Profil samostateczny

Z góry przepraszam wszystkich znawców tematu za wszystkie kolokwializmy użyte w artykule, ale jest on skierowany do ludzi, którzy w większości nie wiedzą dlaczego paralotnia lata. Pierwszym wyzwaniem będzie wytłumaczenie czym profil samostateczny różni od profilu klasycznego. Najlepiej zacząć od początku, czyli cofnąć się do początków lotnictwa. Wtedy samoloty przypominały swoją konstrukcją budowlane rusztowania i konstruktorzy zapragnęli nieco te rusztowania uprościć. Znaleźli się tacy, którzy chcieli by odrzucić cały ogon samolotu, który służył jedynie do tego, aby zamocować na nim usterzenie. Pojawił się jednak pewien problem. Po obcięciu ogona samolot natychmiast pochylał nos w dół i odmawiał współpracy. Dlaczego samolot pochylał nos? Okazało się, że siła nośna powstająca na skrzydle jest w klasycznym profilu jest przymocowana do skrzydła za środkiem ciężkości samolotu. Ten punkt mocowania siły nośnej nazwany został środkiem parcia, a jego położenie i wielkość zależy od wszystkich sił aerodynamicznych jakie pojawiają się na profilu. Gdybyśmy chcieli podpowiedzieć konstruktorom co zrobić, aby samolot bez ogona nie opuszczał nosa, to możemy dać im tylko jedną radę. Należy środek ciężkości umieścić w tym samym miejscu gdzie znajduje się środek parcia. Wtedy ciężar przymocowany do środka ciężkości będzie ciągnął w dół, siła nośna przymocowana do środka parcia będzie ciągnęła do góry, a cały układ nie będzie zmieniał kąta natarcia. Niestety, okazało się że samolot czasem musi opuścić nos, choćby po to, żeby wylądować. I po takim opuszczeniu nosa, gdy kąt natarcia malał okazało się, że środek parcia nie pozostawał w tym samym miejscu, ale przesuwał się do tyły. Środek ciężkości niestety pozostawał na swoim miejscu, czyli siła nośna przymocowana do środka parcia po opuszczeniu nosa zaczynała coraz bardziej podnosić ogon samolotu  opuszczając przy tym nos jeszcze bardziej. Przy zwiększaniu kąta natarcia, czyli gdy nos samolotu zadzierał środek parcia wędrował do przodu dokładając się tym samym do dalszego zwiększania kąta natarcia. Taką wędrówkę środka parcia nazywamy dodatnią, gdy podczas zwiększania kąta natarcia wędruje do przodu, a podczas zmniejszania do tyłu.  Jednak mimo tych trudności pierwszy samolot bez ogona został skonstruowany już w 1906 roku, czyli dość wcześnie. Kluczem do sukcesu układu bezogonowego było wynalezienie przez ówczesnych  konstruktorów  profilu, w którym wędrówka środka parcia była odwrotna, niż w profilu klasycznym. W czasie zwiększania kąta natarcia środek parcia przesuwał się do tyłu podnosząc krawędź spływy i opuszczając nosek profilu, a w czasie zmniejszania kąta natarcia środek parcia wędrował do przodu podnosząc nosek i zwiększając przez to poprzedni kąt natarcia. Taka wędrówka środka parcia nazywa się ujemna, a ponieważ jest odwrotna niż w profilach klasycznych, to takie profile w języku angielskim nazywają się profilami refleks. Jest to informacja skierowana głównie do tych paralotniarzy, którym się wydaje, że profil samostateczny został wynaleziony przez paralotniarzy.

Zastosowanie tych profili w paralotniach nie było konieczne, ponieważ środek ciężkości paralotni znajduje się kilka metrów poniżej profilu, przez co wędrówki środka parcia nie są w stanie w znacznym stopniu zaburzyć równowagi. Co prawda są one odczuwalne, ale wywołują jedynie dopuszczalne ruchy skrzydła do przodu i do tyłu. Oczywiście przy skrajnym podejściu do bagatelizowania problemu wędrówki środka parcia pojawiały się konstrukcje, takie jak na przykład P 4 – skrzydło wyczynowe sprzed prawie dwudziestu lat, które według relacji pilotów latających na nim podwijało się po lekkim podniesieniu rąk ze sterówkami i przeciągało po lekkim zaciągnięciu sterówek. Za to teoretyczna doskonałość użytego profilu w tym skrzydle była wyjątkowo dobra. Konstruktorów paralotniowych do profilu samostatecznego zniechęcała ich gorsza doskonałość oraz trudności związane z prawidłowym sterowaniem takim skrzydłem. Powstało kilka konstrukcji samostatecznych, niektóre z nich jak na przykład pierwsze modele skrzydła Silex  zdobyły nawet sporą popularność wśród pilotów, ale ponieważ obowiązujące wówczas procedury certyfikacyjne nie uwzględniały innych zachowań skrzydeł z profilami samostatecznymi, to w końcu konstruktorzy zarzucili stosowanie tego profilu gdyż uniemożliwiał on dostarczenie na rynek skrzydła certyfikowanego. Na szczęście jedna z takich konstrukcji skonstruowana przez polskiego konstruktora, Piotra Dudka zyskała dużą popularność na całym świecie dzięki temu, że była rozprowadzana przez angielską firmę Paramania. Obecnie skrzydła PPG są w zdecydowanej większości skrzydłami z profilem samostatecznym i ten rodzaj profilu zaczął się pojawiać także w najnowszych skrzydłach wyczynowych do latania swobodnego. Co powoduje, że piloci gremialnie wybrali skrzydła z profilem samostatecznym do latania napędowego? Aby to zrozumieć musimy zapoznać się z rozkładem ciśnień na profilu skrzydła opływanego przez strumień powietrza.

Najważniejszy jest opływ skrzydła na jego górnej powierzchni, gdyż to tam powstaje większość siły nośnej w postaci podciśnienia zasysającego skrzydło do góry. Analiza tego ssania w profilu klasycznym prowadzi nas do wniosku, że zmniejszanie kąta natarcia prowadzi do spadku podciśnienia na nosku i przesunięcie się tego podciśnienia w kierunku krawędzi spływu. Powinniśmy sobie zdawać sprawę z tego, że kształt profilu zapewniają jedynie rozciągające siły aerodynamiczne i to one zapewniają prawidłowy kształt paralotni. Siła nośna powstająca na górnej powierzchni równoważy ciężar pilota podwieszonego linkami do profilu. W momencie, gdy siła nośna w części noskowej nagle spadnie, to zanika siła równoważąca ciężar pilota ciągnącego za tą linkę swoim ciężarem i profil w tym miejscu zostaje pociągnięty w dół łamiąc konstrukcję. Jest to tym łatwiejsze, im bardziej siła nośna z noska przesunie się do tyłu. Ponieważ siła nośna to podciśnienie, dlatego wszystko, co może je zdmuchnąć doprowadza do zaniku siły nośnej i złamania profilu.

Okazało się, że w profilu samostatecznym z powodu jego specyficznego kształtu cała siła nośna powstaje na nosku profilu i przy spadku kąta natarcia nie przesuwa się ona do tyłu profilu. Skutków takiego zachowania podciśnienia jest kilka:

Po pierwsze ponieważ podciśnienie jest zgromadzone na niewielkim obszarze z przodu profilu, to musi być ono większe , a co za tym idzie podmuch od rotora czy innej turbulencji musi być odpowiednio większy aby to podciśnienie zlikwidować. Uświadomienie tego faktu daje od razu kontrę dla tych pilotów, którzy twierdzą, że profil samostateczny jest całkowicie odporny na turbulencje. Nie jest odporny, choć zaburzenie opływu musi być odpowiednio większe, niż w profilu klasycznym.

Po drugie ponieważ podciśnienie przy spadku kąta natarcia pozostaje przywiązane do noska, to użycie speeda zmniejszającego kąt natarcia nie powoduje wzrostu wrażliwości skrzydła na turbulencje. Nie można przy tym zapominać, że lot na speedzie w przypadku skrzydeł napędowych może przekraczać nawet 70 km/h i wszelkie deformacje skrzydła przy tej prędkości jeśli do nich dojdzie będą naprawdę dużo gwałtowniejsze niż przy prędkości trymowej.

Po trzecie pilot wiszący na przednim rzędzie linek ma całą siłę nośną ponad tym rzędem i gdy jednak siła nośna zaniknie na skutek jakiegoś nieszczęścia, to cały układ stabilnie opadnie w pionie aż do odzyskania ponownie siły nośnej. W przypadku profilu klasycznego, gdzie siła nośna jest przymocowana nie tylko do przedniego rzędu linek, ale do wszystkich rzędów zaniknięcie siły nośnej na nosku i jego deformacja nie powoduje zaniknięcia siły nośnej na pozostałej części skrzydła. Ponieważ po deformacji noska siła nośna znalazła się za środkiem ciężkości, to skrzydło radośnie wyskakuje przed pilota powiększając atrakcje zapoczątkowane załamaniem przodu profilu. Stąd piloci w czasie lotu na skrzydłach klasycznych odczuwają cały czas bujanie skrzydłem do przodu i do tyłu, a piloci na skrzydłach samostatecznych każdą zmianę siły nośnej  odczuwają podobnie jak jazdę po dziurawej drodze, czyli jako pionowe szarpnięcia przy stabilnej pozycji skrzydła.
Z tym ciężarem wiszącym jedynie na przednim rzędzie jest związany problem z certyfikacją skrzydeł samostatecznych. Podczas certyfikowania skrzydeł sprawdza się ich zachowanie podczas symulowanego podwinięcia. Robi się to w taki sposób, że pilot ciągnąć za przednie rzędy linek gwałtownie zwiększa obciążenie na tych linkach i gdy to obciążenie przekroczy wartość siły nośnej ciągnącej linki do góry – przód ulega załamaniu. W sytuacji, gdy cały ciężar pilota wisi na przednim rzędzie linek pilot nie ma możliwości gwałtownego zwiększenia obciążenia tych linek poprzez pociągnięcie za nie i ta trudność spowodowała, że skrzydła z profilem samostatecznym nie mogły przejść przez testy.

Po czwarte w wytwarzanie siły nośnej w skrzydle z profilem samostatecznym jest zaangażowana mniejsza powierzchnia skrzydła niż przy skrzydle z profilem klasycznym. Stąd dla uniesienia tego samego ciężaru rzeczywiste obciążenie powierzchni będzie większe na skrzydle samostatecznym niż na skrzydle klasycznym, a wiadomym jest że wzrost obciążenia powierzchni  jest podstawowym warunkiem zwiększenia prędkości.

Resume: Skrzydła samostateczne są bardziej stabilne, odporniejsze na turbulencje, szybsze.
Wadą jest ich mniejsza doskonałość, niemożność certyfikacji według istniejących obecnie przepisów oraz zwiększona trudność w skonstruowaniu takiego skrzydła.

Trudności wynikają z tego, że w paralotni do sterowania używa się tylnej krawędzi skrzydła. Ciągnąc za sterówki pilot powoduje obniżanie krawędzi spływu i nasz profil samostateczny natychmiast przestaje przypominać to, co konstruktor sobie wymarzył. Jak pisałem wcześniej główną zaletą profilu samostatecznego jest siła nośna zgromadzona w przedniej części profilu. A zaciągnięcie sterówek powoduje powstanie siły nośnej na krawędzi spływu. Powoduje to kilka problemów. Pierwszym jest efekt lotkowy. Delikatne zaciąganie sterówki dodaje siły nośnej zwiększając ją na zaciąganej stronie, a nie daje jeszcze na tyle dużego przyrostu oporów, aby spowodować zakręt w stronę zaciągnięcia. W rezultacie strona zaciągana zamiast się opuścić do zakrętu podnosi się inicjując zakręt w stronę przeciwną do zamierzonego. Dlatego piloci mogą być zaskoczeni, że paralotnia zakręca im w kierunku przeciwnym, niż zaciągana sterówka. Drugim problemem jest to, że pojawienie się siły nośnej na spływie likwiduje samostateczność i doprowadza do przesunięcia się środka parcia do tyłu, co w rezultacie może doprowadzić do zanurkowania profilu i podwinięcia lub czasami spotykanego w paralotniach samostatecznych nagminnego podwijania się końcówek skrzydła przy nawet lekkim zaciąganiu sterówek podczas lotu na odpuszczonych trymerach.

Dlatego nie powinniśmy się dziwić, że są konstrukcje samostateczne, które dostają podwinięcie czołowe jedynie na skutek mocnego pociągnięcia przez pilota za sterówki. Najwięcej zależy tu od profilu samostatecznego, jaki zastosował konstruktor w swoim skrzydle. Aby tego uniknąć konstruktorzy zaczęli tak ustawiać sterowanie skrzydłem, aby część środkowa skrzydła (centropłat) nie był zaciągany w czasie sterowania. W wyniku ewolucji doszło do rozdzielenia sterowania gdzie osobną linką zaciąga się krawędź spływu na części zewnętrznej skrzydła (stabilo) a drugą linką zaciąga się resztę krawędzi spływu. Dzięki takiemu rozdzieleniu piloci mogą sterować kierunkiem lotu ciągnąc za linki zewnętrzne nie psując przy tym profilu samostatecznego w centropłacie, lub gdy jest taka potrzeba, na przykład zwiększenia siły nośnej lub zmniejszenia prędkości lotu mogą zaciągnąć linki ciągnące spływ w centropłacie lub nawet w centropłacie i na części zewnętrznej. Konstruktorzy różnie rozwiązywali problem: jak mając jedną rękę zaciągać w różny sposób dwie linki sterownicze przypadające na każdą stronę glajta. Były rozwiązania, gdzie linka zewnętrzna była mocowana bezpośrednio do uchwytu sterowniczego i wtedy pilot gdy chciał zaciągnąć wyłącznie część środkową skrzydła musiał ciągnąć sterówki nie w dół, a na boki. Dzięki temu linka wewnętrzna, która szła przez bloczek ciągnęła z krawędź spływu, a zewnętrzna nie była zaciągana. To rozwiązanie miało tą wadę, że nie było możliwości ciągnięcia wyłącznie za części zewnętrzne bez zaciągania spływu centropłata. Dlatego na początku wprowadzono osobne sterówki do zaciągania części zewnętrznych, a główne sterówki były odkładane w czasie lotu na trasie. W założeniu główne sterówki miały służyć wyłącznie do manewrów przy ziemi takich jak start i lądowanie. Brak możliwości reagowania głównymi sterówkami na zachowania skrzydła był jednak na tyle nienaturalny dla pilotów, że kolejnym krokiem było zastosowanie rozwiązania, które pozwala cały czas trzymać ręce na głównych sterówkach które sterują całym spływem, a sterowanie częścią zewnętrzną może być realizowane przez pilota poprzez uchwycenie palcami sterówki mocowanej do linki zewnętrznej, co przesuwa charakterystykę sterowania w kierunku większej zwrotności. Czyli tak wygląda to sterowanie 2D i ma ono rozmaite nazwy w zależności od szczegółów konstrukcyjnych i firmy stosującej te rozwiązania.

Na koniec ostatnia tajemnica skrzydeł samostatecznych, czyli trymery. Pisałem wcześniej o tym, że skrzydło samostateczne ma większe obciążenie powierzchni nośnej, a co za tym idzie ma większą prędkość trymową. Niestety zwiększone obciążenie powoduje wzrost wszystkich prędkości, a w tym także prędkości minimalnej i prędkości oderwania. Lądowanie z taką dużą prędkością przestaje być problemem, gdyż duża prędkość startu uniemożliwia oderwanie się od ziemi. Aby to umożliwić konstruktorzy psują profil samostateczny skracając tylne linki tak, aby uzyskać profil zbliżony do klasycznego. Skracanie dokonywane jest za pomocą zaciągania trymera. To przekształcenie profilu jest na tyle skuteczne, że niektórym konstrukcjom samostatecznym udało się nawet uzyskać certyfikację z zaciągniętymi trymerami. Odpuszczając trymer przesuwamy charakterystyki profilu w stronę samostateczności i musimy mieć świadomość że uzyskujemy ją w stopniu założonym przez konstruktora przy innym ustawieniu trymera dla każdego modelu paralotni. Szczegółów  powinniśmy szukać w instrukcjach dołączonych do skrzydeł, bo w niektórych trymer nie modyfikuje profilu, a jedynie powoduje zmianę wyważenia skrzydła i zmianę jego kąta natarcia w locie.
Jako ciekawostkę muszę jeszcze wspomnieć o systemie odpuszczenia trymera za pomocą belki speeda. W tej metodzie odpuszczania trymera pilot jest zwolniony z konieczności ręcznej regulacji zaciągania i odpuszczania taśm trymerów. W celu odpuszczenia taśm wciska belkę speeda, która skracając przednią taśmę jednocześnie odpuszcza taśmy tylne. Zaletą jest możliwość przyspieszenia dużo szybciej, niż poprzez operacje przy taśmach rękami i tak samo zwolnienia prędkości lotu. Z takim rozwiązaniem pierwszy raz spotkałem się w roku 1995 w skrzydle wyczynowym UP i już wtedy wyszła podstawowa wada tego systemu. Cała siła ciągnąca tylne taśmy w dół , czyli odpowiadające za zaciągnięcie trymera pochodzi od siły nośnej wytwarzanej w przedniej części profilu. Jeśli ta siła zaniknie i dojdzie do podwinięcia czołowego, to zaniknie również siła ściągająca krawędź spływu. W rezultacie krawędź spływu wyskoczy do góry  skutecznie utrudniając zatrzymanie i wyjście z podwinięcia czołowego. Dlatego to rozwiązanie pojawia się co jakiś czas jedynie jako eksperymentalne zastosowanie w lataniu wyczynowym. Testował je w roku 2009 na Mistrzostwach Świata estoński pilot Paap Kolar latający skrzydłem Dudek Plasma, który powrócił do tego rozwiązania i za jego przykładem zastosowało je kilkudziesięciu pilotów latających wyczynowo. Ostatnio firma Paramania także zaczęła oferować to rozwiązanie w swoich skrzydłach.

autor: Zbigniew Gotkiewicz

UWAGA!!! – KOPIOWANIE ARTYKUŁU TYLKO ZA ZGODĄ AUTORA!