W pierwszej części omówiliśmy podstawowe pojęcia takie jak profil lotniczy, kąt natarcia oraz krzywe biegunowe. W części drugiej skupimy się na sterowaniu i stateczności.
Samolot porusza się w trzech wymiarach i aby mieć pełną swobodę ruchu, w tych trzech osiach chcielibyśmy nim sterować. Nazwijmy więc te osie. Oś przebiegająca wzdłuż kadłuba (od dzioba do ogona) to oś podłużna (oś x), a obrót wokół tej osi nazwiemy przechyleniem. Oś prostopadła do niej, przebiegająca wzdłuż skrzydeł, to oś poprzeczna (oś y), a obrót wokół niej, to pochylenie. Ostatnia oś, prostopadła do obu poprzednich i przecinająca samolot z góry na dół (oś z) to oś kierunkowa, a obroty wokół tej osi nazwiemy odchyleniem. Warto zapamiętać te nazwy, gdyż pomylenie przechylenia z pochyleniem natychmiast zdradzi nas jako lotniczych laików.
Teraz porozmawiajmy o dwóch fundamentalnych sprawach związanych z lotem tj. statecznością i sterownością. Sterowność to z definicji podatność samolotu na sygnały sterujące. Chcielibyśmy mieć możliwość przy pomocy sterów skierować samolot w konkretne miejsce, albo ustawić go w konkretnej konfiguracji. Dla odmiany stateczność ma nam zapewnić lot stabilny. Definicja tego zjawiska mówi o pojawianiu się siły, która po wytrąceniu samolotu z równowagi dąży do ponownego przywrócenia tej równowagi. Oczywiście oba te zjawiska działają w jakimś ograniczonym zakresie i co ciekawe oba działają też przeciwko sobie.
Samolot bardzo stateczny będzie niesterowny. Po prostu po podaniu sygnału sterującego natychmiast zareaguje on w kontrze i przywróci poprzedni, stabilny lot. Z drugiej strony samolot bardzo sterowny nie będzie stateczny, będzie miał tendencję do pogłębiania nawet niewielkiego wytrącenia z równowagi. Balans między sterownością, a statecznością, to pewien kompromis zależny od zastosowania danego samolotu. Np. myśliwce są z natury bardzo sterowne, natomiast od samolotów treningowych wymaga się dużej stateczności.
Aby samolot mógł stabilnie lecieć nie wystarczy jednak sama stateczność i sterowność, potrzebne też jest jeszcze dobre wyważenie. Samolot niejako wspiera się na skrzydłach, to na nie działa większość siły nośnej. Jeśli podeprzeć go pod skrzydłami, to powinien balansować w równowadze. Tak zresztą sprawdza się np. wyważenie modeli - poprzez oparcie ich na dwóch długopisach.
Samolot generalnie zachowuje symetrię strony lewej z prawą, więc tutaj wyważenie nie robi dużej róznicy, natomiast brakuje symetrii przodu z tyłem. Co więcej wyważenie wzdłuż tej osi może zmieniać się znacząco - inaczej będzie wyważony samolot bez pasażerów, a inaczej z pasażerami. Dlatego generalnie sterowanie pochyleniem, aby poradzić sobie z różnymi wyważeniami, będzie wymagało dużej powierzchni sterowej i to najlepiej na długim ramieniu, gdyż dłuższe ramie daje większy moment siły. Dobrze widać to na takim przykładzie:
Jak widać ogon tego samolotu nie ma praktycznie żadnej użyteczności poza tym, że stanowi długie ramie dla steru wysokości. Gdyby go skrócić sterowanie stałoby się o wiele trudniejsze.
Jak więc działa statecznik poziomy i ster wysokości? Statecznik poziomy jest tak naprawdę zwyczajnym profilem lotniczym na wzór skrzydła. Gdy na przykład wytrącimy samolot z równowagi pchając ogon w dół, kąt natarcia na tym profilu wzrośnie i pojawi się siła nośna, która każe mu powrócić do góry. Podobnie w sytuacji odwrotnej. Ster wysokości może być skonstruowany na różne sposoby. Najczęściej jest to po prostu ruchoma część statecznika poziomego, która zmienia jego profil.
Tak odgięty ster wysokości powoduje, że cięciwa całego statecznika odgina się, kąt natarcia robi się ujemny i ogon idzie w dół. W ten sposób realizowane jest sterowanie w osi poprzecznej. Co ciekawe w osi kierunkowej działa to tak samo i jest realizowane najczęściej w tym samym miejscu tj. na ogonie samolotu, gdzie znajdziemy statecznik pionowy i zaczepiony do niego tzw. ster kierunku
W tym miejscu warto omówić jeszcze jeden element zawsze spotykany na sterze wysokości, a czasem na sterze kierunku i lotkach, tj. trymer. Jak pamiętamy z części pierwszej przy różnych prędkościach lotu chcielibyśmy utrzymywać różne kąty natarcia. A to wymaga innego wychylenia steru wysokości. Dodatkowo różne możliwości wyważenia samolotu także powodują konieczność innego wychylenia steru wysokości dla lotu poziomego. Jednak ciągłe trzymanie rękami steru wysokości na jakimś wychyleniu byłoby zwyczajnie męczące, więc pojawia się konieczność wytrymowania samolotu, tj. takiego skompensowania momentu pochylającego, aby dla określonych, zadanych parametrów lotu, siła na wolancie była zerowa.
Wyobraźmy sobie, że samolot przy danej prędkości i wyważeniu leci w locie poziomym bez wychylania steru. Chcielibyśmy teraz zmniejszyć prędkość lotu nadal zachowując lot poziomy. Jak pamiętamy z pierwszej części aby skompensować spadek siły nośnej na skutek spadku prędkości, musimy zwiększyć kąt natarcia, a więc zadrzeć dziób do góry. Po uzyskaniu nowego kąta natarcia musielibyśmy teraz cały czas trzymać ster wysokości wychylony, gdyż puszczenie sterów spowodowałoby opadnięcie dziobu samolotu, nabranie przez niego prędkości i porwót do lotu poziomego przy jego pierwotnej prędkości - tak realizowana jest stateczność. Aby więc uzyskać zamierzony efekt, potrzebujemy mechanizmu, który wychyli za nas ster do zadanego kąta i tam go pozostawi bez poruszania wolantem.
Trymer jest dodatkową klapką, niejako sterem na sterze.
Ta klapka dla steru wysokości jest tym, czym ster wysokości dla całego samolotu. Wychylając trymer w dół tak zmienimy profil steru wysokości, że wychyli się on do góry, a to z kolei spowoduje opuszczenie całego ogona samolotu w dół. Trymerem najczęściej steruje się przy pomocy kółka w kokpocie. W praktyce działa to tak, że zadajemy sterem wysokości żądanie pochylenie, a następnie kręcimy kółkiem trymera tak długo, aż poczujemy, że ster miękknie i sam chce pozostać w zadanej pozycji. Oczywiście w samolotach, gdzie sterowanie realizowane jest przy pomocy siłowników np. hydraulicznych, często i samo trymowanie przebiega w taki właśnie sposób. Trymer jest też ostatnią deską ratunku w przypadku awarii sterowania, bądź zablokowaniu steru wysokości. Samym trymerem można w pewnym zakresie pilotować samolot.
Ostatnią powierzchnią sterową, służącą zadawaniu przechyleń, są lotki, występujące na skrzydłach. Ich zasada działania jest oczywiście taka sama jak wszystkich innych powierzchni sterowych, a mianowicie zmiana profilu skrzydła, co powoduje dodanie, bądź odjęcie siły nośnej. Lotki na obu skrzydłach zawsze wychylają się w przeciwną stronę, a w bardziej zaawansowanych modelach nieco niesymetrycznie tj. różnicowo. Chodzi o to, aby zniwelować różnicę w generowanym przez nie oporze powietrza, który wywołuje moment odchylający.
Jak realizowana jest stateczność w osi podłuznej, skoro nie ma tutaj żadnego statecznika? To zależy od budowy samolotu. W dolnopłatach stosuje się wznios skrzydeł, a w górnopłatach powstaje on w naturalny sposób, gdyż masa zawieszona jest pod skrzydłami i niczym wahadło dąży do ustawienia się pionowo pod nimi.
Wyposażenie w tę wiedzę na temat powierzchni sterowych, możemy przejść do bardzo istotnej sprawy, a mianowicie zakrętu. Pozornie wydawać by się mogło, że samolot zakręca, podobnie jak statek, przy pomocy pionowego steru kierunku. Owszem zakręcanie w ten sposób jest możliwe (np. niektóre modele posiadają tylko stery kierunki i wysokości bez lotek), ale bardzo nieefektywne. Po prostu lepkość powietrza jest za mała i trudno wytworzyć na samym kadłubie tak dużą siłę, która prowadziłaby do sprawnego zakrętu. Dlatego samolotem skręca się przede wszystkim przy użyciu lotek. Dlaczego? Ponieważ siła nośna wytwarzana na płacie jest ogromna, a przechylenie samolotu pozwala wykorzystać jej część właśnie do zakręcania.
Jak widać w zakręcie siłę nośną można rozłożyć na dwie składowe. Składową pionową, która równoważy ciężar i składową poziomą, która powoduje zakręt, tj. obrót wektora prędkości. Co ważne skoro część siły nośnej poświęcamy na zakręt, to aby utrzymać lot poziomy w zakręcie, siłę tę musimy zwiększyć, a więc zwiększyć musimy kąt natarcia i opór. Dlatego przed rozpoczęciem zakrętu zwykle dodaje się nieco mocy silnika. Ponieważ zakręt wykonywany jest na większych kątach natarcia, rośnie minimalna bezpieczna prędkość. Z innych ciekawych rzeczy warto wspomnieć, iż w prawidłowo wykonywanym zakręcie, w odróżnieniu np. od samochodu, w samolocie w ogóle nie odczuwamy żadnej siły skierowanej w bok. Po prostu składowa ciężaru ściągająca nas w przechyleniu w bok równoważona jest przez siłę odśrodkową. Wtedy zakręt jest skoordynowany. Jedyne co odczujemy to wzrost pionowego przeciążenia, odpowiadającego stosunkowi całkowitej siły nośnej do ciężaru samolotu.
Skoro wiemy już do czego stosuje się ster wysokości i lotki, to po co w samolocie właściwie ster kierunku? Między innymi właśnie do koordynowania zakrętu. Przechwylając samolot na skrzydło, będzie on miał tendencję do ześlizgu tj. wykonywania zbyt dużego promienia zakrętu i w efekcie zbyt małej sile odśrodkowej, aby zrównoważyć nierównowagę powstała na skutek przechylenia. W takim przypadku przy użyciu steru kierunku zacieśniamy zakręt dla uzyskania równowagi. Ster kierunku jest też ważny przy podejściu z wiatrem bocznym, gdzie umożliwa przed przyziemieniem wyrównanie tzw. trawersu (tj. sytuacji gdy oś podłużna samolotu nie pokrywa się z osią pasa), a także na ziemi podczas dobiegu i rozbiegu, gdzie sterowanie lotkami nie ma zastosowania.
Na koniec porozmawiajmy jeszcze o przeciągnięciach. Jak pamiętamy z pierwszej części po przekroczeniu krytycznego kąta natarcia siła nośna na skrzydle spada, a opór rośnie. Co wtedy dzieje się z samolotem? Samolot jest tak zaprojektowany, że przeciągnięcie na skrzydle nastąpi wcześniej, niż na stateczniku poziomym. Gdy siła nośna na skrzydłach zaczyna spadać, wtedy statecznik ma jej jeszcze na tyle dużo, że spowoduje to zadarcie ogona, a więc opuszczenie dzioba samolotu, co w konsekwencji zwiększy prędkość i zmniejszy kąty natarcia, a więc w naturalny sposób spowoduje wyjście z przeciągnięcia. Gorzej jeśli mamy do czynienia z jakąś asymetrią, a więc np. w zakręcie. Wyobraźmy sobie, że samolot zakręca w lewo, a więc prawe skrzydło ma nieco większą prędkość, niż lewe. W takiej sytuacji po przekroczeniu krytycznego kąta natarcia, przeciągnięcie najpierw nastąpi na skrzydle wolniejszym tj. lewym. Mniejsza siła nośna spowoduje przechylenie na lewo, a większy opór odchylenie w lewo. Samolot wpadnie w tzw. korkociąg, figurę w której oprócz gwałtownego spadania, występuje jeszcze rotacja wokół osi kierunkowej.
Aby wyjść z korkociągu przede wszystkim trzeba zatrzymać rotację przy użyciu steru kierunku (lotki po przeciągnięciu nie działają efektywnie), oraz skierować nos samolotu w dół, aby przejść na mniejsze kąty natarcia. Po nabraniu prędkości wykonuje się wyrównanie z lotu nurkowego.
Kończąc tę część warto wspomnieć jeszcze, że zaprezentowany tutaj klasyczny układ ze statecznikiem poziomym umieszczonym na ogonie, nie jest jedynym możliwym. Inna możliwość to np. układ kaczki, gdzie statecznik poziomy i ster wysokości umieszcza się z przodu:
]
Czy np. układ skrzydeł delta:
gdzie w ogóle nie ma statecznika poziomego, a sterowanie realizowane jest poprzez sterolotki tj. rodzaj lotek, które mogą też wychylać się z obu stron synchronicznie, niczym ster wysokości.
Inne tematy w dziale Technologie
