením dvou křídel do jednoho? To už jsme jen krůček od šikmého neboli oblique řešení.
Všechno do sebe zapadalo. Vojenským letadlům necháme proměnnou šípovitost – armáda nerada riskuje a potřebuje rychlejší stroje. Civilní sektor by se však mohl příležitosti chytnout – nepotřebuje hned Mach 2, ale dostat se z běžných cca Mach 0,75 k Mach 1,4 při podobné spotřebě paliva, to znělo v 70. letech jako sen. Celá tato éra přála experimentům a novým projektům (příkladem budiž třeba program SETI), takže i na ověření takto bláznivé koncepce se našel čas a peníze.
První plány na šikmé křídlo se objevily už na stolech německých vědců, nelze zapomenout na Blohm & Voss P.202 či Messerschmitt Me P.1009-1 z roku 1944. Pracoval na něm jistý Richard Vogt, který se v rámci operace Paperclip dostal na půdu Spojených států. Jeho hlavním oborem byla aerodynamika, se kterou pomáhal i Boeingu. Právě tomuto pánovi vděčíme za winglety na špičkách křídel, avšak podstatnější pro náš příběh je, že Vogt se nebál testovat nonkonformní konstrukce včetně těch asymetrických.
O 14 let později na jeho práci navázal Robert Thomas Jones s vcelku rozumným názorem, že s pokrokem v technologiích by se mohlo podařit tuto revoluční myšlenku dotáhnout do konce. Už vzdělání tohoto muže krásně ilustruje, jak mohlo šikmé křídlo vzniknout, proč se neujalo a proč možná dostane druhou šanci. Jones sice pracoval v leteckém průmyslu dlouhodobě a praxi, zejména v konstruktérství, měl jistě obrovskou, ale aerodynamiku a matematiku si doplnil samostudiem. Snad právě proto ho oblique wing tak zaujalo – design je to tak originální, že je snazší ho spočítat a nasimulovat ve větrném tunelu než postavit.
Ďábel se ukrývá v detailech a kalkulačce
Matematickou procházku po šikmém křídle nemůžeme začít jinde než u tzv. divergence. Jistě víte, že křídla mají zhruba kapkovitý profil, jehož „těžiště“ se nalézá na linii kousek za náběhovou hranou. Pokud byste křídlo otáčeli náběhovou stranou vzhůru a odtokovými klapkami dolů, nejdříve poroste vztlak, ale i síla působící na křídlo samotným odporem vzduchu. Tato síla může růst do momentu, kdy je úhel moc velký a dojde ke ztrátě vztlaku, nebo kdy materiál povolí a jediný směr, kterým se letoun vydá, bude k zemi. Odolnost nejde kvůli nárůstu hmotnosti navyšovat donekonečna, takže se R. T. Jones vydal cestou hledání optimálního úhlu šípovitosti, který má za dané rychlosti křídlo k trupu svírat. Po mnoha výpočtech a simulacích dospěl k závěru, že při rychlosti Mach 0,8 je optimální úhel 35°, pro Mach 1 úhel 50° a třeba pro Mach 1,6 už 69°.
A vztlak? Ten generují křídla definovaná svou plochou a tvarem. A pokud je potřebný vztlak konstantní, máte na výběr, jak mu podřídit tvar. Symetricky, nebo ne? Představte si to jako vybarvování jednolité plochy, kdy v jednom případě jste svázáni osovou souměrností a v druhém středovou. Výsledkem osové symetrie budou klasická křídla s vysokou šípovitostí, v případě středové souměrnosti elipsa, tedy tvar jednodušší a z konstrukčního hlediska i pevnější.
Máme vztlak, máme úhel. V čem je problém?
Fyzika funguje v trojrozměrném prostoru a křídlům neklade odpor jen vzduch letící přímo proti vektoru pohybu. Jedním z následků je jev, kdy křídlo postrčené vpřed má tendence klesat, zatímco zadní by se bez kompenzace profilováním ochotně zvedalo, čehož ostatně využívají i tzv. kachní plochy.
U šikmého křídla je však toto chování nežádoucí. Reakcí tedy bylo nosné křídlo správně vytvarovat pro minimalizaci tohoto efektu. Představit si to můžete, jako byste do elipsovitého půdorysu celého otáčejícího se křídla přední náběhovou hranu vysunuli o kousek vpřed a na zadním křídle ji zatlačili vzad do jakési dvojité vlny.
Nedostatky této berličky však o sobě daly záhy vědět v nadzvukových rychlostech. Najednou přední křídlo reagovalo jinak než zadní – to, co fungovalo v nižších rychlostech při akceleraci nad Mach 1, způsobovalo, že na horní a dolní plochu ubíhajícího křídla působily vyšší tlaky než na křídlo vystrčené vpřed. A jakmile se dostanou síly do nerovnováhy, vzniká problém s ovladatelností.
Následoval proto opět návrat k rovnicím a simulacím. Tentokrát došlo na zamítnutí úplné souměrnosti. Co třeba přední křídlo pootočit trochu méně, respektive jej tvarovat tak, aby ona elipsa byl na přední straně trošku víc zmáčknutá? Tlakové síly se tím vyrovnaly lépe, ale narostl problém se stabilitou letu.
Bylo proto nutné hledat další řešení. Tentokrát došlo na špičky křídel a jejich tvarování. Původní lichoběžníkový tvar byl srovnáván s tvarem připomínajícím čepel japonského tanto, ale i seseknutím odtokové hrany a tím pádem zúžením křídla. Výsledek se brzy dostavil: zmenšila se plocha křídla a klesl tak i vztlak.
Než se dostaneme na runway
Hypotetické komplikace z předchozí kapitoly měly své hypotetické následky. Asi byste v kůži testovacího pilota nechtěli usednout do kokpitu nepředvídatelného stroje. Fyzika naštěstí dokáže spoustu vlastností letadla odhadnout, aniž by bylo nutné odlepit podvozek ze startovací dráhy. Naneštěstí se zároveň některé jednou vyřešené potíže vrátily.
Vlivem proudění vzduchu okolo křídla se třeba ukázalo, že šikmé křídlo způsobuje větší vztlak na zadním křídle oproti přednímu. Dokud je křídlo kolmo k trupu, působí vyrovnané síly, ale se zmenšujícím se úhlem rozdíl roste a letoun by měl větší tendence rotovat.
Asi sami tušíte, že při konstantním tvaru nemohla mít situace řešení – pokud každý úhel natočení potřebuje jiný tvar, můžete optimalizovat profil buď k jedné, nebo druhé poloze, ale nikdy ne oběma, čímž ztrácí celá myšlenka proměnlivého úhlu při asymetrickém křídle význam.
Výhodou šikmého řešení nebylo ani to, že ideálně mělo létat v malém náklonu, právě aby se vykompenzoval rozdílný vztlak.
Zatím jsme probrali dvě osy otáčení. Pokud byste si však mysleli, že šikmé křídlo alespoň zvládalo přímý let, mýlili byste se. Zatímco normální letadlo v subsonických rychlostech dokáže držet směr tím, že vychýlí svislou ocasní plochu a vytáhne ailerony (aerodynamické brzdy), u nadzvukových rychlostí tyto brzdy rychle ztrácí účinnost. Opět se hledalo řešení a opět se našlo, tentokrát v podobě vychylovatelných pomocných křidélek připomínajících žraločí ploutve. Jenže smysluplnost celého snažení dostala další trhlinu – k čemu je letadlo, které umí létat rychle i pomalu, ale pořádně neudrží směr?
Dál pokračovat ve výčtu problémů a možných řešení asi nemá smysl. Uvažovalo se o vyvažování nákladem i rozmístěním motorů či změně pružnosti materiálu křídel, ale nic nevedlo k úspěchu, který by více problémů vyřešil než způsobil.
A přeci létá!
Překvapivě však šikmé křídlo 70. léta přežilo v pokročilejším stádiu vývoje než v nákresech a modelech do větrných tunelů. Nejenže se několikrát vzneslo do vzduchu, ale v jednom případě nad zem vyneslo i člověka. A kdo jiný by něco takového zrealizoval než NASA.
Experimentální stroj využívající oblique wing nesl označení AD-1. Už samotný odklon od tradičního pojmenování kombinací písmene X a čísla je pozoruhodný, avšak vysvětlení nadšení utlumí. Nejedná se o žádný Aeroplane Demonstrator: A zastupuje výrobce Ames Industrial a D reprezentuje výzkumné středisko Dryden.
Mohli byste se i ptát, jaké bylo propojení mezi NASA a výrobcem Ames. Inu, v NASA měly větrné tunely, v Amesu zase pracoval již zmíněný R. T. Jones. Právě z jeho iniciativy vznikl levný a relativně pomalý, i když elegantní proudový letoun AD-1. Prázdný vážil jen 660 kg, při startu by na váze ukázal ani ne tunu. Štíhlý profil dokládá délka 11,8 m a rozpětí křídel 9,8 m v poloze kolmé k trupu. Jednoduchost konstrukce dokazují nejen motory o tahu jen 0,98 kN (pro srovnání: Pratt & Whitney F135 ve stíhačkách F-35 má tah 120 kN bez použití přídavného spalování), ale i nezatažitelný podvozek.
Nelze se proto divit, že i maximální rychlost AD-1 byla hluboko pod hodnotami nutnými k vytěžení všech benefitů šikmého křídla. Maximální rychlost byla 322 km/h a i to bylo o 50 km/h víc, než se považovalo za bezpečné.
Pozemní testy však neobjevily žádné překážky, které by bránily testování ve vzduchu. Dokonce se i ukázalo, že pevnost křídla o 15 % překročila odhady. A tak se AD-1 vznesl 21. prosince 1979 z letecké základny Edwards v Kalifornii. K testování otočného elektrického mechanismu tehdy nedošlo, k maximálnímu úhlu 60° se letoun propracovával až do roku 1982.
V průběhu 79 letů se na stroji vystřídalo 17 pilotů. Jejich zjištění i doporučení do budoucna byla skoro věštecká. Potvrdili, že celá koncepce je v zásadě funkční a provedené výpočty odpovídaly chování ve skutečnosti. Zároveň ovladatelnost hodnotili jako náročnou, zejména ve větších úhlech natočení, kdy se projevovala nestabilita a nepříjemné oscilace. Doporučili to kompenzovat instalací fly-by-wire ovládání, nicméně při pohledu na stav svého konta NASA usoudila, že bude raději investovat do jiných nápadů, a AD-1 zaparkovala do Hiller Aviation Museum na půli cesty mezi San Franciscem a San José.
Má ještě dnes oblique wing co nabídnout?
Je paradoxem, že šikmé křídlo mělo přinést revoluci v letecké dopravě, ale nikdy se v praxi nedostalo ani na dohled k praktickému otestování. Ještě větší ironií je, že z celého nápadu našel největší využití benefit, který byl až důsledkem původního nápadu.
Nejběžněji se dnes můžeme setkat s nůžkovým křídlem u dronů, respektive loudavé munice (loitering munition, de facto raketa se schopností v cílové oblasti kroužit a čekat na cíl). Tuto koncepci používá např. Green Dragon od Israel Aerospace Industries kvůli své mobilitě – aby se dal, laicky řečeno, nasoukat do trubky. Nicméně i tentokrát je nutno konstatovat, že konvenčnější design s proměnnou šípovitostí křídel používá podstatně větší množství výrobců, ať už zmíním Switchblade od AeroVironment, Gremlin od DARPA či čínský CH-901.
Jestli tak z celého příběhu plyne nějaké poučení, tak snad jen to, že pokud je něco možné, neznamená to, že to bude užitečné. A za druhé že ani řešitelné problémy není moudré vždycky řešit.
