Letadla s vysokým a nízkým křídlem (výhody, nevýhody a hlavní rozdíly) – Airplane Academy

Rozdíly mezi letadly s vysokým a nízkým křídlem jsou vizuálně zřejmé. U letadel s vysokým křídlem je křídlo umístěno nad trupem, hlavní částí letadla, zatímco u letadel s nízkým křídlem je křídlo umístěno pod trupem.

Obě konfigurace mají své výhody i nevýhody a volba jedné z nich je volbou, kterou inženýrské týmy stavějící letadlo provádějí velmi brzy v procesu návrhu, aby splnily požadované požadavky na výkon letadla. Jaké jsou rozdíly mezi letadly s vysokým a nízkým křídlem?

Každá konfigurace křídla je svým jedinečným způsobem výhodná pro výcvik, výkon, údržbu a každodenní použití. Letadla s vysokým křídlem jsou obecně méně aerodynamická, pro nového pilota o něco snazší na výcvik a snadněji přístupná pro běžnou údržbu než letadla s nízkým křídlem.

Protože neexistuje „správná“ odpověď, je porovnávání konstrukcí s vysokým křídlem s konstrukcemi s nízkým křídlem v podstatě vyjádřením vyváženosti potřeb pilota nebo provozovatele. Volba hornokřídlého nebo dolnokřídlého letounu má mnoho důsledků, a proto je při rozhodování, který z nich je pro vaši situaci nejlepší, důležité všechny promyslet.

Aerodynamika

Konfigurace letadla je zpočátku zaměřena na aerodynamiku. Umístění, velikost a tvar křídla,ocasní plochy a trupu určují základní jízdní vlastnosti letadla. U letadel s vysokým a nízkým křídlem se hlavní rozdíly projeví v následujících režimech: boční (klopná) stabilita, jízdní vlastnosti při nízkých rychlostech a obecné výkony letadla (cestovní rychlost, vzdálenost při vzletu a přistání atd.).

Jako myšlenkové cvičení uvažujte dvě konstrukce tříkolového podvozku se stejnou hmotností, délkou, tvarem křídla, ocasní plochou a motorem, jednu s křídlem nad trupem a druhou s křídlem pod trupem.

Rolové charakteristiky

Nejprve zvažte boční stabilitu neboli rolové charakteristiky. U letadla s vysokým křídlem se těžiště nachází pod křídlem,což znamená, že trup letadla působí jako kyvadlo, které zvyšuje stabilitu při náklonu oproti letadlu s nízkým křídlem, jehož těžiště je vyváženo nad křídlem.

U letadla s vysokým křídlem bude relativně menší náchylnost ke vstupu do nestabilního spirálového klesání, ale síly v křidélkách budou vyššípro dokončení rolovacího manévru.

To je žádoucí efekt pro letadla určená k dlouhodobému létání v podmínkách letu podle přístrojů s malým pracovním zatížením pilota. Tato tendence je však na škodu anaerobním předváděcím letadlům určeným pro vysoké rychlosti rolování a rychlé rolovací manévry a může vést k pocitu „těžkosti“ křidélek u typičtějších cestovních letadel.

Přistávací charakteristiky

Vezměte v úvahu další charakteristiky ovladatelnosti při nízkých rychlostech,zejména přistávací a pádové charakteristiky. Během přistávacího rozevření se letadlo s nízkým křídlem dostane do přízemního efektu o něco dříve než letadlo s vysokým křídlem a při stejné výšce nad zemí u něj dojde k většímu snížení odporu vzduchu.

Silnější přízemní efekt během vzplanutí způsobí, že se dolnokřídlé letadlo „vznáší“ snadněji než letadlo s vysokým křídlem, což je vlastnost, která při šikovném využití pomáhá zmírnit přistání. Tentýž přízemní efekt však může podpořit balónování během flare a může ztížit přesné přistání.

Letadlo s vysokým křídlem bude stále pociťovat přízemní efekt, ale protože je křídlo o několik metrů dále od dráhy, celkový účinek na letadlo se značně snižuje, protože přízemní efekt klesá exponenciálně s rozdílem od povrchu dráhy. Letadlo s vysokým křídlem tak může být schopno kratší přistávací vzdálenosti, protože snadněji „prorazí“ přízemní efekt.

Překážkové charakteristiky

Překážkové charakteristiky jsou také předmětem zájmu v režimu nízké rychlosti. Za předpokladu, že je krátká vodorovná ocasní plocha letadla upevněna ve spodní části trupu nebo v její blízkosti, může turbulence od křídla s vysokým křídlem při vysokých úhlech náběhu s větší pravděpodobností zasahovat do ocasní plochy letadla. Toto rušení křídla závisí na poloze klapek a řadě dalších konstrukčních faktorů; lze však předpokládat dva základní vlivy.

U letadla s vysokým křídlem je pravděpodobnější, že se v blízkosti pádu setká se silným efektem vztlaku, který pilota odradí od dalšího zpomalování. Interference křídla s ocasní plochoumůže snížit účinnost výškovky v důsledku efektu „downwash“.

Efekt sestupného proudění je u sériových letadel velmi závislý na konkrétních konstrukčních kritériích, ale v konečném důsledku tento efekt snižuje úhel náběhu na vodorovnou ocasní plochu, což snižuje účinnost výškovky.

Se silnějším předpádovým nárazem a sníženou účinností výškovky bude letadlo s vysokým křídlem vykazovat pádové charakteristiky v náklonu, které odrazují od vstupu do pádu a zároveň zvyšují úsilí pilota potřebné k dosažení pádu. Naproti tomu letadlo s nízkým křídlem bude vykazovat charakteristiky přetažení v náklonu, které pilota méně varují před hrozícím přetažením.

Cruise Characteristics

Nakonec, výkony letadla při vzletu, cestovním letu a přistání mohou být ovlivněny umístěním křídla. Letadla s vysokým křídlem budou čelit zvýšenému „profilovému odporu“ a „rušivému odporu“, které ovlivňují zejména cestovní výkony.

Profilový odpor je odpor vzduchu, který jednoduše dopadá na přední část letadla, a rušivý odpor je odpor vznikající v důsledku interakce proudu vzduchu s různými rohy, zákoutími a zásuvkami, které se na letadle nacházejí.

Přemýšlejte o umístění podvozku na příkladu letadla s nízkým křídlem; je připevněn přímo ke křídlu s minimálními nároky na dodatečnou konstrukci nebo kapotáž, aby vytvořil účinný aerodynamický tvar. Naproti tomu u letadel s vysokým křídlem se podvozek připevňuje buď ke křídlu, které je těžké a konstrukčně pochybné, nebo k trupu.

V obou případech volby konstrukce podvozku bude na letadle s vysokým křídlem viset více „věcí“ ve srovnání s letadlem s nízkým křídlem. Pokud by letadlo s vysokým křídlem vyžadovalo také vzpěru pro zpevnění křídla, je zřejmé, že letadlo s vysokým křídlem vytváří větší profilový a rušivý odpor ve srovnání s letadlem s nízkým křídlem.

Nižší odporový profil dolnokřídlého letadla přináší vyšší cestovní výkonnost ve srovnání s konstrukcí s vysokým křídlem; výsledkem jsou vyšší skutečné rychlosti a nebo nižší cestovní spotřeba paliva.

Výkonnost při vzletu

Výkonnost při vzletu a přistání čelí dopadům dříve diskutovaných problémů s přízemním efektem. Vezmeme-li nejprve v úvahu vzlet, bude letadlo s nízkým křídlem těžit z kratšího náklonu na zem a kratší vzdálenosti od překážek.

Protože špičkové víry budou v přízemním efektu přerušeny o něco déle, letadlo vyvine o něco větší vztlak a tím i o něco strmější stoupání. Tento přízemní efekt má za následek delší přistávací vzdálenost přesně ze stejného důvodu.

Konfigurace s nízkým křídlem má za následek delší vzdušné vzdálenosti při přistání, kde vzdušná vzdálenost je horizontální vzdálenost uražená mezi 50 stopami nad bodem dotyku a bodem přistání.

Celková aerodynamika

Na základě výše uvedeného myšlenkového experimentu se zdá, že letadla s nízkým křídlem mají obecně větší aerodynamické výhody než letadla s vysokým křídlem. Je však důležité poznamenat, že výše uvedené cvičení nezohledňuje vliv konfigurace ocasního křídla ani neumožňuje použití různých křídel, tvarů křídel atd.

Aerodynamikové, kteří navrhují letadla v reálném světě, provádějí volby, které dramaticky ovlivňují stabilitu letadla, řídicí charakteristiky, pádové charakteristiky, cestovní výkony a vzdálenosti při vzletu a přistání.

Reálná letadla jsou obecně srovnatelná pouze vzhledem k sobě navzájem holisticky, spíše než aby byla srovnatelná vzhledem k poloze křídla. Proto lze mezi sériovými letadly vyvodit jen málo absolutních závěrů, ale koncepty v tomto myšlenkovém experimentu zdůrazňují některé úvahy, které jsou ve hře během procesu prvotního návrhu nového letadla.

Letecký výcvik

Jsou pro počáteční výcvik pilotů lepší letadla s vysokým nebo nízkým křídlem? Z praktického hlediska pro piloty-žáky je to jedno. Piloti-žáci by se měli spíše zajímat o to, kde najdou schopného instruktora, kvalitní leteckou školu, dobře udržované letadlo, které se vejde do jejich rozpočtu a časových možností.

Jak bylo naznačeno v závěru výše uvedeného myšlenkového experimentu, jednotlivé konstrukční vlastnosti konkrétních letadel mají podstatně dramatičtější vliv na základní letové vlastnosti daného typu letadla.

Obecně existují tři problémy, které by si piloti-žáci měli uvědomit při porovnávání letadel s vysokým a nízkým křídlem:

Vstup/výstup u vysokokřídlých a nízkokřídlých letadel

Většina nízkokřídlých letadel používaných v prostředí letového výcviku má jedny dveře na pravé straně trupu. Nejběžnějším z těchto typů letadel budou letadla rodiny Piper Cherokee.

Vstup do letadlabude vyžadovat, aby se žák před vstupem letového instruktora posunul po sedadlech, pokud je důležité snadné nastupování, může se ukázat jako náročné vmáčknutí se mezi sedadla a ovládací prvky.

Při nakládání do letadla navíc není k dispozici žádná ochrana před deštěm nebo sluncem.

V celosvětovém letovém výcviku existuje také několik cvičných letadel s posuvným nebo sklopným vrchlíkem, dobrým příkladem tohoto typu systému nástupu/výstupu s nízkým křídlem jsou letadla řady Diamond DA40/42 a řady Grumman American. Systém pohyblivého vrchlíku umožňuje instruktorovi a žákovi vstupovat do letadla nezávisle na sobě, ale je nutné určité manévrování a opatrná práce nohou, aby nedošlo k pošlapání čalounění.

Běžnými vysokokřídlými výcvikovými letadly jsou téměř všeobecně letouny rodiny Cessna 172. Tyto letouny jsou určeny pro výcvik žáků s vysokým křídlem. Tato letadla mají levé a pravé dveře, které umožňují vstup a výstup na přední i zadní sedadla z levé i pravé strany. Navíc pozice vysokého křídla poskytuje určitý stín a úkryt před sluncem a deštěm během nakládání a předletové přípravy.

Viditelnost vysokého křídla vs. nízkého křídla

Dobrá viditelnost zvenčí je často podceňovaným aspektem výběru výcvikového letadla. Řada výcvikových manévrů vyžaduje od pilotů-žáků vizuální sledování bodu na zemi a všichni piloti by měli neustále sledovat provoz, zejména při manévrování v rušných a přeplněných výcvikových prostorech.

Vysokoká křídla nabízejí výhodu vynikající viditelnosti směrem dolů, což je užitečné při nácviku přistání a nácviku referenčních manévrů na zemi.

Nízkokřídlá letadla naopak nabízejí méně omezenou viditelnost směrem nahoru a dopředu, což pomáhá zjednodušit skenování provozu. Piloti se musí naučit kompenzovat „slepá místa“, která jsou vlastní konfiguraci vysokého nebo nízkého křídla, s nímž létají.

Přistávací charakteristiky pro piloty-žáky ve vysokém a nízkém křídle

Nejdramatičtější rozdíl mezi konfigurací letadla s vysokým a nízkým křídlem zažijí noví studenti při učení se přistávat. Jak bylo uvedeno výše, dolnokřídlá letadla jsou ve srovnání s hornokřídlými letadly náchylnější k plutí a balancování v přízemním efektu během zakroužení a rozletu.

Zkušení piloti mohou tohoto efektu využít ve svůj prospěch, ale pro piloty-studenty může být obtížnější zdokonalit se v technikách přistání na krátké dráze s maximálním výkonem. Prodloužená doba v poloze vztlaku může také ztížit zvládnutí techniky přistání s bočním větrem, protože dodatečné vystavení měnícímu se větru a rychlosti vzduchu vyžaduje další jemnost při přistání.

Tendence vznášet se ve flare vyžaduje přesné řízení rychlosti, aby se letadlo ustálilo v přízemním efektu a dosedlo v zamýšleném bodě. Naproti tomu letadla s vysokým křídlem se během přistávacího flare usadí snadněji, ale to je spojeno s rizikem, že letadla s příliš nízkou rychlostí nevyužijí „polštář“ přízemního efektu k záchraně tvrdého přistání.

Letadlo s vysokým křídlem má také dodatečnou rezervu pro využití úhlu náběhu při přiblížení s bočním větrem, aby zvládlo snos dráhy při skluzovém přiblížení k přistání. Obě konfigurace letadel s vysokým i nízkým křídlem představují jedinečné výzvy, ale ani jedna z nich není ze své podstaty jednodušší nebo obtížnější naučit se přistávat.

Každodenní létání

Možná nejdůslednější aspekty porovnání letadel s nízkým a vysokým křídlem se týkají každodenních, běžných rutinních úkolů. Předletová příprava, poletová příprava, nakládání, vykládání, velikost kabiny, provozní zařízení atd. – to vše zahrnuje aspekty „života s“ hornokřídlým nebo dolnokřídlým letadlem. Které z těchto aspektů jsou pozitivní nebo negativní, závisí naprimárním využití letadla, a proto opět neexistuje jedna správná odpověď pro všechnypiloty.

Předletový a poletový proces

Předletový a poletový proces je obecněsrovnatelný bez ohledu na to, kde je křídlo namontováno. Piloti sledují, zda jsou jednotlivé součásti letadla nepoškozené, zda je motor, palivový a olejový systém v pořádku a zda nejsou zjevné známky poškození. Umístění křídla některé z těchto úkolů komplikuje nebo zjednodušuje.

Nejzřetelnější rozdíly v předletové a poletové přípravě u letadel s vysokým a nízkým křídlem jsou; vyčerpání paliva pro kontrolu nečistot, kontrola podvozku a kontrola klapek a aerodynamických krytů.

Vysokoká křídla mají tu výhodu, že umožňují pilotovi relativně pohodlnou chůzi pod křídlem, aby měl přístup k odtoku paliva, závěsům a pohonům klapek a aerodynamických závěsů a k podvozku. U dolnokřídlých letadel se pilot musí krčit, nebo dokonce plazit pod letadlem, aby mohl tyto součásti prozkoumat.

Pro některé piloty mohou další obtíže při provádění těchto předletových úkonů znamenat nedostatečnou pozornost věnovanou prohlídce letadla za letu, ať už úmyslně nebo neúmyslně.

Nakládání cestujících

Když jsme se již dříve dotkli vstupu a výstupu z vysokých a nízkých letadel v prostředí výcviku, stojí za to zvážit proces nakládání cestujících a nákladu z vysokých a nízkých letadel.

Vysokoká křídla letadel se zadními nákladovými dveřmi mají tendenci umisťovat dveře blízko nebo dokonce pod odtokovou hranu křídla; to může způsobit, že nakládání objemného nebo těžkého nákladu bude náročnější ve srovnání s letadlem s nízkým křídlem, kde odtoková hrana křídla nepřekáží při nakládání nákladu.

Dobrým příkladem jsou letouny Beechcraft A36/G36 aCessna 206. Obě letadla nabízejí zadní dveře pro náklad a cestující, ale Beech Bonanza s nízkým křídlem má výhodu snadnějšího přístupu k nákladu.

Prostor v kabině

Prostor v kabině může být také ovlivněn umístěním křídla. Abychom pokračovali ve srovnání letounů A36/G36 Bonanza a 206 Stationair, Bonanza má omezenější prostor pro hlavu a ramena v důsledku zužující se horní části trupu, zatímco Stationair si zachovává hranatější horní část trupu kvůli vysoké konfiguraci křídla.

V závislosti na zamýšleném poslání letadla může obě konfigurace sloužit stejně dobře, ale je to faktor, který je třeba zvážit při porovnávání obou letadel.

Je-li rozhodující hrubý vnitřní objem, čtvercové proporce mnoha letadel s vysokým křídlem, například Cessny 208B Caravan, maximalizují objemovou účinnost. Pokud je však cennějším cílem konstrukce nebo mise hrubá rychlost, mohou být vhodnější úzce tvarované jemné a úzké linie letadel řady Piper M600, a to navzdory zmenšenému vnitřnímu objemu.

Znovu opakuji, že konečné poslání letadla ovlivňuje požadavky na objem kabiny, a tudíž rozhoduje pro nebo proti konfiguraci s vysokým nebo nízkým křídlem v závislosti na požadavcích na poslání.

Provozní podmínky

Provozní podmínky a vybavení také hrají roli při předurčování výhod a nevýhod letadel s vysokým a nízkým křídlem. Nejběžnější a pravděpodobně rozpoznatelnou provozní podmínkou, která vede k upřednostňování vysokého křídla, je létání v terénu s krátkou dráhou.

Zdánlivě všechny konstrukce optimalizované pro backcountry jsou vysokokřídlé ocasní letouny, které upřednostňují silnou viditelnost směrem dolů a velkou světlou výšku vrtule. Letadla s vysokým křídlem mají také tu výhodu, že se křídlo vzdaluje od pneumatik, které mohou bláto, kameny a štěrk zanášet do látkových křídel a laku.

Na rozdíl od krátkých a měkkých polních výhod vysokých křídel dominují ve světě firemního letectví letadla s nízkým křídlem. Konstrukčnívýhody uspořádání nízkého křídla slouží k maximalizaci objemu kabiny a pohodlí v podnikatelských letadlech.

U obchodních letadel jsou četné systémy letadla vedenypod podlahou kabiny nebo mimo tlakovou nádobu, aby se maximalizoval dostupnýobjem kabiny. Navíc nízká konfigurace křídla vede k tomu, že motory jsou umístěny na zádi trupu, což snižuje riziko vniknutí úlomků cizích předmětů. Všechna tato konstrukční hlediska pomáhají maximalizovat pohodlí cestujících, což je u obchodních letadel konečným cílem.

Údržba

Běžná údržba letadel s vysokým a nízkým křídlem je do značné míry podobná, zejména v oblasti malých letadel s pístovými motory pro všeobecné letectví. Většina činností údržby je zaměřena na motor a elektrické součásti umístěné za požární stěnou nebo v přístrojové desce. V obou těchto případech má umístění křídla malý vliv. Pokud je však nutná údržba podstatnějších systémů, mohou existovat praktické rozdíly mezi letadly s nízkým a vysokým křídlem.

Rozdíly v obtížnosti údržby jsou nakonec funkcí toho, jaký typ údržby je třeba provést a jaký druh přístupu je vyžadován.

Úkony údržby vyžadující přístup ke spodní straně křídla budou u vysokých letadel méně obtížné a podstatně jednodušší. Ale úkoly, které vyžadují zvednutí letadla z kol, mají za následek podstatně těžkopádnější a těžkopádnější vybavení pro údržbu stejného vysokého křídla.

Přístup k systémům křídla je často prováděn zpod křídla, a proto jsou úkony údržby spojené s těmito systémy určující pro relativní výhodu nebo nevýhodu letadla s vysokým nebo nízkým křídlem. Podobně zatahovací nebo pevný podvozek přidává do rovnice údržby další proměnnou, která může zvýhodňovat nebo znevýhodňovat konfiguraci letadla s vysokým nebo nízkým křídlem.

Pro budoucí vlastníky nebo provozovatele bude důkladná diskuse o různých úvahách o údržbě specifických pro daný typ letadla důležitější než samotné umístění křídla. Pokud důvěryhodný mechanik nemá k dispozici zvedací zařízení pro servis zatahovacího podvozkového systému výrobků Cessna s vysokým křídlem, může být jako koupě atraktivnější stejně výkonný letoun s nízkým křídlem.

Údržba je základním aspektem vlastnictví a provozu letadla, a pokud je konfigurace nízkého nebo vysokého křídla hlavním určujícím faktorem náročnosti pravidelných údržbových úkonů pro určitý typ letadla, měla by být důrazně zvážena vhodnost letadla pro požadované nebo požadované mise, aby se tento požadavek na údržbu nestal výzvou pro bezpečný let.

Která konfigurace letadla je lepší, hornokřídlá nebo dolnokřídlá?

Krátce řečeno, ani jedna konfigurace letadla není v zásadě lepší než druhá. Relativní výhody nebo nevýhody letadel s vysokým a nízkým křídlem existují ve vztahu k požadavkům majitele nebo provozovatele a k primárnímu úkolu, pro který je letadlo používáno.

To potvrzuje i zkoumání složení různých flotil letadel používaných v různých částech leteckého světa.

Letecké společnosti se do značné míry standardizovaly na dolnokřídlá letadla s motory zavěšenými pod křídlem; obchodní letadla mají téměř všeobecně dolnokřídlou konstrukci s turbovrtulovými motory namontovanými na zádi trupu nebo turbovrtulovými motory namontovanými na křídlech; svět všeobecného letectví je směsicí dolnokřídlých a vysokých letadel, přičemž okamžitě rozpoznatelné konstrukce vysokých křídel Cessna jsou stejně rozšířené jako nízkokřídlé výrobky kteréhokoli jiného výrobce.

V každém z těchto letadlových parků vedl výběr konstrukce a rozhodnutí o nákupu provozní diktát, přičemž letecké společnosti se standardizovaly podle infrastrukturních požadavků provozu leteckých dopravců a obchodní letectví využívalo pohodlí cestujících a výhod konstrukce systémů dolnokřídlých letadel a letadlový park všeobecného letectví vyjadřoval individuálnějšípožadavky každého vlastníka a provozovatele.

V zázemí Aljašky a Idaha převládají vysokokřídlé letouny Piper a Cessna, zatímco na letištích FBO na jihu Floridy se spíše objevují elegantní dolnokřídlé výrobky Cirrus a Mooney a Beechcraft.

Podobně i hlavní organizace pro výcvik pilotů ve Spojenýchstátech odrážejí organizační setrvačnost k preferovaným a zavedenýmvztahům mezi výcvikovou organizací a různými výrobcinež přirozeně lepší vlastnosti vysokých nebo nízkých křídel.

Větší vliv na celkové rozdíly mezi konstrukcemi vysokých a nízkých křídel má aerodynamická konstrukce a výkonnostní požadavky na konkrétní letadla. Konstruktéři se snaží pro každý model vytvořit specifické charakteristiky pro rychlost, ovladatelnost, užitečné zatížení,vnitřní objem a další, a proto je umístění křídla méně kritické než skutečné aerodynamické tvary a výběr pohonného systému.

Výhody a nevýhody letadel s vysokým a nízkým křídlem existují ve vztahu k širším výkonnostním možnostem a příslušným praktickým hlediskům primárního úkolu letadla. Proto jsou nejlepší vlastnosti letadla s vysokým nebo nízkým křídlem odrazem specifického poslání letadla.