Letecký den Cheb 2022. Martin Šonka - Extra 300 SR,
Otázka Proč piloti nemají poslouchat babičku?
Stručná odpověďBabička říkala: „Chlapče, dávej na sebe pozor... Lítej pomalu… A nízko… A v zatáčkách brzdi!“ To je na jednu stranu oprávněná obava, na druhou stranu, je to prakticky návod na to, jak se zabít. Jde o ironii, používanou většinou v případě, že výkon pilota, kterého se narážka týká, nebyl zrovna ukázkou vysoké pilotáže. |
„Babiččina“ věta paroduje podstatu bezpečného letu. Cílem je naznačit, že pokud se chce pilot nebo pilotní elév dožít důchodu, musí myslet trochu jinak, než je zvyklý a nedělat hlouposti. Věta je sestavená velmi pečlivě, protože přesně popisuje, co je pro udržení se ve vzduchu nejdůležitější.
Následující popis se týká letu podzvukovými rychlostmi na letadle s normálním mechanickým řízením. Někdy v 8. třídě ZŠ se probíral vzoreček na výpočet vztlaku, který se většina žáků „nadrtí“ zpaměti, aby měla pokoj, více to nezkoumá, protože aerodynamika se učí asi 2 hodiny. Přitom je to celkem zajímavá věda.
Y= ½ · P · cy · S · v2
kde:
- Y je vztlak
- P je hustota vzduchu
- cy je součinitel vztlaku
- S je plocha křídla
- v je rychlost letu
Co to pro pilota znamená a co s tím může dělat? Důležité je mít neustále na paměti, že vztlak Y je něco jako záchranné lano, které drží letadlo ve vzduchu. Vztlak musí být větší než okamžitá hmotnost letadla. Pokud tomu tak nebude, „lano se přetrhne“ a letadlo začne ztrácet výšku. U letadla je výhodou, že až do posledního okamžiku je možné se všemi veličinami uvedenými ve vzorci nějak pracovat a zachránit se. Letadlo je velmi bezpečné... Pokud se pilot chová podle předpisů, zákonů aerodynamiky, letových příruček… A má trochu štěstí.
Rychlost je život...
Při letmém pohledu na vzorec je jasné, že nejdůležitější písmeno je v – rychlost, protože zatímco všechny ostatní veličiny ovlivňují vztlak jen svým násobkem, rychlost, svou mocninou. Polopaticky řečeno, když konstruktér s vybraným profilem křídla potřebuje zvýšit 9× vztlak, může zvětšit plochu křídla nebo rychlost. Plochu křídla musí zvětšit 9×, takže se poměrně rychle dostane do potíží s aerodynamickým odporem, celkovou pevností a hmotností.
Proti tomu rychlost stačí pro dosažení stejného výsledku zvýšit jen jen 3×. Proto nebyla u letadel honba za vyššími rychlostmi jen soutěží ve vyplňování tabulek rekordů. Mělo to hmatatelný přínos. Funguje to samozřejmě i obráceně. Takže při snižování rychlosti musí být pilot velmi opatrný. Při snížení rychlosti na polovinu, klesne vztlak na čtvrtinu. Proto platí, že rychlost znamená život. Babiččino „… lítej pomalu“ není dobrý nápad a tato rada (respektive obava) je oprávněně na prvním místě.
Spitfire
Kromě vztlaku, využívaného pro udržení letadla ve vzduchu, ovlivňuje rychlost i velikost sil, využívaných pro řízení. Kdo by měl pochyby o fungování tohoto principu, může si cvičně vysunout dlaň naplocho z okénka jedoucího auta (ne v běžném provozu) a při různých rychlostech ji zkusit natočit. Změny velikosti sil jsou patrné při rozdílu rychlostí 20–30 km/h.
Tím zároveň dostáváme odpověď na otázku jak velké výchylky kormidel se za letu používají? Záleží na rychlosti a požadované razanci manévru. Zatímco při vysoké rychlosti stačí pro ovládání letadla „milimetrové“ pohyby, při malých rychlostech, během přiblížení na přistání a těsně před dosednutím, honí piloti řídicí páku „z rohu do rohu“, protože letadlo na výchylky kormidel reaguje pomalu. Při špatném počasí nebo asymetrickém vysazení motoru nejsou výjimkou ani maximální výchylky „až na doraz“.
Teoreticky by tedy bylo ideální zvyšovat jen rychlost. Žádný strom však neroste do nebe. Vztlak má „bratříčka“, který se jmenuje aerodynamický odpor, a ten s ním jde ruku v ruce. Viz téměř identický vzorec.
Q = ½ · P · cq · S · v2
kde:
- Q je aerodynamický odpor
- P je hustota vzduchu
- cq je součinitel aerodynamického odporu
- S je čelní průřez křídla
- v je rychlost letu
Velikost odporu se mění na základě téměř stejných veličin, včetně druhé mocniny rychlosti. Každé zvýšení vztlaku je tedy provázeno zhruba stejně rychlým nárůstem odporu. Řešením tedy může být používání tenkých profilů, které mají menší součinitel odporu… Bohužel i vztlaku, což by vyžadovalo další zvýšení rychlosti. S tím vším se musejí vypořádat motory, jejichž výkon nelze zvyšovat do nekonečna. Vždy je tedy nutné najít vhodný kompromis. Určující jsou zpravidla finanční náklady, jak na pořízení letadla, tak na jeho provoz.
Oba součinitele cy a cq se mění úměrně s úhlem náběhu. Ten může ovlivnit pilot a běžně to dělá při stoupání. Ale nesmí to přehnat, protože existuje takzvaný kritický úhel náběhu, kdy dojde ke skokovému poklesu vztlaku a letadlo přejde samovolně do pádu.
... i výška je život
Rychlost letounu uděluje jeden nebo více motorů. Ale ani ty nejsou všemocné, protože jsou konstruované na běžné provozní režimy (s nějakou zálohou bezpečnosti). Pokud bychom měli let k něčemu přirovnat, tak k jízdě na kole. Letadlo je kolo, vaše nohy jsou motory a okolní terén je vzduch. Každý zvládne bez nějakých dramatických obtíží jízdu po rovině, což je totéž, jako když se letadlo pohybuje horizontálním letem. Na „holém“ kole to jde v pohodě, horší je, když vezete dítě, košík, tašky s nákupem, stan, spacák a vybavení na kempování. Rozjezd je pomalejší a jízda celkově namáhavější. Letadlo je na tom úplně stejně. Každý kilogram navíc je znát na všem, na akceleraci, na spotřebě, na odezvě kormidel na rychlosti stoupání.
Stoupání se dá přirovnat k jízdě do kopce. Čím prudší kopec, tím hůře se dostáváte nahoru. Od jistého sklonu svahu nahoru nevyjedete bez toho, že byste se předtím pořádně rozjeli. Laicky řečeno, vyměníte rychlost za výšku. Odborně přeměníte kinetickou energii na polohovou. U letadla je to úplně stejné, záloha výkonu motorů není nekonečná. Dokážou „táhnout“ (případně tlačit) letadlo vzhůru jen do určitého úhlu stoupání. Navíc do hry vstupuje zmíněný kritický úhel náběhu.
Pokud to s úhlem stoupání přeženete, začne letadlo (i vy na kole) ztrácet rychlost. Po ztrátě rychlosti spadnete. Vliv má řada parametrů. Především vaše fyzička, neboli záloha výkonu motorů letadla. Čím větší, tím samozřejmě lépe. Celková hmotnost kola nebo letadla, včetně všeho „na palubě“. Čím je hmotnost větší, tím hůře, protože rychleji ztratíte rychlost. Kritický úhel náběhu by se dal přirovnat ke strmosti kopce. Některý svah nevyjedete, ani když se rozjedete sebevíc.
Pokud jste s kolem na kopci, jste v pohodě. Kamkoli se vydáte, pojedete dolů a užijete si bezstarostnou jízdu, u které se nezapotíte. Čím větší kopec, tím delší jízda. Piloti to mají podobně. Záloha výšky poskytuje svobodu rozhodování v případě, že by došlo k vysazení motoru(ů). Navíc mají výhodu v tom, že mohou měnit „strmost“ klesání, a tím i rychlost „sešupu“, je to podobné, jako když to na horském kole nebo na lyžích vezmete po vrstevníci, abyste nemuseli zbytečně brzdit, takže dojedete i bez šlapání (bez motorů) dál.
Každé letadlo má v technické příručce spoustu grafů, z nichž se dá vyčíst celá řada rychlostí. Jednou z nich je rychlost optimálního klouzání, tedy rychlost, při které letadlo doletí z dané výšky nejdále. Při tom je důležitým parametrem nejlepší klouzavost, což je číslo, udávající jakou vzdálenost letadlo urazí z jednotkové výšky. Udává se většinou celým číslem.
Letecký den v Chebu. Letoun Morava.
Pro představu: Space Shuttle má při podzvukové rychlosti nejlepší klouzavost 4,5, Lockheed F-104 Starfighter se svými mini křídly má klouzavost 5, takže z výšky 10 tisíc metrů dokáže bez motoru uletět 50 km, dopravní Boeing 737 má klouzavost 17, paradoxně, malá Cessna 150 má bídných 7, stíhací F-15 Eagle má 10, ruský Su-27 má 13, výkonné kluzáky mají přes 40, a rekordní kluzák Concordia dokonce 75.
Kromě toho umožňuje záloha výšky kdykoli provést „obrácený obchod“ a vyměnit výšku za rychlost. To může piloty zachránit před pádem, nebo dokonce pádem do vývrtky. Pokud zálohu výšky nemáte, nemá vás co zachránit. Někdo může namítnout, že motory, ale ani fungující motor nemusí být záchrana. Zvláště proudové motory reagují s jistým zpožděním, takže nárůst tahu trvá pár sekund (a ty nemusíte mít). Navíc jsou režimy, kdy ani plný tah motorů neumožňuje udržet rychlost letu.
Takže létat nízko také není úplně bezpečné. Větší záloha výšky znamená více času na rozhodování a větší dolet v případě ztráty (části) tahu. Jinými slovy, výměna výšky za rychlost (polohové energie za kinetickou) může znamenat rozdíl mezi sice nouzovým, ale hladkým přistáním a havárií nebo mezi životem a smrtí. Čím větší záloha výšky, tím větší jistota.
... a to brzdění je úplný nesmysl
Poslední rada se týkala zatáček. Let v zatáčce je trochu zapeklitější. Nebudeme rozebírat chyby, které může pilot v zatáčce udělat, protože to je na samostatný článek. Probereme úplně obyčejnou zatáčku.
Důležité je vědět, že v zatáčce dochází k rozkladu sil. Z obrázku je zřejmé, že hmotnost (tíha) letounu působí vždy svisle dolů (stejně funguje olovnice). Ale vztlak působí kolmo na křídlo, což značně mění situaci. Dále na letadlo působí odstředivá síla. Výsledkem je to, že celkový vztlak se rozkládá na dvě složky, vertikální, která drží letadlo ve vzduchu a horizontální, která vyrovnává odstředivou sílu.
Vztlak při přímém letu a při letu v zatáčce
Aby se letadlo udrželo během zatáčky ve vzduchu, potřebujeme při stejné hmotnosti větší celkový vztlak než při přímočarém letu. Abychom dosáhli většího vztlaku, musíme zvětšit úhel náběhu (přitáhnout). Tím vzroste odpor, takže pokud nechceme ztratit rychlost (a část vztlaku), musíme zvýšit tah (otáčky) motoru. Odpor letadla roste tak výrazně, že od určitého náklonu nemusí být ani maximální výkon motoru dostatečný na to, aby byla zatáčka ustálená, tedy bez ztráty výšky nebo rychlosti. Vždy záleží na konkrétním typu letadla, respektive výkonové rezervě jeho motoru, ale běžně je to kolem 50 až 65o. Další riziko spočívá v tom, že v zatáčce stoupá pádová rychlost. V mírných zatáčkách do 15 až 20o je nárůst malý, s náklonem přes 45o roste výrazněji a při náklonu kolem 75o je zhruba dvojnásobná.
Vztlak při letu v zatáčce
Z výše uvedeného je zřejmé, že v zatáčce je nutné zvyšovat výkon motorů a počítat s rezervou rychlosti, nikoli brzdit... Jak radila babička. Pokud to neuděláme, bude výsledkem ztráta výšky nebo rychlosti a v extrémním případě pád nebo pád do vývrtky.
Abychom tomu dali nějakou konkrétní podobu, můžeme zmínit čtvrtou okruhovou zatáčku. To je ta, kterou se letoun rovná do osy dráhy. Tuto zatáčku musí pilot zaletět přesně. Schází se tady totiž všechno to nejhorší, co ho může potkat. Letí pomalu a nízko. Pokud by zatáčku „přestřelil“ a snažil se situaci intuitivně zachránit zvýšením náklonu a přitahováním, velmi rychle by se mohl dostat pod pádovou rychlost. V takovém případě musí zmírnit náklon a potlačit, aby letoun nabral rychlost. Ale po 4. zatáčce už nemusí být výška na podobnou „záchranu“ dostatečná. Správným a bezpečným řešením je dostatečně (sebe)kritické vyhodnocení situace a včasné nasazení k opakování okruhu.
Všechno má své ale
V technice – a u létání zvláště – souvisí všechno se vším. Změna jednoho parametru ovlivní všechny ostatní. Navíc, nic se nesmí přehánět, tedy ani zmíněná rychlost a výška. Každé letadlo má definovanou nepřekročitelnou rychlost VNE (Never Exceed speed). Zmiňovali jsme, že odpor a vztlak rostou s druhou mocninou (tedy rychle). Při překročení rychlosti VNE může dojít nárůstem aerodynamických sil k nevratnému poškození draku, což nemusí nutně skončit havárií, ale je to, jako byste si nařízli zmiňované bezpečnostní lano a vůbec netušíte jak moc. Potom stačí málo, poryv větru nebo turbulence, které se přičtou k celkovému namáhání a může dojít k úplné destrukci draku s fatálními následky.
Podobně i velké výšky mají svá rizika. S rostoucí výškou klesá atmosférický tlak a hustota vzduchu, takže letadlo musí být od určité letové hladiny vybaveno přetlakovou kabinou, nebo musí mít piloti kyslíkovou masku, aby vůbec přežili. Pokud dojde k dekompresi kabiny u dopravního letadla, musí se piloti rychle dostat do hladiny, kde se dýchat dá, což je pod 3 000 metrů. To je jedna z výjimek potvrzujících pravidlo. Druhou je požár na palubě. V takovém případě je také nejbezpečnější dostat letadlo co nejrychleji na zem.
Airbus A350-900 v barvách Lufthansy.
S čím však musejí piloti počítat běžně, je skutečnost, že v řidším vzduchu rostou hodnoty nejnižších rychlostí (rychlost odlepení, pádová rychlost). Ve vzorečku pro výpočet vztlaku figuruje písmeno P (hustota vzduchu), které když bude klesat, tak bude klesat i dosažený vztlak tak dlouho, až ani maximální rychlost nebude stačit k tomu, aby se letadlo udrželo ve vzduchu.
Konkrétní důsledky se začínají projevovat například při letech v horských oblastech nebo z výše položených letišť. Piloti musejí provést opravy výpočtů, tak, aby při dané délce dráhy letoun dostali bezpečně do vzduchu. Pokud dráha nestačí, musí snížit okamžitou vzletovou hmotnost například zmenšením zásoby paliva (což vyžaduje dřívější mezipřistání), vyložením nákladu nebo omezením počtu cestujících. Všechna tato opatření mají negativní vliv na efektivitu a celkové náklady na let.
V opravdu velkých výškách se objevuje další riziko spočívající v tom, že rozdíl mezi maximální a pádovou rychlostí může být jen pár kilometrů v hodině, což vyžaduje přesné dodržování letového režimu. V případě speciálních výškových letadel s velkým rozpětím jsou předepsané postupy na provádění velmi mírných zatáček, protože obvodová rychlost křídla na vnitřní straně klesá tak, že hrozí pád do vývrtky. Pro řadu lidí je také překvapením, že letecké souboje na hranici dostupu jsou na hony vzdálené divoké akrobacii, jakou znají z leteckých dnů (nebo béčkových filmů). Většinou jde o to, zda se zasahující letadlo vůbec dostane do letové hladiny cíle.
Volba letové hladiny je dilema, protože lety ve velkých výškách mají své dobré důvody. Hustota vzduchu figuruje i ve vzorci pro odpor, takže čím výše letadlo letí, tím má menší odpor. Menší odpor znamená menší nároky na výkon motorů. Výsledkem je menší spotřeba a nižší náklady, což dopravci rádi vidí. Proto je vždy na zvážení, jak moc „jít na hranu“ možností letadla i pilotů.
Někdy do volby letového profilu vstupují i zcela protichůdné požadavky. Zatímco u dopravních letadel je cílem provádět většinu letu ve velkých výškách, těžko někoho přesvědčíte, aby zaplatil vyhlídkový let a z velké výšky viděl jen „mapu“ bez jakýchkoli detailů. V takovém případě je potřeba volit výšku s ohledem na bezpečnost, ale také s ohledem na požadavky cestujících, třeba fotografů.
Extrémem jsou vojenské lety, kde do hry vstupují požadavky na bezpečný průlet oblastmi nasycenými protivzdušnou obranou, které se provádějí vysokými rychlostmi v malých nebo středních výškách. Tam jde „ekonomika“ letu do značné míry stranou, protože rozhodující je splnění cíle a bezpečnost osádky. Nicméně mávnout rukou se nad tím úplně také nedá, protože letadlo se musí k cíli nejprve dostat a potom se musí bezpečně vrátit. Ne vždy se dá doplnit palivo ve vzduchu. Klasickým příkladem může být izraelská operace Opera.
Co ten zbytek vzorce?
Zatímco výšku a rychlost letu může pilot ovlivnit celkem snadno, jak je to s ostatními parametry? Zmínili jsme, že do jisté míry může volbou letové hladiny ovlivnit i hustotu vzduchu. V tomto směru musí brát ohled i na teplotu, protože teplý vzduch je řidší (proto stoupá vzhůru) a „hůře nese“. Takže v horkém počasí musí piloti opět počítat s prodloužením vzletu, větší spotřebou paliva a zvýšením minimálních rychlostí.
V obou vzorcích jsou bezrozměrné součinitele vztlaku (cy) a odporu (cq). Ty jsou spolu úzce provázané a jsou pevně dané pro konkrétní profil. Profily křídel jsou zpracované organizacemi NACA, CAGI a podobnými, jsou proměřené v aerodynamických tunelech a výsledky jsou zpracované do katalogu s podrobnými tabulkami a grafy. Pro konstruktéry je tedy nejdůležitější vědět, jaký bude typický letový profil jimi navrhovaného stroje a tomu musí přizpůsobit profil křídla, jeho plochu a další parametry.
Den otevřených dveří čáslavské základny
Ve výsledku to může vést ke značným extrémům. Zářným příkladem budiž letouny F-104 Starfighter nebo MiG-21, které používaly pro dosažení vysokých rychlostí tenké profily a křídla s malým rozpětím, vykazující malý aerodynamický odpor. Daní za toto řešení byla bídná obratnost, vysoká přistávací rychlost, malá záloha bezpečnosti a velká citlivost na přetažení. Naopak tlusté profily mají pomalá sportovní, kurýrní nebo zemědělská letadla, která jsou při větším protivětru schopná přistát „na pětníku“ a dokážou pilotovi „hodně odpustit“. Rychlostní rekordy však nikdy lámat nebudou.
Oba součinitele jsou sice pro konkrétní profil pevně dané, ale existují prostředky na zvýšení vztlaku, které dokážou jejich hodnoty upravit. Při jejich použití dostane pilot prakticky jiné křídlo s jinými vlastnostmi. Slot na náběžné hraně posouvá kritický úhel náběhu do vyšších hodnot, a tím posouvá i hranici vzniku pádu. Klapky na náběžné nebo odtokové hraně křídla mění zakřivení profilu, a když se zvýší zakřivení profilu, vzroste vztlak a samozřejmě i odpor. Proto se používají zpravidla jen při vzletu a přistání.
Posledním parametrem, který jsme nezmínili, je plocha křídel. To je věc, se kterou pilot na první pohled nic neudělá, pokud tedy vynecháme pokusy se změnou hloubky profilu na P-38 Lightning, sklápěcími křídly a letouny s měnitelnou geometrií (F-14, F-111, MiG-23, Su-24, Tornado). Na druhý pohled zjistíte, že některé typy vztlakových klapek, například Fowlerova, nejenže mění zakřivení profilu, ale zvětšují i plochu křídla.
Jak je vidět, pilot musí pečlivě zvážit, co dělá a proč to dělá, protože změna jednoho parametru ovlivňuje všechny ostatní. Na druhou stranu je ovládání letadla do značné míry intuitivní a pokud ho pilot zvládne, dělá většinu oprav stejně přirozeně, jako chodí po ulici. Jen musí poslouchat rady instruktorů a ne obavy babičky.
