Pozdĺžna stabilita

Vzájomná poloha ťažiska a neutrálneho bodu má zásadný vplyv na stabilitu letu v pozdĺžnom smere - hlavne na stabilitu podľa uhla nábehu. Na vysvetlenie tohoto faktu si predstavme tri krídla s profilmi rôzneho tvaru letiace ústáleným vodorovným letom. Aerodynamický odpor zanedbáme, takže rovnováha je tvorená iba tiažou pôsobiacou v ťažisku a aerodynanickými silami.

Máme danú rýchlosť, ktorou má krídlo letieť. Krídlo nastavíme na taký uhol nábehu, aby vztlak "Y" bol rovný tiaži "G".

• Symetrický profil má nulový klopivý moment okolo aerodynamického stredu (AS) - M_AS. Pretože pôsobisko vztlaku je v AS, musíme krídlo vyvážiť tak aby ťažisko bolo tiež v AS.
• Profil s jednoduchým tvarom prehnutia strednej krivky má záporný klopivý moment voči svojmu AS (na hlavu). Aby sme docielili rovnováhu momentov, ťažisko krídla musí ležať za AS.
• Autostabilný profil používaný aj na závesných klzákoch má vďaka esovitému prehnutiu strednej krivky kladný klopivý moment voči svojmu AS (na chvost). Pre dosiahnutie momentovej rovnováhy musí ťažisko ležať naopak pred AS.

Po každom lietadle požadujeme, aby jeho riadenie nebolo namáhavé. V pozdĺžnom smere to znamená aby rôzne odchýlky od uhla nábehu spôsobené turbulenciou apod. boli automaticky a čo najrýchlejšie odstránené. Táto vlastnosť každého lietadla sa nazýva stabilita podľa uhla nábehu, alebo aj statická pozdĺžna stabilita. Patrí medzi najdôležitejšie vlastnosti pozdĺžnej stability lietadla, pretože je nevyhnutnou podmienkou dosiahnutia dynamickej stability. Na demonštráciu tejto charakteristiky vyjdeme z predchádzajúcich obrázkov troch krídel. Na analýzu stability sa používa zvislý poryv vetra. Poryv je ostro ohraničená zmena smeru nabiehajúceho prúdu vzduchu, pričom považujeme rýchlosť prúdenia vzduchu nezmenenú - mení sa len uhol nábehu. V praxi tento jav nastáva vtedy keď rýchlosť letu klzáku je nepomerne väčšia než veľkosť turbulentného poryvu.
Nech teda poryv spôsobí zvýšenie uhla nábehu. Reakcia troch krídel je na obrázku. Moment M_AS ostáva nezmenený - je závislý iba na doprednej rýchlosti. Zato vztlak sa zvýši - u každého krídla rovnako - o hodnotu DY.

Zvýšenie vztlaku má dva následky. Prvým je zmena uhla nábehu:

• Symetrický profil neodstráni poruchu uhla nábehu - prídavok k vztlaku DY pôsobí presne v ťažisku, preto poloha krídla sa nezmení. Odchýlka uhla nábehu sa nezmení a je treba ju odstrániť riadením.
• U klasického profilu s jednoduchým prehnutím pôsobí prídavná vztlaková sila pred ťažiskom a spôsobí poruchu momentovej rovnováhy. Krídlo sa začne preklápať na chvost, čím sa celá situácia ešte zhorší, lebo dôjde ešte k väčšiemu zvýšeniu uhla nábehu. Celý dej je veľmi rýchly (1 sek.) a vedie buď k preklopeniu na chrbát, alebo roztočeniu krídla v pozdĺžnej rovine.
• Pri autostabilnom profile prídavný vztlak pôsobí za ťažiskom a spôsobí tiež poruchu momentovej rovnováhy. Na rozdiel od predchádzajúceho prípadu sa krídlo začne preklápať na hlavu a týmto spôsobom samo odstráni odchýlku uhla nábehu. Dej je opäť veľmi rýchly, takže je ťažko pozorovateľný. Len pri prelete veľkým poryvom môže byť pozorovateľné kmitnutie pozdĺžneho sklonu krídla, než sa ustáli správny uhol nábehu.

Dôvod tohoto správania sa troch krídel je vzájomná poloha ťažiska a AS (v ktorom vznikajú sily pri narušení uhla nábehu). Taká aerodynamická konfigurácia klzáka, ktorá pre udržanie ustáleného letu musí mať ťažisko vyvážené za aerodynamickým stredom, je nestabilná a nebezpečná, a v podstate nie je schopná letieť dlhšie než niekoľko sekúnd. To sa netýka niektorých bojových lietadiel, ktoré majú stabilitu zabezpečenú pomocou elektronického riadenia, ktoré je schopné v stotine sekundy reagovať na poruchy uhla nábehu. Pre stabilitu podľa uhla nábehu je dôležité aby mal klzák takú geometriu nosnej plochy, ktorá vyžaduje polohu ťažiska pred aerodynamickým stredom. Poloha aerodynamického stredu nie je väčšinou známa, ale na stabilitu podľa uhla nábehu sa dá usudzovať tak, že pri pustenom riadení má klzák snahu udržiavať daný uhol nábehu, teda aj rýchlosť.
Symetrický profil je z tohoto pohľadu konštrukciou na hrane stability. Miera stability je určená vzdialenosťou medzi ťažiskom a aerodynamickým stredom. Táto vzdialenosť sa nazýva ťažisková zásoba, alebo záloha statickej pozdĺžnej stability a u závesných klzákov sa mení počas letu, lebo riadenie je vykonávané presúvaním ťažiska. Najmenšia záloha stability je pri minimálnej rýchlosti - môže to byť len niekoľko centimetrov. Čím väčšia je záloha stability, tým rýchlejšie prebieha oprava uhla nábehu, ale zároveň rastú sily potrebné pre zmenu rýchlosti. Veľkosť síl je daná rozsahom posunutia ťažiska - tzn. dĺžkou rúk pilota :-) . Veľmi stabilný klzák bude mať malý rozsah rýchlostí a podobne zmena rýchlosti o 10 km/h vyžaduje pri minimálnej rýchlosti omnoho menší pohyb hrazdou, než pri vyššej rýchlosti.
V prípade že budeme zmenšovať zásobu stability, bude sa spomaľovať reakcia krídla na poruchu uhla nábehu a prejaví sa druhý následok zvýšenia vztlaku počas poryvu - zakrivenie dráhy letu. Pretože ak neodstránime odchýlku dostatočne rýchlo, zvýšený vztlak má dostatočný čas pôsobiť na ťažisko a pôvodný priamočiary pohyb sa zmení na kruhový. Skúsme teda sledovať čo sa stane s klzákom na hrane stability (napr. so symetrickým profilom), keď bol poryvom vychýlený zo svojej polohy. Pre zjednodušenie predpokladajme, že ovzdušie je ďalej bez turbulencie a teda nedojde k porušeniu uhla nábehu.

Začnime od okamihu keď krídlo vplyvom poryvu stúpalo, ale vďaka stúpaniu stratilo časť svojej rýchlosti a teda aj vztlaku, takže vztlak je v rovnováhe s tiažou. Krídlo však naďalej zotrvačnosťou stúpa a ďalej stráca rýchlosť - to vedie k poklesu vztlaku a zakriveniu dráhy letu smerom nadol. V určitom okamihu dráha letu dosiahne svoj vrchol a krídlo začína zrýchľovať. Keď konečne zrýchli do takej miery, že vztlak sa vyrovná tiaži, dráha letu v tom čase smeruje dole. A znovu pokračuje ten istý cyklus - len v opačnom zmysle.

Tento druh dynamickej nestability sa prejavuje hlavne zmenou rýchlosti, ale nie je veľmi nebezpečný, pretože celý dej trvá dostatočne dlho a dá sa kompenzovať riadením. Pri závesných klzákoch sa prejavuje pri menších rýchlostiach, kedy je menšia zásoba statickej pozdĺžnej stability. Dráha letu má pritom zvlnený tvar. Keby sme leteli vedľa takého klzáka ustáleným letom, krúžil by neustále okolo nás, preto sa tento druh nestability nazýva aj fugoidálny pohyb.