Master's Thesis

Design of strut-braced high wing aircraft

Final Thesis 2.48 MB

Author of thesis: Ing. Marko Bermell

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Lukáš Dubnický, Ph.D.

Reviewer: Ing. František Löffelmann, Ph.D.

Abstract:

This master thesis deals with the design of a strut-braced high-wing aircraft wing and the analysis of its structural arrangement in terms of load transfer and strength requirements. The thesis discusses possible structural configurations of strut-braced high-wing aircraft, including their advantages, disadvantages, and current applications. A model General Aviation aircraft was used for aerodynamic wing design, load determination, and structural force analysis. Furthermore, a wing structural system including the main load-bearing components was designed and a strength analysis of selected structural elements was performed. The result of the thesis is a wing design that meets the assignment.

Keywords:

Strut-braced aircraft, wing, aerodynamic design, General Aviation

Date of defence

12.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaEznamka

Grading

E

Process of defence

Študent prezentoval výsledky svojej diplomovej práce komisii. Nasledovali otázky oponenta. Prvá otázka oponenta bola zameraná na vysvetlenie rozdielu medzi nosníkom a prutom. Študent odpovedal na prvú otázku oponenta z časti samostatne, z časti s pomocou. Druhá otázka oponenta bola zameraná na výpočet líniovej sily od odporu. Študent odpovedal na druhú otázku oponenta samostatne k čiastočnej spokojnosti komisie. Tretia otázka bola zameraná na spresnenie výpočtu súčiniteľa rezervy pásnic nosníku. Študent odpovedal na tretiu otázku oponenta s pomocou ku čiastočnej spokojnosti komisie. Prvá otázka komisie k práci bola čo znamenájú širšie profily. Študent odpovedal na otázku samostatne ku spokojnosti komisie. Druhá otázka komisie k práci bola zameraná na vysvetlenie čiar v obrázku v prezentácii. Študent nevedel odpovedať na otázku. Tretia otázka komisie k práci bola čo je použitý termín v prezentácii aerodynamická ťažisková osa s následnou otázkou čo je ťažisková osa. Študent odpovedal na otázku s pomocou ku spokojnosti komisie. Štvrtá otázka komisie k práci bola zamerána na veličiny vstupujúce do výpočtu V vzpery. Študent odpovedal na otázku samostatne ku spokojnosti komisie. Následná doplňujúca otázka bola zameraná na rozklad krútiaceho momentu na závesy krídla a vzperu.Študent odpovedal na otázku s pomocou ku spokojnosti komisie. Piata otázka komisie k práci bola ako bola riešená poloha vzpery. Študent odpovedal na piatu otázku oponenta samostatne ku čiastočnej spokojnosti komisie. Ďalšia otázka komisie k práci bola ako ovplyvní poloha vzpery zaťaženie krídla. Študent odpovedal na otázku samostatne ku spokojnosti komisie. Ďalšia otázka komisie k práci bola od čoho závisí veľkosť násobku od poryvu. Študent odpovedal na otázku z časti samostatne, z časti s pomocou. Ďalšia otázka komisie k práci bola pre výpočet násobku od poryvu bol použitý sklon vztlakovej čiary krídla alebo letúnu. Študent odpovedal, že použil sklon vztlakovej čiary krídla. Ďalšia otázka komisie k práci bola zameraná na vykreslenie ďaľších priebehov zaťaženia. Ďalšia otázka komisie k práci bola bol zahrnutý vztlak do zaťaženia vzpery. Študent odpovedal, že ho nezahrnul. Ďalšia otázka komisie k práci bola zameraná na počet konzultácii s vedúcim a na časový priebeh prác. Študent komisii objasnil počet konzultácii a časový priebeh prác. Ďalšia otázka komisie k práci bola kto bol autor témy. Študent odpovedal, že išlo o tému vypísanú vedúcim, nešlo o jeho vlastnú tému. Ďalšia otázka komisie k práci bola zameraná na detailnejšie vysvetlenie goemetrického krútenia krídla použitého na navrhovanom krídle. Študent odpovedal na otázku samostatne ku spokojnosti komisie. Následne sa prešlo na všeobecnú rozpravu.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Aerospace Engineering

Study programme

Aerospace Technology (N-LKT-P)

Specialization

Aircraft Design (STL)

Composition of Committee

doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ivo Jebáček, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Miroslav Šplíchal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Zikmund, Ph.D. (člen)
Ing. Robert Popela, Ph.D. (člen)
Ing. Rostislav Koštial, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Lukáš Dubnický, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá návrhem, konstrukcí a pevnostní kontrolou vzpěrového křídla letounu kategorie všeobecného letectví. Ačkoliv je zřetelná snaha o komplexní inženýrský přístup a řešení je už poměrně rozsáhlé, práce trpí velkým množstvím koncepčních, teoretických a metodických chyb, které snižují její odbornou hodnotu, a které vzhledem k časovému postupu prací již nebylo možné korigovat. Je zde řada chybných tvrzení a nevhodně zvolených příkladů (klapkový případ dáván jako příklad nesymetrického zatížení, str. 18), chyby v přepisu rovnic i výpočtech letové obálky z předpisu CS-23 (str. 15), do rovnic většinou není dosazováno.

V práci je zmínka (str. 22), že „tíhová síla byla pro prvotní odhady rozložena lineárně po rozpětí”, nicméně polohu těžištní osy a velikost tohoto zatížení od hmot se mi nepodařilo dohledat, stejně jako stanovení polohy elastické osy (ani odhadnuté), byť je na ni opakovaně odkazováno. Při výpočtu krutových účinků od setrvačných sil je krut počítán do aerodynamické osy, nikoli elastické (str. 25). Při výpočtu vzpěrné stability vzpěry je chybně uveden vztah pro MSVS dle Eulera (str. 37), následně je na str. 38 uveden správně, ale kritická síla vychází menší, než požaduje případ 5, Tab. 5-1, str. 30/31.

Zvláštní je také tvrzení na str. 40, že u zatížení nosníku „u vetknutého křídla je hlavní nosník zatížen především ohybem, zatímco u vzpěrového hornoplošníku jsou hlavní síly axiální”. Tlak v horní pásnici vlivem ohybu je přitom vyčíslen v tabulce (bez čísla) na str. 41 na 115 kN a tlak vlivem reakce na sílu vzpěry jen 38 kN, tedy vliv ohybu je i zde dominantní.

V kontextu práce za méně významné chyby pak lze považovat také mnohdy nefunkční odkazování na tabulky a kapitoly, absenci značení rovnic, množství překlepů a místy nevhodnou práci se zdroji. Absence vhodných obrázků komplikuje ilustraci méně zřetelných, ale správně spočtených jevů, které práce mohla ilustrovat pro výukové účely, např.: skok v M_oz (str. 32), chybí komentář,nebo náčrt uvolněného křídla. Jak autor uvádí ve svém závěru na str. 45: „Je však značná škoda, že jsme nestihli přepsat část výpočtů do finální práce a část ani vůbec uskutečnit,“ … „přesnější hmotností model a případy zatížení klapkové a křidélkové.”

Práce splnila zadané cíle s výše popsanými nedostatky, dosažené výsledky jsou těžko ověřitelné. Nicméně, jedná se o původní dílo a požadavky kladené na diplomovou práci jsou splněny. Formální a grafická úprava jsou ovlivněny dokončováním s tlakem na čas.

Práci doporučuji k obhajobě s hodnocením za E.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment E
Working process, extent and suitability of applied methods D
Scholarly contribution and originality D
Ability to interpret achieved results and draw conclusions E
Applicability of results in practice or theory D
Logical arrangement of thesis and its layout E
Grafic layout, used style and language level E
Work with used sources including quotations E
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: E

Reviewer’s report
Ing. František Löffelmann, Ph.D.

Předložená práce představuje klasickou úlohu leteckého inženýrství, kterou je návrh křídla, byť částečně zkomplikovaný použitím vzpěry. Zadání svým rozsahem pokrývá poměrně široké spektrum dílčích výpočtů, ale práce ve výsledku obsahuje řadu nedostatků, které by bylo možno zlepšit. Rešeršní část v kapitole 2 by mohla obsahovat více konkrétních příkladů, čímž by se rozšířil okruh literárních zdrojů. Úvod svými formulacemi odpovídá abstraktu, namísto aby uváděl čtenáře do problematiky. Z formálního hlediska by bylo vhodné důslednější číslování tabulek a obrázků (např. letové obálky na straně 18, kde chybí vyznačení návrhových rychlostí); v kapitole 5 jsou naopak duplicitní čísla obrázků. V orientaci by pomohlo také nepovinné číslování alespoň stěžejních rovnic a seznam použitých symbolů. Řada míst by mohla být srozumitelnější, např. jsem měl problém s pochopením tab. 3-1. nebo s rovnicemi pro kroutící moment v kapitole 5.3, které na mě působily, jako kdyby byl klopivý moment numericky integrován dvakrát, jednou jako m0,25 a podruhé uvnitř Mk. Návrhová rychlost VD 400 km/h je pro vzpěrový hornoplošník docela ambiciózní rychlost, naproti tomu hlavní nosník křídla je navržený jednoduše se stejnou horní i dolní pásnicí. Ve výsledcích by bylo vhodné vykreslit v grafech nejen vybraný kritický případ číslo 2, ale i další případy, aby bylo vidět, zda v některých místech ostatní případy nedosahují vyššího zatížení. Při volbě materiálu vzpěry (ocel vs. slitina hliníku) bych preferoval navržení vhodného průřezu z obou materiálů a jejich porovnání namísto porovnávání modulu pružnosti a plochy průřezu nahrazujícího kvadratický moment. V poslední rovnici na straně 39 dosazením do druhého sčítance vyjde hodnota výrazně větší než jedna, značící poruchu.

Jednotlivé cíle práce jsou na základní úrovni splněny, a tak ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment E
Working process, extent and suitability of applied methods E
Scholarly contribution and originality E
Ability to interpret achieved results and draw conclusions D
Applicability of results in practice or theory F
Logical arrangement of thesis and its layout D
Grafic layout, used style and language level E
Work with used sources including quotations D
Topics for thesis defence:
  1. Vysvětlete rozdíl mezi pojmy nosník a prut v souladu s terminologií pružnosti a pevnosti. Jak by bylo možné pojmy aplikovat na model křídla se vzpěrou?
  2. Součinitel rezervy pásnic nosníku je vztažen k mezi kluzu. Bylo by možné určit součinitel rezervy přesněji pro efektivní využití materiálu nosníku?
  3. V kapitole 5.2.2 je u výpočtu liniové odporové síly odkaz na určení součinitele odporu v sekci 4.1.2. O který vztah se jednalo konkrétně?

Grade proposed by reviewer: E

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová