Záhadná obrácená funkce kormidel

Při četbě knížky Na křídlech ČSA od bývalého pilota Josefa Lehanky (Svět křídel, vyd. v říjnu 2003) se na stránce 93 dočteme o obrácené funkci kormidel při překročení určité rychlosti letounu. Lehanka popisuje své období létání s IL-62, které mimo jiné také zalétával po opravách a píše:

„Mohl jsem si ověřit i nouzové klesání z výšky 10000 m do 4000 m. Bylo to úžasné, když se IL-62 řítilo pod ostrým úhlem k zemi aby se v co nejkratším čase dosáhla bezpečná výška pro cestující v případě náhlé ztráty přetlaku ve velkých výškách. Za celou dobu provozu IL-62 se nikdy tato nebezpečná závada nestala. Při nouzovém klesání se letadlo IL-62 urychlilo ve velkých výškách až na hranici M max. dovolené = 0,83, které se už nesmělo překročit, protože pak by docházelo k opačné reakci kormidel. Machovo kritické číslo bylo M = 0,86. Při jednom pohodovém záletu, když byly všechny technické úkony prověřeny, byl jsem techniky požádán, abych předvedl chování letadla při překročení M = 0,83.

Zprvu jsem zaváhal, nebylo to nikdy v programu a ani tentokrát to nebylo. Byla to z jejich strany vůči mně veliká důvěra. Chtěli si ověřit pravdu, jestli se skutečně opačná funkce kormidel po překročení M 0,83 IL-62 projeví. Sám jsem byl na to zvědavý. Přešel jsem do mírného klesání a na menším výkonu motorů jsem rozbíhal rychlost. Při M = 0,83 byla reakce kormidel ještě normální, ale už při mírném překročení této rychlosti se reakce začala jevit. Při M = 0,84 se opačná funkce kormidel výrazně projevila. Bylo to něco, co jsem ještě neměl možnost poznat. Dal jsem kormidla do pravého náklonu, ale letadlo se začalo naklánět opačně, doleva, a naopak. Vyšlápnul jsem směrové řízení doprava, ale letoun se začal stáčet a klonit doleva. Vyšlápnul jsem směrové kormidlo doleva, letadlo se začalo zatáčet a vyklánět doprava. Bylo to něco úžasného si takovou věc na dopravním proudovém letadle vyzkoušet. Ano, byla to pravda. Letadlo už při M = 0,84 reagovalo opačně, projevila se opačná funkce kormidel. Nebylo radno dále v tomto letu pokračovat, zvláště proto, že jsem si všimnul, že Machovo číslo dále pomalu překračovalo hodnotu M = 0,84. Přivedl jsem rychle výkon motorů na volnoběžný režim a jen s velkou silou obou pilotů do výškového řízení se letadlo pomalu začalo vyrovnávat a ztrácet na rychlosti.“

Proč se obrací funkce řízení letadla?

Prokousáme-li se poněkud krkolomnou češtinou, nasadí nám popsaný jev brouka do hlavy. Čím to může být způsobeno? Jak to, že při nárůstu a překročení rychlosti začnou křidélka či směrovka fungovat najednou obráceně? Odpověď lze nalézt například ve starých učebnicích konstrukce letadel. V knize Stavba, údržba, opravy větroňů (autor Roman Woloszczuk, vyd. Naše vojsko 1963) najdeme na stránkách 60 až 65 popis aeroelasticity; ten je zajímavý zejména pro nás, netechniky a nekonstruktéry, což je nejspíš většina pilotů – uživatelů letadel.

Rychlost obtékání překrucuje křídla

Konstrukce letadla je namáhána v závislosti na rychlosti letu; toto namáhání určitou měrou letadlo deformuje a mění jeho tvar. Při menších rychlostech (a rozhodně při rychlostech nepřekračujících nepřekročitelnou hodnotu, uvedenou v letové příručce) nás tyto deformace nemusejí trápit a těžko postřehneme nějaké změny tvaru (prohýbání, zkroucení, ohnutí, zakřivění částí letadla); nanejvýš si všimneme lehkého nafouknutí potahu horní plochy křídla vlivem podtlaku. Při překročení horního limitu rychlosti však může dojít, zejména u méně robustních konstrukcí, k podstatně výraznější a někdy i nevratné deformaci některé části letadla.

Ve jmenované knížce se píše: „Pod aeroelastickými jevy rozumíme takové jevy, které vznikají vlivem vazby mezi zatěžujícími vzdušnými silami a deformací konstrukce letounů způsobenou pružností.“
Dále se v knize píše:
„Při růstu rychlosti nad určitou hranici, kterou nazýváme kritickou, začínají růst aerodynamické síly prudčeji, než roste odpor konstrukce proti deformacím, takže nemůže nastat rovnovážný stav a konstrukce se poruší. Jindy po překročení určité kritické rychlosti začnou být deformace nosného systému tak velké, že ovlivní řízení.“

Reverze křidélek

Mezi nebezpečné aeroelastické jevy patří reverze křidélek, divergence a flutter. V knize Josefa Lehanky je tedy popsán jev zvaný reverze křidélek. K ní dochází tak, že při vysoké nadlimitní rychlosti způsobí výchylka křidélka nadměrné zkroucení koncové části křídla a klopný moment zapůsobí přesně opačnou silou, než vychýlené křidélko. Například na té straně, kde se křidélkou vychýlí dolů a toto křídlo tedy více vztlakuje, zvedá se a uvádí letadlo do náklonu, se při nadlimitní rychlosti projeví zkroucení celého konce křídla směrem dopředu dolů, tzn. na konec křídla začne působit mnohem důraznější síla směrem dolů. Účinek této síly je vyšší, než vztlak přidaný křidélkem a na levém i pravém křídle se tak vymění klopný moment. Při dalším navyšování rychlosti letu pak může dojít i k nevratným změnám ve zkroucení křídla, dokonce by se části křídel mohly i odlomit, doslova ukroutit. Rychlost, při které vznikne reverze křidélek, se nazývá kritickou rychlostí reverze.

U větroňů to hrozí spíš výjimečně

U větroně bychom se měli s reverzí křidélek setkat jedině při překročení maximální přípustné rychlosti. Kniha uvádí, že tento jev může nastat i při provozní rychlosti, ale jen tehdy, jestliže je konstrukce nějak porušena, např. při poškození torzní skříně. Autor doporučuje v takovém případě vystříhat se letu zvýšenou rychlostí a když už k reverzi křidélek dojde, snížit rychlost, pokud to bezpečnost letu dovoluje, popřípadě využít druhotného účinku směrového kormidla k uvedení letadla do náklonu.

Bylo to opravdu tak, jak popisuje bývalý pilot ČSA?

V tomto ohledu lze ovšem zapochybovat, zda reverzní efekt působí také na směrové kormidlo, jak uvádí J. Lehanka. Křídlo je totiž podstatně delší, než směrovka a aeroelasticitě určitě podléhá mnohem snáz, než proporcionálně kratší svislá ocasní plocha. U letounu IL-62, kde je vodorovná ocasní plocha umístěna na vrcholu svislé ocasní plochy, by zkroucením muselo dojít k vytočení celé vodorovné plochy a téměř určitě k naprosto neočekávaným reakcím letounu. Doufejme, že se zde pod článkem v diskusi objeví fundované příspěvky, které by to napomohly vysvětlit. I tak si dovoluji vyslovit možná kacířskou myšlenku, že podobné experimenty jsou za hranicí rozumného chování pilota. Nechci ani uvěřit tomu, že pro letadlo IL-62 je letovou příručkou dovoleno letět rychlostí M 0.84, pokud při ní dochází již k takovým deformacím křídel, že letadlo přestává fungovat standardně. Nejsem si úplně jist, jestli J. Lehanka onehdy vážně neporušil předpisy a neohrozil posádku letadla, lidi na zemi (rizikem pádu) i letadlo samotné. Ale to je už jiná kapitola.

A co křehká letadla?

V dnešní době je problematika reverze křidélek důležitá i z dalšího pohledu – létá totiž velké množství ultralehkých letadel, jejichž konstrukce je podstatně křehčí a slabší, než u letadel všeobecného letectví a k elastickým jevům může docházet už při menších rychlostech. Nízké rychlosti se samozřejmě dají hravě překročit, například nechtěně při nezvládnutí nějakého manévru. Příklad: Let v zimě nad zasněženou krajinou, s inverzní oblačností 300 m nad zemí a dohledností 1500 m znamená, že pilot kolem sebe vidí téměř jen bílo a krajina má nekontrastní kontury. Zejména nezkušený pilot se lehce může dostat do nezvyklé polohy, při níž se letadlo může rozbíhat ve strmém sestupném letu. Nevysoko nad zemí překročí limitní rychlost a dojde k reverzi křidélek. Pilot konečně uvidí lépe krajinu a bude se snažitl let vybrat do normální polohy, jenže v tu chvíli začnou křidélka působit opačně, než je zvyklý. Překvapený pilot nebude schopen zareagovat a letadlo narazí do země.

Běžně ovšem tyto případy nenastávají; jev reverze křidélek berme jako konstrukční zajímavost, o které bychom jako piloti rozhodně měli vědět třeba stejně, jako o existenci vývrtky.