Húzás

A húzás az az erő, amely ellenáll a repülőgép mozgásának a levegőben. Két alapvető típusa van: parazita ellenállás és indukált ellenállás. Az elsőt azért nevezzük parazita ellenállásnak, mert semmilyen módon nem segíti a repülést, míg a második, az indukált ellenállás a szárnyprofil felhajtóerejének kialakulásából adódik.

Parazita ellenállás

A parazita ellenállás mindazon erőkből áll, amelyek a repülőgép mozgásának lassítására hatnak. Ahogy a parazita kifejezés is utal rá, ez az a légellenállás, amely nem kapcsolódik a felhajtóerő előállításához. Ide tartozik a levegőnek a repülőgép által történő elmozdulása, a légáramlatban keletkező turbulencia, vagy a repülőgép és a szárnyprofil felülete felett mozgó levegő akadályozása. A parazita légellenállásnak három fajtája van: a formai ellenállás, az interferenciaellenállás és a bőrsúrlódás.

Formaviszony

A formai ellenállás a parazita légellenállásnak az a része, amelyet a légi jármű alakja és az azt körülvevő légáramlatok okoznak. Ilyenek például a motorburkolatok, az antennák és más alkatrészek aerodinamikai alakja. Amikor a levegőnek szét kell válnia, hogy egy mozgó repülőgép és annak alkatrészei körül mozogjon, végül újra egyesül, miután elhaladt a test mellett. Az, hogy milyen gyorsan és zökkenőmentesen csatlakozik újra, jellemző az általa keltett ellenállásra, amelynek leküzdéséhez további erőre van szükség.

Megfigyelhetjük, hogy az 5-7. ábrán látható lapos lemez hogyan kavarja a levegőt a szélei körül, amíg végül újra egyesül az áramlásirányban. Az alaki légellenállás a legkönnyebben csökkenthető egy repülőgép tervezésekor. A megoldás az, hogy minél több alkatrészt áramvonalasítsunk.

Interferenciaellenállás

Az interferenciaellenállás a légáramlatok kereszteződéséből ered, amely örvénylő áramlatokat, turbulenciát hoz létre, vagy korlátozza a sima légáramlást. Például a szárny és a törzs kereszteződése a szárny gyökerénél jelentős interferenciaellenállással jár. A törzs körül áramló levegő összeütközik a szárny fölött áramló levegővel, és a két eredeti áramlástól eltérő légáramlatot alkot. A legnagyobb interferenciaellenállás akkor figyelhető meg, amikor két felület merőleges szögben találkozik. Ennek a tendenciának a csökkentésére burkolatokat használnak. Ha egy sugárhajtású vadászgép két azonos szárnytartályt hordoz, az összellenállás nagyobb, mint az egyes tartályok összege, mivel mindkettő interferenciaellenállást hoz létre és generál. A burkolatok és a felhajtófelületek, valamint a külső alkatrészek (például a szárnyakra függesztett radarantennák) közötti távolság csökkenti az interferenciaellenállást.

Bőrsúrlódási ellenállás

A bőrsúrlódási ellenállás a mozgó levegőnek a repülőgép felületével való érintkezéséből eredő aerodinamikai ellenállás. Minden felületnek, bármilyen látszólag sima is legyen, mikroszkóp alatt nézve van egy érdes, rücskös felülete. A szárny felületével közvetlenül érintkező levegőmolekulák gyakorlatilag mozdulatlanok. A felület feletti molekulák minden egyes rétege kissé gyorsabban mozog, amíg a molekulák a repülőgép körül mozgó levegő sebességével mozognak. Ezt a sebességet nevezzük szabad áramlási sebességnek. A szárny és a szabad áramlási sebesség szintje közötti terület körülbelül olyan széles, mint egy játékkártya, és határrétegnek nevezzük. A határréteg tetején a molekulák sebessége megnő, és ugyanolyan sebességgel mozognak, mint a határrétegen kívüli molekulák. A tényleges sebesség, amellyel a molekulák mozognak, függ a szárny alakjától, a levegő viszkozitásától (ragadósságától), amelyen keresztül a szárny vagy a szárnylap mozog, és összenyomhatóságától (mennyire tömöríthető).

A határrétegen kívüli légáramlás ugyanúgy reagál a határréteg szélének alakjára, mint egy tárgy fizikai felületére. A határréteg bármely tárgynak “effektív” alakot ad, amely általában kissé eltér a fizikai alakjától. A határréteg elválhat a testtől is, így a tárgy fizikai alakjától jóval eltérő effektív alakot hozhat létre. A határréteg fizikai alakjának megváltozása a felhajtóerő drámai csökkenését és a légellenállás növekedését okozza. Amikor ez bekövetkezik, a szárnylap megrekedt.

A bőrsúrlódási ellenállás hatásának csökkentése érdekében a repülőgépek tervezői süllyesztett szegecseket alkalmaznak, és eltávolítják a szárnyfelület fölé esetlegesen kiemelkedő szabálytalanságokat. Ezenkívül a sima és fényes felület segíti a levegő átjutását a szárny felületén. Mivel a repülőgépen lévő szennyeződés megzavarja a levegő szabad áramlását és növeli a légellenállást, a repülőgép felületeit tisztán és viaszosan kell tartani.

Indukált légellenállás

A légellenállás második alapvető típusa az indukált légellenállás. Megállapított fizikai tény, hogy egyetlen olyan rendszer sem lehet 100 százalékos hatásfokú, amely mechanikai értelemben munkát végez. Ez azt jelenti, hogy bármilyen jellegű is legyen a rendszer, a szükséges munkát bizonyos többletmunka árán érjük el, amely a rendszerben eloszlik vagy elveszik. Minél hatékonyabb a rendszer, annál kisebb ez a veszteség.

Síkrepülésben a szárny vagy a rotor aerodinamikai tulajdonságai létrehozzák a szükséges felhajtóerőt, de ez csak bizonyos hátrányok árán érhető el. Ezt a büntetést indukált légellenállásnak nevezik. Az indukált légellenállás mindig jelen van, amikor egy szárnyprofil felhajtóerőt termel, és valójában ez a fajta légellenállás elválaszthatatlan a felhajtóerő termelésétől. Következésképpen mindig jelen van, ha felhajtóerő keletkezik.

A szárnyprofil (szárny vagy rotorlapát) a felhajtóerőt a szabad légáramlás energiájának felhasználásával állítja elő. Amikor egy szárnyprofil felhajtóerőt termel, akkor az alsó felületén nagyobb a nyomás, mint a felső felületén (Bernoulli-elv). Ennek eredményeként a levegő hajlamos arra, hogy a csúcs alatti magas nyomású területről felfelé áramoljon a felső felületen lévő alacsony nyomású területre. A csúcsok közelében ezek a nyomások hajlamosak kiegyenlítődni, ami oldalirányú áramlást eredményez az alulról kifelé a felső felület felé. Ez az oldalirányú áramlás forgási sebességet kölcsönöz a levegőnek a csúcsoknál, örvényeket hozva létre, amelyek a szárnyprofil mögött húzódnak.

Ha a repülőgépet a farok felől nézzük, ezek az örvények az óramutató járásával ellentétes irányban keringenek a jobb csúcs körül és az óramutató járásával megegyező irányban a bal csúcs körül. Ahogy a levegő (és az örvények) leperegnek a szárny hátuljáról, lefelé dőlnek, amit leáramlásnak (downwash) nevezünk. Az 5-10. ábra mutatja a leáramlás különbségét a magasságban és a talaj közelében. Ezen örvények forgásirányát szem előtt tartva látható, hogy a szárnycsúcson túl felfelé irányuló légáramlást, a szárny hátulsó éle mögött pedig leáramlást idéznek elő. Ennek az indukált leáramlásnak semmi köze a felhajtóerő előállításához szükséges leáramláshoz. Valójában ez az indukált légellenállás forrása.

A leáramlás lefelé irányítja a relatív szelet, tehát minél nagyobb a leáramlás, annál inkább lefelé irányul a relatív szél. Ez egy nagyon jó okból fontos: a felhajtóerő mindig merőleges a relatív szélre. Az 5-11. ábrán látható, hogy ha kevesebb a leáramlás, akkor a felhajtóerő vektora függőlegesebb, szemben a gravitációval. Ha pedig nagyobb a leáramlás, a felhajtóerő vektor jobban hátrafelé mutat, ami indukált légellenállást okoz. Ráadásul a szárnyaidnak energiára van szükségük ahhoz, hogy leáramlást és örvényeket hozzanak létre, és ez az energia légellenállást okoz.

Mennél nagyobb és erősebb az örvények mérete és erőssége, és ebből következően a leáramlási komponens a nettó légáramláson a szárnyprofil felett, annál nagyobb lesz az indukált légellenállási hatás. Ez a leáramlás a szárnyprofil teteje felett a csúcsnál ugyanolyan hatású, mint a felhajtóerő-vektor hátrafelé hajlítása; ezért a felhajtóerő a relatív szélre merőlegeshez képest kissé hátrafelé van, ami egy hátrafelé irányuló felhajtóerő-komponenst hoz létre. Ez az indukált légellenállás.

A szárnyprofil tetején nagyobb negatív nyomás létrehozása érdekében a szárnyprofil nagyobb AOA felé dönthető. Ha egy szimmetrikus szárnyprofil AOA-ja nulla lenne, akkor nem lenne nyomáskülönbség, következésképpen nem lenne leáramlási komponens és nem lenne indukált légellenállás. Mindenesetre az AOA növekedésével arányosan nő az indukált légellenállás. Másképpen fogalmazva: minél kisebb a légsebesség, annál nagyobb AOA szükséges a repülőgép tömegének megfelelő felhajtóerő előállításához, és ezért annál nagyobb az indukált légellenállás. Az indukált légellenállás nagysága fordítottan változik a légsebesség négyzetével.

Fordítva, a parazita légellenállás a légsebesség négyzetével nő. Így állandósult állapotban, ahogy a légsebesség az átesési sebesség közelébe csökken, a teljes légellenállás nagyobb lesz, főként az indukált légellenállás hirtelen növekedése miatt. Hasonlóképpen, amint a repülőgép eléri a soha nem túlléphető sebességet (VNE), az összellenállás gyorsan növekszik a parazita ellenállás erőteljes növekedése miatt. Amint az 5-6. ábrán látható, egy adott légsebességnél a teljes légellenállás a minimális értéket éri el. A repülőgép maximális hatótávolságának kiszámításakor a légellenállás leküzdéséhez szükséges tolóerő minimális, ha a légellenállás minimális. A minimális teljesítmény és a maximális kitartás egy másik ponton következik be.

Flight Literacy ajánlja

Rod Machado Magánpilóta kézikönyve -A Flight Literacy azért ajánlja Rod Machado termékeit, mert az általában száraz és unalmas dolgokat a rá jellemző humorral alakítja át, ami segít lekötni a figyelmet és hosszabb ideig megtartani az információkat. (lásd Rod Machado összes termékét).