W samolocie o tradycyjnym układzie sterowania (ze statecznikiem poziomym umieszczonym z tyłu kadłuba) powierzchnia statecznika poziomego wprawdzie usprawnia stabilizację lotu, ale ma bardzo ważną wadę – wytwarza siłę nośną skierowaną w dół, aby przeciwważyć momentowi pochylającemu wytwarzanemu przez ciężar dziobu samolotu. Oznacza to, że pewna część siły nośnej wytwarzanej przez płaty (oraz energii pochodzącej od silnika) musi być przeznaczona na zrekompensowanie wspomnianej ujemnej siły nośnej tworzącej się na ogonie.
Jakub Marszałkiewicz
Aby przezwyciężyć ten problem opracowano kilka innych rozwiązań konstrukcyjnych. Należą do nich samoloty w układzie klasycznym ze środkiem ciężkości blisko krawędzi natarcia płatów1, latające skrzydła oraz samoloty w układzie kaczka (canard), które są tematem niniejszego opracowania.
Pierwsze koncepcje samolotów w układzie kaczka
Pierwsze koncepcje statków powietrznych z powierzchniami sterowymi umieszczonymi przed płatami pojawiały się już w XIX w. Taki układ miała otrzymać m.in. Lotnia IV Czesława Tańskiego z 1896 r2. Układ kaczki otrzymały także pierwsze konstrukcje braci Wright rozwijane od 1900 r. Niekiedy sugeruje się, iż wybrali on taki układ, gdyż szybowiec Lilenthala z układem klasycznym uległ katastrofie. Bracia Wright zdawali sobie sprawę, że zastosowany przez nich układ pogarsza stabilizację lotu, ale uznali, że bezpieczniej będzie widzieć stateczniki podczas lotu3. Początkowo zakładali, że zapewnienie stabilizacji w kilku osiach jest niemożliwe w jednym urządzeniu, więc oddzielne stery kierunku umieścili za skrzydłami.
Rys. 1 Rozkład sił nośnych w samolocie z tradycyjnym usterzeniem ogonowym, w układzie bez usterzenia oraz w układzie kaczka (E. Cichosz, Rozwój samolotów naddźwiękowych, wyd. WKiŁ, Warszawa 1980, s. 43)
Podczas swoich eksperymentów z 1902 r. Wrightom udało się kontrolować swój szybowiec we wszystkich trzech osiach lotu. Ich przełomowym odkryciem było jednoczesne kontrolowanie przechylenia (z wypaczeniem skrzydeł) i kontroli odchylenia (z tylnym sterem). Pochylenie kontrolował ster przedni. W marcu 1903 r. złożyli wniosek o patent na ich metodę kontroli lotu. Aplikacja, którą sami napisali, została odrzucona. Na początku 1904 roku zatrudnili rzecznika patentowego Henry’ego Toulmina z Ohio, a 22 maja 1906 r. dzięki jego fachowemu wsparciu otrzymali patent nr 821,393 na „Latającą maszynę”.
1 Do takich samolotów należą m.in. Bleriot IX oraz RBWZ Ilia Muromiec. W tych samolotach masa elementów wystających poza krawędź natarcia skrzydeł jest tak mała, że wytwarzanie ujemnej siły nośnej przez usterzenie jest zbędne. W tych samolotach umieszczony klasycznie z tyłu statecznik poziomy razem z płatami wytwarza dodatnią siłę nośną skierowaną do góry. Układ ten był rzadko stosowany, gdyż konieczność skupienia masy kabiny i silników za krawędzią natarcia skrzydeł jest bardzo problematyczna. Jest to temat odpowiedni na oddzielne opracowanie.
2 Czesław Tański po wykonaniu prób szybowca Lotnia, opracował w 1896 r. wersję Lotnia IV z napędem. Aby ją zbudować, Tański starał się uzyskać finansowanie z rosyjskiego Ministerstwa Wojny, lecz otrzymał odmowę. Motoszybowiec ten nigdy więc nie powstał. Pozostały tylko rysunki oraz zdjęcie drewnianego modelu dalszej wersji rozwojowej Lotnia V, który pokazano na Wystawie Modeli Maszyn Latających Czesława Tańskiego w gmachu Stowarzyszenia Techników w Warszawie w grudniu 1909 r.
3 Być może podejrzewali, że podczas ostatniego śmiertelnego lotu Otto Lilenthala 9 sierpnia 1896 r. umieszczone z tyłu usterzenie poziome uległo uszkodzeniu (czego pilot nie mógł zobaczyć) co doprowadziło do nagłego wejścia w lot nurkowy i uderzenia w ziemię. Nie ma na to jednoznacznych dowodów, ale hipoteza ta jest prawdopodobna. Więcej w: F . E. Culick, The Wright Brothers First Aeronautical Engineers and Test Pilots, AIAA Journal, Vol. 41, No. 6, June 2003; https://authors.library.caltech.edu/11239/1/CULaiaaj03.pdf.