Vetovoima

Vetovoima on voima, joka vastustaa ilma-aluksen liikkumista ilmassa. Niitä on kahta perustyyppiä: loisvastusta ja indusoitua vastusta. Ensimmäistä kutsutaan loisvastukseksi, koska se ei toimi millään tavalla lentoa tukevasti, kun taas toinen, indusoitu vastus, on seurausta siitä, että siipiprofiili kehittää nostetta.

Parasiittivastus

Parasiittivastus koostuu kaikista niistä voimista, jotka vaikuttavat ilma-aluksen liikkeen hidastamiseen. Kuten termi loinen antaa ymmärtää, se on sitä vastusta, joka ei liity nosteen tuottamiseen. Siihen kuuluvat ilma-aluksen aiheuttama ilman siirtyminen, ilmavirtaan syntyvä turbulenssi tai ilma-aluksen ja siipiprofiilin pinnan yli liikkuvan ilman este. Loisvastusta on kolmenlaista: muotovastus, häiriövastus ja ihokitka.

Muotovastus

Muotovastus on ilma-aluksen muodosta ja sitä ympäröivästä ilmavirtauksesta johtuva osa ilma-aluksen tuottamasta loisvastuksesta. Esimerkkejä ovat moottorin suojukset, antennit ja muiden komponenttien aerodynaaminen muoto. Kun ilma joutuu erkanemaan liikkuakseen liikkuvan lentokoneen ja sen komponenttien ympärillä, se lopulta yhdistyy uudelleen ohitettuaan rungon. Se, kuinka nopeasti ja sujuvasti se yhdistyy, kuvastaa sen aiheuttamaa vastusta, jonka voittaminen vaatii lisävoimaa.

Huomaa, kuinka kuvan 5-7 litteä levy saa ilman pyörimään reunojen ympärillä, kunnes se lopulta yhtyy uudelleen alavirtaan. Muotovastusta on helpointa vähentää lentokonetta suunniteltaessa. Ratkaisu on virtaviivaistaa mahdollisimman monet osat.

Häiriövastus

Häiriövastus syntyy ilmavirtojen risteämisestä, joka aiheuttaa pyörrevirtoja, turbulenssia tai rajoittaa tasaista ilmavirtausta. Esimerkiksi siiven ja rungon risteyskohdassa siiven juuressa on merkittävää häiriövastusta. Rungon ympärillä virtaava ilma törmää siiven yli virtaavaan ilmaan ja sulautuu ilmavirtaukseksi, joka eroaa kahdesta alkuperäisestä ilmavirtauksesta. Suurin häiriövastus on havaittavissa, kun kaksi pintaa kohtaavat kohtisuorassa kulmassa. Tämän suuntauksen vähentämiseksi käytetään siivekkeitä. Jos suihkuhävittäjässä on kaksi samanlaista siipisäiliötä, kokonaisvastusvastus on suurempi kuin yksittäisten säiliöiden summa, koska molemmat säiliöt aiheuttavat ja synnyttävät interferenssivastusta. Suojat ja etäisyys nostopintojen ja ulkoisten osien (kuten siipiin ripustettujen tutka-antennien) välillä vähentävät häiriövastusta.

Ihon kitkavastus

Ihon kitkavastus on aerodynaaminen vastus, joka johtuu liikkuvan ilman kosketuksesta lentokoneen pinnan kanssa. Jokaisella pinnalla, olipa se kuinka näennäisen sileä tahansa, on mikroskoopilla tarkasteltuna karhea, rosoinen pinta. Ilmamolekyylit, jotka joutuvat suoraan kosketuksiin siiven pinnan kanssa, ovat käytännössä liikkumattomia. Jokainen pinnan yläpuolella oleva molekyylikerros liikkuu hieman nopeammin, kunnes molekyylit liikkuvat lentokoneen ympärillä liikkuvan ilman nopeudella. Tätä nopeutta kutsutaan vapaan virtauksen nopeudeksi. Siiven ja vapaan virtauksen nopeustason välinen alue on noin pelikortin levyinen, ja sitä kutsutaan rajakerrokseksi. Rajakerroksen yläosassa molekyylien nopeus kasvaa ja ne liikkuvat samalla nopeudella kuin molekyylit rajakerroksen ulkopuolella. Todellinen nopeus, jolla molekyylit liikkuvat, riippuu siiven muodosta, sen ilman viskositeetista (tahmeudesta), jonka läpi siipi tai siipiprofiili liikkuu, ja sen kokoonpuristuvuudesta (kuinka paljon sitä voidaan tiivistää).

Rajakerroksen ulkopuolella oleva ilmavirtaus reagoi rajakerroksen reunan muotoon aivan kuten se reagoi esineen fyysiseen pintaan. Rajakerros antaa mille tahansa esineelle ”tehokkaan” muodon, joka on yleensä hieman erilainen kuin fyysinen muoto. Rajakerros voi myös irrota kappaleesta, jolloin se saa aikaan efektiivisen muodon, joka poikkeaa paljon kappaleen fyysisestä muodosta. Tämä rajakerroksen fyysisen muodon muutos aiheuttaa nosteen dramaattisen vähenemisen ja vastuksen lisääntymisen. Kun näin tapahtuu, siipi on pysähtynyt.

Lentokoneiden suunnittelijat käyttävät ihon kitkavastuksen vaikutuksen vähentämiseksi uppoasennettuja niittejä ja poistavat kaikki siiven pinnan yläpuolelle mahdollisesti ulkonevat epätasaisuudet. Lisäksi sileä ja kiiltävä pinta helpottaa ilman siirtymistä siiven pinnalla. Koska lentokoneen lika häiritsee ilman vapaata virtausta ja lisää ilmanvastusta, lentokoneen pinnat on pidettävä puhtaina ja vahattuina.

Indusoitu vastus

Toinen perusvastuksen tyyppi on indusoitu vastus. On vakiintunut fysikaalinen tosiasia, että mikään järjestelmä, joka tekee työtä mekaanisessa mielessä, ei voi olla 100-prosenttisen tehokas. Tämä tarkoittaa sitä, että järjestelmän luonteesta riippumatta tarvittava työ saadaan aikaan tietyn lisätyön kustannuksella, joka haihtuu tai häviää järjestelmässä. Mitä tehokkaampi järjestelmä on, sitä pienempi tämä hävikki on.

Tasalennossa siiven tai roottorin aerodynaamiset ominaisuudet tuottavat vaaditun nosteen, mutta se voidaan saada aikaan vain tietyn sakon kustannuksella. Tästä seuraamuksesta käytetään nimitystä indusoitu vastus. Vetovastusta esiintyy aina, kun siipiprofiili tuottaa nostovoimaa, ja itse asiassa tämäntyyppinen vastus on erottamaton osa nostovoiman tuottamista. Näin ollen se on aina läsnä, jos nostovoimaa tuotetaan.

Profiili (siipi tai roottorin lapa) tuottaa nostovoiman hyödyntämällä vapaan ilmavirran energiaa. Aina kun siipi tuottaa nostovoimaa, sen alapintaan kohdistuva paine on suurempi kuin yläpintaan kohdistuva paine (Bernoullin periaate). Tämän seurauksena ilma pyrkii virtaamaan korkeapaineiselta alueelta kärjen alapuolelta ylöspäin yläpinnan matalapaineiselle alueelle. Kärkien läheisyydessä näillä paineilla on taipumus tasaantua, mikä johtaa sivusuuntaiseen virtaukseen ulospäin alapuolelta yläpinnalle. Tämä sivuttaisvirtaus antaa ilmalle pyörimisnopeuden kärkien kohdalla, mikä synnyttää pyörteitä, jotka kulkevat siivekkeen perässä.

Kun lentokonetta tarkastellaan pyrstöstä, nämä pyörteet kiertävät vastapäivään oikean kärjen ympärillä ja myötäpäivään vasemman kärjen ympärillä. Kun ilma (ja pyörteet) vierivät siiven takaosasta, ne kallistuvat alaspäin, mikä tunnetaan nimellä downwash. Kuvassa 5-10 esitetään alasvirtauksen ero korkealla ja lähellä maata. Kun pidetään mielessä näiden pyörteiden pyörimissuunta, voidaan nähdä, että ne aiheuttavat ylöspäin suuntautuvan ilmavirtauksen kärjen taakse ja alaspäin suuntautuvan ilmavirtauksen siiven takareunan taakse. Tällä indusoituneella myötävirtauksella ei ole mitään tekemistä sen myötävirtauksen kanssa, joka on välttämätön nosteen tuottamiseksi. Se on itse asiassa indusoidun vastuksen lähde.

Allashuuhtouma osoittaa suhteellisen tuulen alaspäin, joten mitä enemmän alashuuhtoumaa on, sitä enemmän suhteellinen tuuli osoittaa alaspäin. Tämä on tärkeää yhdestä erittäin hyvästä syystä: noste on aina kohtisuorassa suhteelliseen tuuleen nähden. Kuvasta 5-11 näet, että kun myötätuuli on pienempi, nostovektorisi on pystysuuntaisempi ja vastakkainen painovoiman kanssa. Kun myötätuulen vaikutus on suurempi, nostovektorisi osoittaa enemmän taaksepäin aiheuttaen indusoitua vastusta. Tämän lisäksi siipien myötätuulen ja pyörteiden luominen vie energiaa, ja tämä energia aiheuttaa vastusta.

Mitä suuremmat ja voimakkaammat pyörteet ja niistä johtuva myötävirtauskomponentti ovat siiven yli kulkevassa netto-ilmavirtauksessa, sitä suuremmaksi muodostuu indusoitu vastusvaikutus. Tämä myötävirtaus siiven yläosan yläpuolella kärjen kohdalla vaikuttaa samalla tavalla kuin nostovektorin taivuttaminen taaksepäin; näin ollen nostovoima on hieman perässä kohtisuorasta suhteelliseen tuuleen nähden, mikä luo taaksepäin suuntautuvan nostokomponentin. Tämä on indusoitunutta vastusta.

Kaikenlaisen negatiivisen paineen luomiseksi siiven kärkeen siipi voidaan kallistaa korkeammalle AOA:lle. Jos symmetrisen siivekkeen AOA olisi nolla, paine-eroa ei olisi, eikä näin ollen myöskään myötävirtauskomponenttia eikä indusoitunutta vastusta. Joka tapauksessa, kun AOA kasvaa, indusoitu vastus kasvaa samassa suhteessa. Toisin sanoen, mitä pienempi lentonopeus on, sitä suurempi AOA tarvitaan tuottamaan ilma-aluksen painoa vastaava nostovoima ja sitä suurempi on indusoitu vastus. Aiheutuvan vastuksen määrä vaihtelee kääntäen ilmanopeuden neliön kanssa.

Kääntäen loisvastuksen määrä kasvaa ilmanopeuden neliön myötä. Näin ollen vakaassa tilassa, kun ilmanopeus laskee lähelle sakkausnopeutta, kokonaisvastuksen määrä kasvaa, mikä johtuu pääasiassa indusoituneen vastuksen jyrkästä kasvusta. Vastaavasti kun ilma-alus saavuttaa nopeuden, jota se ei koskaan ylitä (VNE), kokonaisvastuksen määrä kasvaa nopeasti loisvastuksen voimakkaan kasvun vuoksi. Kuten kuvasta 5-6 nähdään, tietyllä lentonopeudella kokonaisvastuksen määrä on pienimmillään. Laskettaessa ilma-aluksen suurinta toimintasädettä, vastuksen voittamiseen tarvittava työntövoima on pienimmillään, jos vastus on pienimmillään. Pienin teho ja suurin kestävyys esiintyvät eri kohdassa.

Flight Literacy suosittelee

Rod Machadon Yksityislentäjän käsikirja -Flight Literacy suosittelee Rod Machadon tuotteita, koska hän ottaa tavallisesti kuivan ja pitkästyttävän asian haltuunsa ja muuntaa sen hänelle ominaisella huumorilla, mikä auttaa pitämään sinut sitoutuneena ja säilyttämään tiedon pidempään. (katso kaikki Rod Machadon tuotteet).