Historie eliptického křídla

Naše ultralehké letadlo ellipse se svým názvem a samozřejmě i vizuální podobou hlásí k eliptickým tvarům, které často evokují podobu křídla legendární stíhačky Spitfire. Ale co všechno se vlastně skrývá za tímto tvarem? Co přináší pilotům? Co to znamená pro výrobu? Jaké výhody to má pro dnešní piloty? Jak řešíme kompromisy a požadavky předpisů pro moderní, rychlý a bezpečný ultralehký letoun?

V našem krátkém seriálu rozebereme hlavní prvky eliptického křídla – od minulosti až po současnost, představíme i aerodynamické simulace a ukážeme moderní výrobu na bázi uhlíku, která technologicky umožnila to, co bylo před padesáti lety nemožné.

Historie – proč ellipse?

Teoretik Ludwig Prandtl (1) je autorem teorie křídla konečného rozpětí z roku 1918, která, zjednodušeně řečeno, definuje stav, při němž je u nezkrouceného křídla dosaženo minimálního indukovaného odporu. A takové křídlo je dle teorie staré více než 100 let právě eliptické křídlo.

Již první aerodynamické studie ukázaly, že eliptický půdorys křídla je ideálním řešením minimalizace indukovaného odporu, a první letadlo s křídlem eliptického půdorysu vzlétlo v roce 1925 – jednalo s o německý Bäumer Sausewind. (2)

První letadlo s názvem Bäumer Sausewind stejnojmenné firmy z Hamburku ukázalo velký výkonnostní potenciál křídla. Dvoumístné letadlo dosahovalo rychlosti až 170 km/h a přirozeně se tak nabízel další rozvoj konceptů a letadel s tímto křídlem. Konstruktéři firmy bratři Güntherovi se zanedlouho připojili k německému výrobci letadel Heinkel, který chtěl jejich návrhy aplikovat na svoje letadla.

Na počátku 30. let Heinkel rychle vyvinul poštovní letadlo a průzkumný bombardér Heinkel He 70 „Blitz“, který měl již vylepšené eliptické křídlo. Ukázalo se, že na tuto dobu měla letadla vynikající výkon; vytvořila osm samostatných světových rekordů v rychlosti na vzdálenost a He 70 údajně dosáhl maximální rychlosti 377 km/h (222 mph). (3)

Vzápětí Heinkel vyvinul bombardér He 111, který uskutečnil svůj první let 24. února 1935. Ve srovnání s předchozím He 70 se jednalo o větší letadlo, které se původně vydávalo za civilní dopravní letadlo, přestože bylo od začátku koncipováno jako bombardér.

Po první světové válce ale Německo nemohlo vyrábět stíhací a bombardovací letadla, proto bylo toto letadlo prohlášeno za ryze civilní. He 111 byly rovněž vybaveny eliptickým křídlem. Hlavní důvod ukončení vývoje eliptického křídla na He 111 ve prospěch lichoběžníkového křídla byl čistě ekonomický a jednoduchost výroby měla přednost před výkony, které křídlo přineslo.

Meziválečné období je charakteristické bouřlivým rozvojem letectví a také rychlým pokrokem v aerodynamice, pevnostních výpočtech a technologiích leteckých konstrukcí. Je proto pochopitelné, že zde byla snaha nejnovější poznatky z aerodynamiky co nejdříve aplikovat na nové typy letounů.

Inovační cyklus byl v té době mnohem rychlejší než dnes, neboť letecké konstrukce byly mnohem jednodušší a zároveň byla i jednodušší předpisová základna. Svou roli tedy hrál čas, který mohl zajistit významnou konkurenční výhodu v době, kdy se výkony letadel mezigeneračně posouvaly mílovými kroky kupředu.

Aplikace nejnovějších aerodynamických poznatků

Zajímavým příkladem je anglický letoun Dragon Rapide (4). Ve své době byl zástupcem ustupující koncepce klasických dvouplošníků. Ve snaze vytěžit z této koncepce maximum měl eliptický půdorys nosných ploch. Vývoj se pak velmi rychle dal směrem samonosných jednoplošníků, což se stalo díky lepším materiálům a pokroku v teoriích pevnosti a pružnosti kovových konstrukcí. Odpadly vzpěry a lanka a rychlost letadel se významně zvýšila.

Snaha aplikovat nejnovější aerodynamické poznatky vyústila nejen v širší použití eliptického půdorysu křídla, ale také relativně čerstvé novinky – slotů a fowlerových klapek. Eliptické křídlo jako ideální teoretické řešení křídla s konečným rozpětím se však nebejde bez kompromisů.

Kdyby tomu tak nebylo, asi bychom se s ním setkávali mnohem častěji. Problémy tohoto křídla tkví částečně v tom, že při překročení kritického úhlu náběhu dochází k odtržení proudu na křídle po celém rozpětí najednou, což není vhodné z hlediska bezpečnosti.

Před tímto jevem je důležité ochránit hlavně oblast křidélek, proto dochází ke kompromisům jako je kroucení křídla nebo náhrada eliptického křídla zkrouceným lichoběžníkovým (což může být z hlediska indukovaného odporu ekvivalentní řešení zvláště ve spojení s jednodušší technologií výroby).

Další, a možná ještě důležitější, je právě hledisko technologické. Vyrobit eliptické křídlo je velmi složité a pracné. Proto konstruktéři často volí jiný půdorys křídla, který vede k podobně čistému křídlu, ovšem s mnohem menšími výrobními problémy. Jednou z výjimek ale byly například vojenské stíhačky, u nichž byl požadavek na výkony upřednostňován.

Nekompromisní aerodynamické vlastnosti eliptického křídla

Čas však ukázal, že v masové válečné výrobě pak docházelo k úpravám půdorysu eliptického křídla tak, aby bylo křídlo rychleji a snáze vyrobitelné. I zde se ukázalo, že výhodnějším kompromisem je technologicky jednodušší křídlo. Období druhé světové války je rovněž vrcholem vývoje pístových motorů a i toto hledisko hrálo roli v konečném výkonu vojenského letadla.

Eliptické křídlo tedy zůstává doménou hlavně různých speciálních letadel, kde je požadavek na aerodynamickou čistotu či konkrétní funkci letadla nadřazen zbytku kompromisního mixu dané koncepce. V dnešní době technologickou komplikovanost eliptického křídla dosti usnadňuje výpočetní technika, číslicové obráběcí stroje a zejména kompozitní technologie.

Přesto však některé problémy zůstávají a i kvůli tomu není případná renesance eliptického křídla tak významná, jak by se dalo očekávat. Kompromisy je totiž potřeba dělat i dnes a současný vývoj je toho důkazem. Přesto však taková křídla vznikají a dávají pilotům, kteří letadla řídí, pocit výjimečného zážitku letu s dodnes fascinujícím a nenapodobitelným křídlem ve spojení s jeho nekompromisními aerodynamickými vlastnostmi.

Ve druhé části rozebereme, jak z kompromisů udělat přednost pro bezpečné a rychlé létání a jak se aerodynamicky naznačené problémy řešily pomocí pevné štěrbiny právě na našem letadle ellipse.

Zdroje

1. https://www.britannica.com/biography/Ludwig-Prandtl
2. https://wikijii.com/wiki/Bäumer_Sausewind
3. Donald, David, vyd. (1999). Encyclopedia of Civil Aircraft (ilustrované, přepracované vydání). Londýn: Aurum. ISBN 1-85410-642-2. s 494
4. https://cs.wikipedia.org/wiki/De_Havilland_Dragon_Rapide