Morfující křídla: Blíží se revoluce v letectví

Najít správné uspořádaní, profil a tvar křídel je velká věda. Správný tvar křídla je závislý na typu letadla, ale i na různých rychlostech i profilech letu. Okamžitý požadavek na správný tvar křídla závisí na mnoha faktorech – na hmotnosti letadla (závislé i na měnícím se množství paliva během letu), rychlosti, nadmořské výšce, teplotě/tlaku vzduchu, ale i na tom, zda letadlo stoupá, klesá, zrychluje nebo zpomaluje.

Klasická křídla pevné konstrukce jsou tak nutným kompromisem a nenabízejí rozhodně nejlepší podmínky pro každou fázi letu.

V současné době tento problém, ať už civilního nebo vojenského letadla, řeší řídící plochy. Na náběžné hraně (přední část křídel) to jsou tak zvané sloty nebo slaty. Na odtokové hraně (zadní část) jde o vztlakové klapky, které podstatně mění profil křídla i úhel náběhu. Na svrchní ploše křídla jsou umístěny aerodynamické brzdy a spoilery (rušiče vztlaku), které letadlo v okamžiku přistání brzdí a zároveň zvyšují tlak na podvozek (pro vyšší účinek brzd).

Všechny tyto řídící plochy vyžadují vlastní elektrický pohon a mechanismus polohování. Řídící plochy tak zvyšují složitost (složitější údržba, vyšší riziko poruchy), hmotnost a cenu křídla a v případě vojenských letadel jsou také nezanedbatelným zdrojem radiolokačního podpisu. Řídící plochy také narušují čistotu profilu křídla a tím zvyšují aerodynamický odpor – zvyšují spotřebu paliva.

V blízké budoucnosti však již řídící plochy nebudou třeba. Americké letectvo společně s NASA pracují v rámci programu ACTE (Adaptive Compliant Trailing Edge) na technologii morfujících křídel. V místě řídících ploch se nacházejí navzájem mechanicky propojené voštinové bloky z kompozitního materiálu – jejich vzájemné uložení a natočení určuje, jak se křídlo (část křídla) bude ohýbat. S voštinovými bloky v každém křídle manipulují elektrické motory se šroubovým pohonem, které zajišťují samotné tvarování křídla. Povrch křídla je potažen velmi pevným pružným kompozitním materiálem.

 Řídící plochy na klasickém křídle: 1- winglet; 2, 3 – křidélko (aileron) pro nízké a vysoké rychlosti; 4 – podpěry vztlakových klapek; 5 – Krügerova klapka; 6 – sloty; 7, 8 - vztlakové klapky; 9 – spoiler; 10 – aerodynamická brzda / Arne Nordmann; CC BY-SA 3.0

Díky kompozitnímu povlaku je profil křídla čistý a má mnohem menší aerodynamický odpor než klasické křídlo s křidélky. Navíc voštinové bloky dokáží mnohem precizněji měnit svůj tvar a dokonce se kroutit (vlnit se) v podélném směru.

V podstatě jde již o 120 let starou technologii. Vůbec první letadlo na světě Flyer I bratří Wrightů se naklápělo doleva nebo doprava tak, že pilot pomocí táhel zkroutil plátěné křídlo. Později tuto funkci převzaly právě klapky na křídlech. Podobnou technologii používala i první stíhačka na světě Fokker Eindecker (1915).

Od technologie morfujících křídel se upustilo, protože do dnešních dní neexistoval dostatečně pevný a odolný materiál, který by vydržel namáhání křídel při vysokých rychlostech nebo při náročných manévrech. Zlom přišel až s rozvojem moderních uhlíkových kompozitů a s rozvojem moderních systémů řízení letu.

Hlavní předností morfujících křídel je zvýšení účinnosti křídel v celé letové obálce. V případě zcela nových křídel založených na morfující technologii spotřeba letadel poklesne o 8 až 12 % nebo přibližně o stejnou hodnotu se prodlouží dolet a výdrž ve vzduchu. Technologií lze ale vylepšit i křídla stávajících letadel, u kterých se počítá s poklesem paliva o 3 až 5 %.

Ukázka fungování mofujících křídel (2014)

Například americký dopravní letoun C-17 Globemaster III má s výsadkáři dolet přes 10 000 km. Při využití nových morfujících křídel dolet vzroste zhruba o 1000 km. Avšak technologie se jistě objeví nejdříve u vojenských bezpilotních letadel, jako je bitevní dron MQ-9 Reaper.

Díky lepší účinnosti lze ušetřit miliony dolarů ročně za palivo, snížit celkovou hmotnost konstrukce a současně také zredukovat hluk při vzletu a přistání letadla. Hladký přechod křídel totiž pomáhá plynulejšímu proudění vzduchu, takže dochází ke snížení tření a rovněž ke snížení nákladů na pohonné hmoty.

Morfující křídla dokonce slibují výrazně rozšířit letovou obálku letounu. V delší budoucnosti se počítá se stavbou celých morfujících křídel, které mohou v různých fázích letu (nízké/vysoké rychlosti, nízká/vysoká letová hladina, přistání/start, náročné manévry) zásadně měnit celý svůj tvar a profil.

Práce řídících ploch bombardéru B-2 Spirit při tankování za letu. U B-21 Raider mohou tyto plochy zcela nahradit morfující křídla.

Technologie morfujících křídel je extrémně zajímavá pro stealth letouny, protože nejrůznější řídící plochy, ať už u stíhačky F-35 nebo bombardéru B-2, jsou zdrojem silného radiolokačního podpisu. Technologie přitom může odstranit nejen řídící plochy křídel, ale také směrových kormidel.

Otázkou je, kdy technologii uvidíme v ostrém provozu. Jak to bývá u všech technických novinek, problém není v samotné technologii – ta je již připravena. Problém je v byrokracii a také v přísných leteckých předpisech. Ještě potrvá několik let, než někdo dá finální “razítko” a povolí zavedení technologie do provozu.

Tyler Rogoway z webu The Drive spekuluje, že technologii morfujících křídel může získat jako první bombardér B-21 Raider. Ten vychází z původního návrhu B-2 a spekuluje se, že B-21 je určen zejména pro dalekonosné mise ve velmi velkých výškách.

Technologii morfujících křídel ale lze uplatnit i u vrtulníků, ponorek, aut, lodí nebo větrných elektráren, jednoduše všude tam, kdy se nějaké těleso pohybuje v plynném nebo kapalném prostředí.

Zdroj: The Drive