obr. 1
Ing. Petr Dobiáš, Rotorklub Brno
V poslední době bylo na stránkách Pilota (LAA)
publikováno několik článků o vírnících. V prvé řadě bych se chtěl přimluvit
za používání správné terminologie: tedy místo gyroplán používat název
vírník, stejně jako říkáme
letoun a ne aeroplán. Pro bezmotorový vírník jinak existuje ještě název
rotorový kluzák. Za druhé, v rámci objektivity považuji za nutné, aby
se případní zájemci dověděli také o problémech vírníků, což se zatím
nestalo.
Z pohledu laika vírník patří bezesporu mezi
nejjednodušší letadla. Kromě směrového kormidla se řídí změnou polohy
těžiště, přestože to nemusí být na prvý pohled každému zřejmé.
Bensen zkombinoval nejjednodušší typ polotuhého rotoru, zavěšený na
pylonu v kardanově závěsu a tyčkový trup s tlačně uspořádanou
pohonnou jednotkou. Vírník je velmi skladný, má velký rozsah rychlostí a k nouzovému
přistání mu stačí minimální prostor. Z poláry vírníku na obr. 1
lze vyvodit, že má klouzavost jen
3,5 a že je tedy velmi neekonomický - jednomístný typ obvykle vyžaduje
motor o 60 - 80 k (bez reduktoru). Protože řada dnešních rotorů neumožňuje
roztočení rukou, je třeba roztáčecí zařízení, jehož hmotnost i cenu
nutno též uvažovat.
obr. 1
Tato Bensenova zjednodušená koncepce vírníku ovšem
přináší vážné problémy, mající za následek neblahou statistiku nehod.
Vírník nepřipouští let pod hranicí
násobků 1 g - viz vyšrafovaná část letové obálky (v-n diagram) na
obr. 2. Je známou skutečností‚ že pro řadu leteckých úřadů v Evropě
letmý pohled na letovou obálku vírníku ukončil další diskuze o povolení
jejich provozu. Na rozdíl od ULLt (MZK), který má stejný v-n diagram, má
pro vírník vyvození nulového či záporného letového násobku fatální
následky.
obr.2
První
a nejčastější příčinou všech katastrof vírníků je letový případ,
nazývaný „zero-g“, „bunt-over“, nebo „power pushover“. Do záporných
násobků se za letu lze dostat nejen chybnou technikou pilotáže (např. PIO
– pilotem vybuzené divergentní oscilace), ale i nezaviněně např. v turbulentním
počasí.
Odlehčením rotoru se zbrzdí jeho otáčky, precesní
pohyb způsobí destrukci řízení, vírník udělá obrácený půlpřemet,
rotorové listy se střetnou s ocasními plochami. Situace, kterou ještě
nikdo nepřežil. Pro zjednodušené vysvětlení nám poslouží obr. 3a. K nalezení
společného působiště soustavy sil použijeme poučky ze středoškolské
mechaniky. Z obr. 3b vyplývá, že pro rovnováhu soustavy tří sil (M=0), působících
na vírník ve vodorovném letu, musí
společné působiště P ležet v ose vektoru tahu vrtule, tedy nad těžištěm
T. V případě nulového násobku jsou vztlak i tíha rovny nule a odpor
rotoru klesne na zanedbatelnou hodnotu. Tah vrtule a odpor trupu však zůstanou
a způsobí moment ve smyslu „těžký na hlavu“, který vede k obrácenému
půlpřemetu. Toto vysvětlení nenaleznete v žádné příručce – výrobci
vírníků tento problém přechází lakonickou radou: Vyvarujte
se letových obratů, vyvozujících nulové či záporné násobky!
obr.3
Éra UL přinesla zvýšení propulsní účinnosti
pohonných soustav. Použití reduktorů a velkých vrtulí na vírnících si
vynutilo zvýšení pylonu, čímž se nebezpečí fatálního letového případu
výrazně zvýšilo, jak dokazuje statistika NTSB. Křehká rovnováha
sil, vyladěná Igorem Bensenem, byla bez znalosti podstaty věci porušena.
Druhou,
pro vírníky specifickou příčinou nehod, je let za hranicí disponibilního
výkonu. Je způsobena chybnou pilotáží, nejčastěji provedením zatáčky
po větru v malé výšce. Průsečík
křivek potřebného a disponibilního výkonu v diagarmu na obr. 4 leží
u klasických letounů pod hranicí pádové rychlosti. Nikoli u vírníku, který
může letět mnohem pomaleji, avšak při deficitu potřebného výkonu v klesání,
bez možnosti podrovnání. Tvrdé přistání ovšem nemusí nutně vést ke
zranění nebo smrti posádky. Čerchovaná čára označuje minimální
rychlost vodorovného letu vs, která by měla být vyznačena na rychloměru červenou
značkou stejně jako pádová rychlost u plošníků. Jinak nemožnost pádu do
vývrtky je jednou z hlavních pozitivních vlastností vírníků.
obr.4
Třetí,
poněkud banální, avšak také nebezpečnou příčinou, je převrácení vírníku
na zemi. Pro Bensenovy vírníky bylo zcela bezpečné‚ (až na rozbité
listy), nicméně pro některé současné vírníky, používající těžký
rotor (např. McCutchen Sky Wheels) znamená převrácení s pracujícím
rotorem destrukci pylonu a usmrcení posádky. Ve snaze o vylepšení vlastností
vírníků se začalo prosazovat umístění pilota (těžiště) vysoko do
vektoru tahu (osy vrtule). Toto řešení opět neúměrně zvýšilo možnost převrácení,
mimoto tím vírníky získaly bizarní vzhled. Obr. 5 ukazuje, jak zjistíme
tzv. úhel převrácení (turnover angle), který se rovná arctg b/a a má být
minimálně 35° (např. vírník typu Dominator má tento úhel jen 24°).
obr.
5
Fatální letový případ, uvedený na prvém místě
má několik spolupůsobících vlivů, z nichž porušení momentové
rovnováhy je jen jeden. Proto umístění
těžiště vysoko do osy tahu vrtule je jen dílčím řešením problému.
Čtvrtou
příčinou je technická závada, nejčastěji soustavy řízení. Řada
soudobých výrobců má své vírníky
zkonstruovány (nikoli vyrobeny) zcela neprofesionálně. Vírník a zejména
jeho soustava řízení je za letu cyklicky namáhána vibracemi rotoru. Na obr.
6 je spektrum zatížení soustavy řízení vírníku za letu. Amplituda sil na
základní frekvenci (6,5 Hz pro rotor s otáčkami 390 1/min.) je dána
nevyvážeností listů. Největší amplitudu spektra zatížení má 1.
harmonická (13 Hz), daná výškou závěsu (teetering joint) kolébky
rotorové desky. Velikost (undersling) se volí pro horizontální let při g=1.
Ve všech ostatních letových případech dochází ke kmitání, které může
vést až k překročení meze únavové pevnosti špatně navržené části.
obr.
6
Pečlivé předletové prohlídky exponovaných částí
vírníku již zachránily nejeden lidský život. Amatérské vírníky proto s otázkami
únavové životnosti musí nutně počítat. Pro únavový lom v řízení
tragicky zahynul i můj nejlepší přítel. Periodické prohlídky by měly
zahrnovat penetrační defektoskopické zkoušky zejména svařovaných částí
řízení. Z těchto důvodů je např. ve Velké Británii zakázáno používání
práškových barev (komaxit), které svou tloušťkou a pružností skryjí
vytvářející se trhlinky v materiálu.
Ovšem že existují cesty, jak vyřešit vrozené
nedostatky soudobých vírníků. Lze použít trvale za letu poháněný rotor,
nebo pokračovat tam, kde vývoj vírníků ve 40. letech skončil - zvolit tažné
uspořádání s aerodynamickým řízením pomocí VOP, nebo použít
rotor s nezávislým zavěšením listů (articulated rotor). Všechna tato
řešení jsou dobrá a ověřená, pro amatéry však mají společnou nevýhodu
– nejsou již jednoduchá a tedy ani levná.
Vrozené nectnosti soudobých vírníků zavdaly
tvrzením, že létání s nimi je vlastně nejrafinovanější způsob
sebevraždy. Přesto je na světě mnoho pilotů, kteří se ve zdraví dožili
důchodu. Je to dáno jejich disciplínou, zkušenostmi a vědomím, co si nesmí
za žádných okolností s vírníkem dovolit. Bohužel vývoj vírníků
za posledních 30 let prakticky nikam nepokročil. Stejně dobře dnes létají
rotorové listy ze dřeva, kovu či laminátu. Použití jiné konstrukce či
materiálu na podvozek (trup) vírníku nepřináší z hlediska letové
bezpečnosti vůbec nic. Pod rotor lze zavěsit cokoli - Igoru Bensenovi takto létala
hliníková pramice, britům za války celý jeep. O nějakých vývojových
generacích se nedá hovořit. Vírníky jsou zcela mimo zájem leteckých
odborníků, asi tak jako dnes nikdo nepokračuje např. ve vývoji gramofonu.
Pokud se přece jen našly peníze na financování výzkumu, akademická bádání
často nepřinesla žádoucí praktický význam.
Létání s vírníky by mělo být legálně možné
i u nás, bez ohledu na počet zájemců. Při létání je nutno pečlivě dodržovat
několik draze nabytých triviálních zásad. Pro výcvik se nám v 70-tých
letech osvědčil levný rotorový kluzák, zejména proto, že jeho letová
hmotnost a vlastnosti jsou stejné jako u jednosedadlové motorové verze.
Konverze bezmotorová dvousedadlovka – motorová jednosedadlovka může být i
dnes pro řadu amatérů nejschůdnější cestou, jak se naučit na svém vírníku
bezpečně létat.
Pilotáž vírníku má velmi blízko k MZK: řízením
se ovládá rychlost letu, zatímco přípustí motoru dráha letu (stoupání
– klesání). Specifické pro vírníky (pokud nepoužijete „tall tail“)
je, že se létá s vyšlápnutou nohou, protože směrovku zasahuje jen
polovina rotujícího vrtulového proudu (slipstream). Další zvláštností je
fakt, že se vírník odlepí od země vždy jedním kolem dříve (tedy v náklonu),
což je způsobeno reakcí od kroutícího momentu vrtule. Start není tak snadný
jako u MZK, zejména pokud není vírník vybaven roztáčecím zařízením (prerotátorem).
Pro délku rozjezdu 100 m (za bezvětří na zpevněném povrchu) je na roztočení
rotoru třeba asi 4 k výkonu, pro rozjezd 30 m již 10 k výkonu. Je
to daň za jednoduchost rotorové hlavy, kde rotorové listy mají pevný úhel
náběhu.
S přihlédnutím
ke všemu, co jsem zde uvedl, zejména k nízké ekonomii provozu a vrozeným
nectnostem vírníků většině amatérských pilotů dnes lépe vyhovují ULLa
a ULLt. Nicméně, pro řadu disciplinovaných nadšenců, které láká něco
zvláštního, mohou být vírníky stále zajímavé.
Kontakt na autora: petr.dobias@dicomps.com