Perusaerodynamiikkaa

2.1 Nostovoiman syntyminen

Siiven tärkein tehtävä on synnyttää konetta ilmassa pitävä nostovoima. Nostovoima syntyy siipeen ilmavirran suunnan muuttamisen vastavaikutuksena. Suunnan muutoksen suuruus ja lentonopeus määrittelevät syntyvän voiman suuruuden.

Kuva: Virtauksen suunnan muuttamisesta syntyy nostovoima. V1 on vapaan virtauksen suunta ja V2 on siiven vaikutuksesta taipunut suunta. Nostovoima määritellään syntyvän kohti­suoraan vapaata vir­tausta vastaan ja vastus vapaan virtauksen suuntaan.

2D virtaus

Seuraavassa tarkastellaan lähemmin nostovoiman syntyä käyttämällä hyväksi aikaisemmin mainittua Bernoullin lakia ja painejakautumaa äärettömän pitkän lieriön ympärillä eli 2D-virtausta. Ensiksi oletetaan, että virtaus on kitkatonta (vasen kuva) ja sen jälkeen otetaan huomioon kappaleen aiheuttama kitka, joka synnyttää vastusta sekä muuttaa virtauksen luonnetta kappaleen pinnan välittömässä läheisyydessä ja varsinkin kappaleen takana, jossa esiintyy enemmän tai vähemmän turbulenssia (oikean puoleinen kuva).

Kun edellisen kuvan lieriö pannaan pyörimään myötäpäivään, niin lieriön pinnan välittömässä läheisyydessä oleva virtaus saa saman nopeuden kuin lieriön pinta. Tämä sirkulaatioksi kutsuttu nopeus summautuu ympäröivään virtaukseen. Sirkulaation lisääminen nostaa etupuolella liikkuvia virtaviivoja ylemmäksi, jolloin patopiste siirtyy alemmaksi aiheuttaen jopa kitkattomassa virtauksessa nostovoiman ilman vastusta. Kun lisäksi ilman viskositeetista johtuva vastus otetaan huomioon, niin saadaan todellinen virtaustilanne, jossa on sekä nostovoimaa että vastusta. 

Tätä pyörivän sylinterin nostovoimaa synnyttävää ominaisuutta on käytetty hyväksi ns. Flettner-purjeessa, joka on pyörivä sylinteri purjeen tilalla. Google: Flettner rotor. Pallopeleissä vastustajaa pyritään hämäämään lyömällä kierteinen pallo, jolloin sen rata kaartuu kierteen suunnasta riippuen. 

 Siipiprofiilin nostovoiman synty

Kuva: Virtaus ja painejakauma siiven ympärillä. Jos virtaus olisi kitkaton, niin taempi patopiste olisi siiven yläpinnalla mutta kitkallisessa virtauksessa se siirtyy jättöreunaan. Tämä vastaa lieriöesimerkissä sitä, että lieriö pyörii, mutta nyt ilman kitka siirtää taemman patopisteen jättöreunaan, mikä aiheuttaa sirkulaation. Siiven alapinnalla virtaus hidastuu ja yläpinnalla kiihtyy, mikä vastaa lieriön pyörimisen vaikutusta. Virtauksen taipumista ennen siipeä ylös kutsutaan ylöstaitteeksi ja siiven jälkeen alastaitteeksi.

Lentokoneen siiven nostovoiman syntyminen vastaa pyörivän lieriön tapausta. Kun siiven kohtauskulma kasvaa niin etummainen patopiste siirtyy hieman alaspäin ja takimmainen patopiste pyrkii siiven ylä­pinnalle. Tällöin virtaus joutuisi kuitenkin kiertämään takaa siiven yläpinnalle. Ilman sisäinen kitka estää tällaisen nopean kiepsahduksen vastakkaiseen suuntaan ja taempi patopiste pysyy jättöreunassa. Sakkausilmiössä tämä virtauksen kiepsahdus siiven yläpuolelle toteutuu. Kuvassa esitetään siiven ympäri tapahtuva virtaus kitkattomassa ja kitkallisessa virtauksessa.

3D virtaus

Edellä olevissa virtauskuvissa virtaus on ennen ja jälkeen lieriön vapaan virtauksen suuntainen, mikä pitää paikkansa vain äärettömän pitkälle lieriölle. Todellisessa tilanteessa virtaus muuttaa lieriön takana suuntaansa alaspäin sitä enemmän mitä suurempi nostovoima ja mitä lyhyempi lieriö eli siipi. 

NOSTOVOIMA SYNTYY KOHTISUORAAN PYÖRIMISAKSELIA[1] JA SUHTEELLISTA VIRTAUSTA VASTAAN.

Mutta on sovittu, että nostovoima on kohtisuorassa vapaata virtausta vastaan ja vastus vapaan virtauksen suuntainen. Näin on sovittu koska suhteellisen virtauksen suunta on vaikea määritellä mutta vapaan virtauksen suunta on aina saatavilla.

Siiven pituuden vaikutuksesta nostovoimaan

2.2 Nostovoiman suuruuteen vaikuttavat tekijät:

Tärkeimmät suureet, jotka vaikuttavat nostovoiman suuruuteen, voidaan eritellä seuraavasti:

Viskositeetin ja kokoonpuristuvuuden vaikutukset nostovoimaan ovat alisoonisella alueella niin vähäisiä, että voimme tyytyä tarkastelemaan pelkästään muiden tekijöiden vaikutusta.

Koska nostovoima johtuu painejakautumasta kappaleen ympärillä, on siipipinta-alalla ensiarvoisen suuri merkitys. Painejakautuman suuruus on taas verrannollinen kineettiseen paineeseen, jolloin virtausnopeuden ja ilman tiheyden kasvu lisäävät nosto­voimaa. Painejakautuman muotoon vaikuttavat profiilin muoto, pinnan laatu ja kohtauskulma. Näiden tekijöiden vaikutus voidaan esittää kaavan

L = q S C_L avulla,

jossa q = kineettinen paine = ½ r V², S = siiven pinta-ala ja C_L = nostovoimakerroin.

Kuva: Nostovoimakertoimen riippuvuus kohtauskulmasta. Vs = sakkausnopeus. Kuvasta näkyy, miten lentonopeus vaikuttaa nostovoimakertoimeen. Mitä suurempi lentonopeus sitä alhaisempi CL riittää vaakalentoon. Tämä kuva vastaa symmetrisen profiilin nostovoimakäyrää, koska se kulkee origon kautta. Normaalisti siipiprofiilit ovat positiivisesti kaarevia, jolloin käyrä kulkee ylempänä eli nolla kohtauskulmalla nostovoimakerroin on selvästi positiivinen kuten seuraavassa kuvassa.

Kuva: Tyypillisen lentokoneen nostovoimakerroin on nolla noin miinus 3º - 4º kohtauskulmalla. Nostovoiman kuvaaja kulkee kohtauskulma = 0 kautta silloin, kun kaarevuus on nolla. Kaarevuus nostaa nostovoimakertoimen kuvaajaa ylös päin. Kuvassa on kolmen eri kaarevuudella olevan profiilin kuvaajat.

Reynoldsin luku vaikuttaa myös nostovoimakertoimeen. Kuvassa on NACA 2412 profiilin nostovoimakertoimet eri Reynodsin luvuille. Kuvaajista nähdään, että Re-luvun pieneneminen heikentää nostovoimaa ja varsinkin maksimi CL:n arvoa. Sakkaus alkaa juoheasti, kun Re-luku on yli miljoonan mutta on varsin terävä, kun Re <= 500 000 (Radio-ohjatut isot lennokit). Tämä on esimerkiksi PIK-15:n profiili.

Nostovoiman yhtälössä käytetty nostovoimakerroin on nostavan paineen L/S ja kineettisen paineen q suhde ja se riippuu ensisijaisesti siiven muodosta ja kohtauskulmasta. Jos tavanomaisen symmetrisen siiven nostovoimakerroin kuvataan kohtauskulman avulla, on tulos kuvan mukainen. Koska nostovoiman esittäminen kertoimen avulla tekee mahdolliseksi tarkastella siiven ominai­suuksia nostovoiman muodostamiskyvyn kannalta, niin sitä voidaan käyttää verrattaessa esimerkiksi erilaisten siipien hyvyyttä. Nostovoimakerroin kasvaa kohtauskulman kasvaessa, kunnes saavutetaan maksimiarvo C_Lmax. Jos tämän jälkeen vielä lisätään kohtauskulmaa, ei taempi patopiste enää pysy jättöreunassa, vaan siirtyy eteenpäin aiheuttaen nostovoiman vähenemisen ja vastuksen kasvun. Tätä ilmiötä kutsutaan sakkaukseksi, ja se aiheutuu virtauksen irtoamisesta siiven yläpinnalta.

Lentokoneen lentäessä vaakalentoa sen täytyy lentää sellaisella kohtauskulmalla ja lentonopeudella, joka riittää synnyttämään koneen painon suuruisen nostovoiman. Tämä tarkoittaa sitä, että kineettisen paineen ja nostovoimakertoimen tulon on oltava vakio. Nopeuden pienentyessä nostovoimakerroin ja kohtauskulma kasvavat, kunnes saavutetaan CL_max, jota ei voida ylittää, vaan kohtauskulman vielä kasvaessa nostovoima pienenee ja kone sakkaa.

HUOM! SAKKAUS RIIPPUU VAIN KOHTAUSKULMASTA. KAIKKI TEKIJÄT, JOTKA VAIKUTTAVAT KOHTAUSKULMAA LISÄÄVÄSTI VAIKUTTAVAT VÄLILLISESTI SAKKAUKSEEN.

Koska tiettyä nopeutta vastaa aina tietty nostovoimakertoimen arvo, on voitu merkitä edelliseen kuvaan tiettyä lentomassaa vastaavat lentonopeudet vaakalennossa, sillä:

Kaavat: Nostovoimakertoimeen liittyvät kaavat. Alinna on lento­nopeuden ja sakkausnopeuden suhteen riippuvuus nostovoima­kertoimesta.

 Jos C_Lmax = 1,55 kuten edellisessä kuvassa, voidaan laskea erilaisia nopeuden suhteita, joita on esitetty seuraavassa taulukossa.

Taulukko: Suhteellisen V/Vs lentonopeuden riippuvuus nostovoima­kertoimesta.

Taulukosta havaitaan, että nopeuden lähestyessä sakkausnopeutta, nostovoimakerroin lähestyy hyvin nopeasti maksimiarvoa, jolla kone sakkaa. Tämä merkitsee lennolla sitä, että mitä lähempänä ollaan sakkausnopeutta, sitä tarkemmin on seurattava nopeuden muutoksia. 

2.3 Vastuksen suuruuteen vaikuttavat tekijät

Vastus on liikeradalle vastakkainen voima, joka aiheutuu kappaleen aiheuttamista muutoksista sitä ympäröivän ilman virtaukseen. Siiven vastukset voidaan jakaa kahteen osaan, jotka toimivat selvästi toisistaan poikkeavalla tavalla. "Indusoitu vastus", joka riippuu nostovoimasta ja "Haitallinen vastus", johon sisältyvät mm. kitka- ja painevastus sekä ylisoonisella alueella aaltovastus. 

Vastus on lentokoneen liikettä vastustava voima, joka on suuntautunut taaksepäin. Vastus aiheutuu painejakautumasta sekä kappaleen pintaan vaikuttavista kitkavoimista. Nostovoiman syntyä virtaviivojen avulla tarkastellessamme havaitsimme, että kitkattomassa virtauksessa vastus oli nolla, mikäli virtaukset olivat etu- ja jättöreunassa identtiset. Tällöin eri puolille syntyneet paineet kumosivat toistensa vaikutukset. Näin ollen sulavalinjaisilla kappaleilla, joiden virtauksen voi olettaa pysyvän sileänä aivan jättöreunaan asti, on hyvin pieni painevastus, mikäli ne ovat virtauksen suuntaisia. Paksujen ja tylppien kappaleiden peräosassa virtaus on pyörteinen, jolloin niillä on suuri painevastus.

Vastuskerroin määritellään kineettisen paineen ja pinta-alan avulla seuraavasti:

Kuva: Vasemmalla vastuskertoimen riippuvuus kohtauskulmasta. CDo on pienin vastus. Oikealla vastuskertoimen riippuvuus nostovoimakertoimesta. Kun tälle käyrälle piirretään origon kautta tangentti, saadaan paras liitosuhde L/D, joka tässä tapauksessa on 0,72. Vastuskertoimen riippuvuus kohtauskulmasta nähdään vasemmassa kuvassa. Useammin käytetään kuitenkin kuvassa oikealla esitettyä vastuskertoimen riippuvuutta nostovoimakertoimesta. Tämä on siitäkin syystä kätevä ja konkreettinen esitystapa, koska kuvaajasta saadaan myös optimi liitosuhde piirtämällä origosta alkava tangentti tälle kuvaajalle. Kun optimi CL on saatu, niin sen avulla saadaan optimi kohtauskulma ja lentonopeus. Optimi liitosuhteella pääsee pisimmälle ja siksi se on hyvä tietää konekohtaisesti. Tieto, jonka hallinta saattaa pelastaa pakkolaskulta.

Kuva: Vastuskerroin riippuu Reynoldsin luvusta. Kuvassa erään profiilin vastuskertoimen riippuvuus kohtauskulmasta eri Re-luvuilla. Pienillä Re-luvuilla vastuskerroin on suurempi kuin suurilla. Laminaarikuoppa on ominainen profiilille, jonka paksuin kohta on vähintään 40 % etureunasta ja muoto on puhdas.

2.3.1 Siiven pituuden vaikutus virtaukseen

3D virtaus

Nostovoiman synty esitettiin pyörivän äärettömän pitkän lieriön avulla ja selitettiin sen avulla äärettömän pitkän siiven nostovoiman synty, nostovoima ja vastus. Nostovoima syntyi kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan ja vastus viratuksen suuntaan. Tämä pitää paikkansa vain äärettömän pitkälle lieriölle ja siivelle. Todellisessa tilanteessa virtaus muuttaa lieriön takana suuntaansa alaspäin sitä enemmän mitä suurempi nostovoima ja mitä lyhyempi lieriö eli siipi. 

Kärkipyörre

Aikaisemmissa kohdissa on jätetty huomiotta siiven pituuden ja muodon vaikutukset olettamalla, että virtaus on sama koko siiven pituudelta. Todellisuudessa näin ei ole, sillä rungon ja siipeen liitettyjen ulkonevien osien ja erikoisesti siiven kärkien vaikutuksesta virtauskuvio muuttuu. Aiemmin totesimme siiven ylä- ja alapinnan välisistä virtausnopeuseroista aiheutuvan paine-eron. Tuntuisi luonnolliselta, että tämä paine-ero pyrkisi tasoittumaan esimerkiksi siiven kärkien ympäri. Näin tapahtuukin ja se havaitaan siiven alapuolelta kärjen kautta yläpuolelle tapahtuvana kärkipyörteenä, jollainen on esitetty seuraavassa kuvassa. Kärkipyörre ja siipi kääntävät virtauksen alas päin, mikä kääntää suhteellista virtausta ja synnyttää indusoidun vastuksen.

Kuva: Savujen avulla havainnollistettuja kärkipyörteitä. Kärkipyörre liittyy siiven takana alas päin suuntautuneeseen virtaukseen eli alastaitteeseen ja muodostaa sen kanssa "hevosenkenkäpyörteeksi" ristityn virtauksen.

Kuva: Kärkipyörre syntyy, kun siiven alas painama virtaus pyrkii kärjen ympäri kiertämään siiven yläpinnalle. Koska siipi liikkuu samaan aikaan eteen päin, pyörteestä tulee spiraalin muotoinen.

Mikäli katsotaan tällaista kärkipyörrettä takaapäin, voidaan havaita se kuvan alempana olevan kuvan kaltaiseksi. Tällaisen pyörteen voi havaita esimerkiksi lentokoneen laskeutuessa lumisateessa tai kiitoradalle, jossa on juuri satanutta, irtonaista lunta. Pyörteen voimakkuus on verrannollinen koneen massaan ja kääntäen verran­nollinen koneen kärkiväliin. Tämä selittää sen, että suurien matkustajakoneiden taakseen jättämä pyörre on jopa niin voimakas, että pikkukoneen joutuessa siihen jopa muutamia minuutteja jälkeenpäin pyörre voi paiskata pienkoneen vaakakierteeseen tai jopa syöksykierteeseen. Koska on vaikea tietää, tällaisen pyörteen olemassa oloa erityisesti lähellä isojen koneiden käyttämiä lentokenttiä, on varauduttava tällaistenkin yllätysten varalta. Lennonjohto porrastaa mm. tästä syystä lähtevät ja saapuvat koneet riittävästi, jottei jättöpyörre aiheuttaisi ongelmia. Vaarallisinta on stabiililla säällä kevyt, takaviistosta puhaltava tuuli, jolloin jättöpyörre voi ajautua kiitoradan yläpuolelle perässä tulevan koneen kiusaksi.  Turvallisin tapa varautua jättöpyörteeseen on pitää riittävän suurta ilmanopeutta, jotta kone pysyisi ohjaajan hallinnassa myös tällaisessa tilanteessa tai yllättävässä puuskassa. Laskukierroksen myötätuuliosalla voisi käyttää nopeutta 1,3 – 1,4 x V_S , ja pienentää sitä vähitellen 1,25 x V_S ja kynnystä lähestyttäessä haluttuun kynnysnopeuteen asti. Nopeuden pieneneminen matalalla on luvallista sen vuoksi, että maanpinta on vaimentanut kärkipyörteen voiman eikä vaara ole yhtä suuri kuin ylempänä. Kuvassa  havaitaan myös alas taittuneen nopeuden suuruutta kuvaavat vektorit. Koska lyhyellä siivellä on saatava aikaan sama nostovoima kuin pitemmällä siivellä, niin lyhyellä siivellä alas taittuneen nopeuden on oltava suurempi.

Kärkipyörre yllättää helpoiten stabiililla säällä, koska sen aiheuttajaa, yleensä isoa matkustajakonetta ei enää ole näkyvissä ja pyörre saattaa pysyä pitkään paikallaan. On eräs tapaus, jossa lähes heti hävittäjän jälkeen laskeutunut kone on joutunut jättöpyörteeseen ja menettänyt hetkeksi hallinnan. Vaarallisin kärkipyörre on heikolla takamyötäisellä tuulella painavan koneen lentoonlähdön jälkeen, jos tuuli painaa kärkipyörteen kiitoradan päälle ja pienkone lähtee välittömästi ison koneen jälkeen.

Kuva: Kärkipyörre takaa tai edestä katsottuna. Nuolet osoittavat ilmavirran alaspäin suuntautuneen komponentin ja ympyrät kärkipyörteen, joka jatkuu koneen takana ns. hevosenkenkäpyörteenä. Siiven takana virtaus suuntautuu alas. Lentokoneen painoa vastaava impulssi kohdistuu siihen ilmamäärään, johon kone vaikuttaa.

Päältä päin katsottuna kärkipyörteen vaikutuksesta virtaus kääntyy siiven yläpinnalla kohti runkoa ja alapinnalla kärkeen päin. Aiemmin äärettömän pitkän siiven nostovoimasta puhuttaessa käytimme niin ikään pyörrettä hyväksemme. Todellisen siiven pyörimisakseli suuntautuu siivenkärjistä taaksepäin siten, että puhutaan "hevosenkenkäpyörteestä". Pyörteen etuosan muodostaa siiven ympäri kiertävä pyörre ja jatkuu kärkipyörteenä kärjestä taakse päin. Tämä on esitetty seuraavassa kuvassa. Tässä kuvassa näkyy selvästi, miten kärkipyörteeseen lentäminen saattaa aiheuttaa vaaran. On huomattava, että myös helikopteri jättää jälkeensä vastaavan pyörteen.

Kuva: Hevosenkenkäpyörre. Painavan koneen kärkipyörre on niin voimakas, että pienkone on vaikeuksissa, jos se lentää siihen ennen pyörteen vaimenemista. Normaalisti kärkipyörre heikkenee 1 – 2 minuutissa vaarattomaksi. Stabiilissa säässä vaikutus viipyy pisimpään.

Maaefekti

Lennettäessä alle koneen kärkivälin etäisyydellä maanpinnasta kärkipyörre ja alastaite pakkautuvat siiven ja maan väliin, jolloin siiven alapintaan kohdistuva paine kasvaa ja siipi kantaa paremmin ja indusoitu vastus pienenee. Tämä ilmiö on sitä voimakkaampi mitä matalammalla ja mitä suuremmalla kohtauskulmalla lennetään. Maaefektiä voi hyödyntää etenkin, jos lähdetään lentoon pehmeältä kiitoradalta siten, että kevennetään konetta käyttämällä laskusiivekkeitä ja sopivaa kohtauskulmaa kunnes kone irtoaa pinnasta. Tämän jälkeen jatketaan kiihdytystä pyörät juuri ja juuri irti pinnasta, kunnes nopeus on kasvanut riittävästi turvallista nousua varten.

2.3.2 Indusoitu vastus

Indusoitua vastusta voi kutsua myös nimellä "nostovoimasta riippuva vastus", koska se aiheutuu nostovoiman tuottamisesta todellisella siivellä kääntämällä vapaan virtauksen suuntaa siiven avulla.

Äärellisen siiven kärjen ympäri tapahtuu "vuotoa' alhaalta ylös. Miten tämä vuoto vaikuttaa nostovoimaan ja vastukseen? Luultavaa on, että nostovoima pienenee ja vastus kasvaa, mutta miten? Palautamme mieleen seuraavat aikaisemmin esitetyt asiat:

1   Nostovoima syntyy kohtisuoraan suhteellista virtausta vastaan.

2. Nostovoiman suunta määritellään siten, että se on kohtisuorassa vapaata virtausta vastaan.

3. Kärkipyörteestä aiheutuu siiven jättöreunan takana alastaite eli suhteellinen virtaus onkin taittunut alaspäin. Alastaite on sitä suurempi, mitä lyhyempi on kärkiväli.

Tuloksena on eräänlainen ristiriitatilanne siinä mielessä, että syntyvän nostovoiman vektori on kallistunut taaksepäin, mutta määritelmän mukainen nostovoima on kohtisuorassa vapaata virtausta vastaan. Tämä "ristiriita" poistuu, kun lisätään määritelmän mukaiseen nostovoimaan indusoitu vastus D_i. Tätä voidaan havainnollistaa seuraavan kuvan avulla.

Kuva: Indusoitu vastus. Nostovoima R syntyy kohtisuoraan suhteellista virtausta vastaan. Kuvassa resultantti R osoittaa syntyvän nostovoiman. Nostovoima L on kuitenkin määritelty kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan. Resultantin ja nostovoiman erotus on indusoitu vastus Dieli nostovoimasta riippuva vastus. Kuvasta voi päätellä, että mitä enemmän virtaus taittuu siiven vaikutuksesta sitä suuremmaksi tulee indusoitu vastus. Mitä pitempi ja kapeampi siipi sitä pienempi on indusoitu vastus. Tästä syystä purjekoneiden siivet ovat pitkiä ja kapeita.

Kuva: Nostovoimakertoimen riippuvuus kohtauskulmasta ja siiven sivusuhteesta. Äärettömän pitkän siiven CL(a) kuvaajaa vastaava kohtauskulma on a0, johon tarvitaan lisää kohtauskulmaa ai:n verran, jotta äärellinen siipi tuottaisi saman nostovoimakertoimen kuin äärettömän pitkä siipi. Esimerkiksi sivusuhteella 8 tarvitaan 5° lisää kohtauskulmaa, jotta nostovoimakerroin olisi 0,85 eli sama kuin äärettömän siiven. Kuvasta havaitaan, että vastus kasvaa, jos nostovoimakerroin pidetään samana. Tosin tarvitaan indusoidun kohtauskulman,ai:n verran suurempi kohtauskulma verrattuna äärettömän pitkän siiven nostovoimaan. Tämä vaikutus ilmenee esimerkiksi CL(a)- tai CL(CD)-kuvaajista siten, että ne loivenevat sitä enemmän mitä pienempi sivusuhde on. Toisin sanoen mitä pienempi on koneen kärkiväli, sitä suurempi kohtauskulma tarvitaan saman nostovoiman saavuttamiseksi. Esimerkiksi deltasiipiset koneet, joiden sivusuhde on noin 1—2, tarvitsevat liki 30° kohtauskulman laskussa, kun tavallisille pienkoneille, joiden sivusuhde A ~ 8 riittää noin 17° ja purjekoneille (A ~20) noin 13°. Tämä käy ilmi myös seuraavasta kuvasta.

Kuva: Vastuskertoimen ja nostovoimakertoimen riippuvuus sivusuhteesta. Nostovoimakertoimen suhde vastuskertoimeen = Liitosuhde. Kokonaisen lentokoneen liitosuhde riippuu nostovoimakertoimen ja kokonaisvastuskertoimen suhteesta.

2.3.3 Haitallinen vastus

Haitallinen vastus käsittää kaikki lentokoneeseen vaikuttavat vastukset lukuun ottamatta indusoitua vastusta. Vastus johtuu joko kitkasta tai virtauksen suuntaisesta paine-erosta.

Kitkavastus kohdistuu kappaleen pintaan pinnan suuntaisesti ja johtuu ilmavirran ja kappaleen pinnan välisestä kitkasta. Pintakitka riippuu kappaleen pinnan sileydestä ja ilman viskositeetista sekä pinnan rajakerroksen ulkopuolella olevan virtauksen nopeudesta. Kitkavastus on verrannollinen nopeuden toiseen potenssiin. Kitkavastus muuttuu pitkin kappaleen pintaa ja on havaittavissa rajakerroksen paksuutena. Pienillä kohtauskulmilla siiven rajakerros on ohut mutta kohtauskulman kasvaessa virtaus irtoaa, jolloin vastus kasvaa voimakkaasti. Haitalliseen vastukseen vaikuttaa kappaleen virtaviivaisuus. 

2.3.4 Kokonaisvastus

Ohjaajan kannalta on hyödyllistä tietää, miten lentokoneen kokonaisvastus muuttuu lentonopeuden muuttuessa. Vastus saadaan vastuskertoimesta ja kineettisestä paineesta laskemalla, mutta kukapa niitä ehtisi laskea lennon aikana. Sen vuoksi tarkastellaan jo etukäteen mistä vastus muodostuu ja miten se muuttuu eri lentotilanteissa. Kuvasta käy ilmi, että vastuksessa on kaksi osaa, joista toinen, C_DO riippuu vain kohtauskulmasta ja toinen C_Di riippuu kohtauskulmasta sekä sivusuhteesta. Oleellista on havainto, että indusoitu vastus vähenee lentonopeuden kasvaessa ja haitallinen vastus kasvaa. Molempien yhteenlaskettu vastus on minimissään silloin, kun ne ovat keskenään yhtä suuret. Alla oleva kuvaa vastaavat kaavat on koottu yhteen.

Kokonaisvastuksen laskentakaavat. Kokonaisvastus on nousevan paraabelin ja laskevan hyperbelin summa.

Kuva. Vastuksen riippuvuus lentonopeudesta. Di on nostovoimasta johtuva vastus, D0 on nopeudesta johtuva vastus, joka sisältää myös maassa rullaavan koneen rullausvastuksen. Ylin käyrä esittää kokonaisvastusta eli haitallisen vastuksen ja indusoidun vastuksen summaa ja on pienimmillään silloin, kun D0 = Di

Näistä nouseva paraabeli D_o kuvaa haitallista vastusta, joka on nolla, kun nopeus on nolla ja kasvaa nopeuden neliöön verrannollisena. Laskeva hyperbeli D_i on lentonopeudesta riippuva vastus eli indusoitu vastus, joka pienenee lentonopeuden kasvaessa. Kuvassa on erotettu molemmat vastuksen osat toisistaan sekä esitetty kokonaisvastus. Erityisen huomattavaa on indusoidun vastuksen suuruus pienellä nopeudella, sillä tämä tilanne esiintyy laskussa ja lentoonlähdössä. Vastuksen yhtälöstä voimme todeta niin ikään, että koneen nostovoiman lisäys aiheuttaa indusoidun vastuksen kasvun. Nostovoima L = koneen paino silloin, kun lennetään suoraa vaakalentoa. Tilanne ei muutu kaarron tai lentoliikkeiden aikana, mikäli huomioidaan keskipakovoimista johtuvat kiihtyvyydet eli g-voimat. Samoin indusoitu vastus kasvaa lentokorkeuden kasvaessa, sillä ilman tiheys pienenee mutta haitallinen vastus sen sijaan pienenee.

Yhteenveto vastuksesta

Seuraavassa taulukossa on esitetty yhteenveto haitallisen ja indusoidun vastuksen muutoksen suunnasta ja voimakkuudesta, kun olosuhteet muuttuvat. Nämä on hyvä olla osana ”perstuntumaa”, jotta osaisi reagoida oikein muutoksiin.

Yhteenveto eri tilanteiden vaikutuksesta vastukseen. Tulkinta: Suurella lentonopeudella haitallinen vastus on määräävä mutta pienellä nopeudella indusoitu vastus on suurin. Koneen painolla sekä kiihtyvyysmonikerralla on iso vaikutus kokonaisvastukseen sillä 1 % painon tai kiihtyvyyden lisäys aiheuttaa 2 % vastuksen kasvua.

2.4 Nostovoimaa lisäävät laitteet

Pyrkimys kohti suurempia lentonopeuksia ja hyötykuormia on lisännyt koneiden siipikuormitusta ja sakkausnopeutta. Koska koneiden on laskeuduttava ja noustava samoilta kentiltä kuin aikaisemmin, vaaditaan joko tavatonta moottoritehoa, jolla saadaan aikaan suuri kiihtyvyys lähdössä, tai nostovoimaa lisääviä laitteita, joilla saadaan sakkausnopeus pienenemään. Lyhyen lentoonlähtö- ja nousumatkan ehdoton edellytys on pieni sakkausnopeus, mikä saavutetaan kasvattamalla nostovoima­kerrointa. Jos oletetaan esimerkiksi, että lentoonlähtömatka s on kääntäen verrannollinen nostovoimakertoimeen C_L, saadaan nostovoimakertoimen lisäyksen DC_L vaikutukseksi Ds = (DC_L / C_L) s

Esimerkiksi: Alkuperäinen C_L = 1,2 ja lentoonlähtömatka = 300 m. Jos DC_L = 0,4 niin lentoonlähtömatka on sen jälkeen 200 m eli lentoonlähtömatka lyheni noin sata metriä, mikä on kolmannes alkuperäisestä matkasta.

Nostovoimaa lisäävien laitteiden vaikutus perustuu useimmiten seuraaviin keinoihin:

1. Lisätään profiilin kaarevuutta, jolloin nostovoimakerroin kasvaa, mutta haittavaikutuksena esiintyy momentin kasvu, joka lisää nokka alas -taipumusta. Tämä havaitaan trimmin muutoksena laippoja ulos otettaessa.
2. Estetään sakkaus kiihdyttämällä virtausta rajakerroksessa tai imemällä rajakerros kokonaan pois.
3. Lisätään siipipinta-alaa.
4. Käytetään pyörregeneraattoreita siiven yläpinnalla kiihdyttämässä rajakerrosta, jolloin virtaus pysyy kiinni siivessä.

2.4.1 Laipat jättöreunassa

Ylivoimaisesti tavallisin keino lisätä nostovoimaa on käyttää laskusiivekkeitä, joita niitäkin on useita eri malleja. Seuraavassa esitetään tavallisimmat mallit ja niiden vaikutukset nostovoimakertoimeen sekä koneen polaariin eli CL (CD) kuvaajaan.

Kuva: Yleisiä laippatyyppejä. Näistä solalaippaa käytetään esimerkiksi Piper Cherokeessa, levylaippaa PIK-15:ssä ja Fowler-laippaa Rallye-koneissa ja Cessnoissa.

Kuva: Eri laippatyyppien tyypilliset polaarit eli vaikutus CL :n arvoihin. Mitä ylempänä CL -käyrä leikkaa pystyakselin, sitä suurempi on haitallinen momenttivaikutus. Fowler-laippa on kallein ja paras. Laskeuduttaessa Fowler antaa suuren nostovoimakertoimen ja vastuskerroinkin on suuri, mikä mahdollistaa jyrkän laskukulman. Fowlerilla on myös kohtuullisen hyvät ominaisuudet lentoonlähdössä, jos laippa on osittain ulkona, jolloin vastus ei ole kasvanut liikaa.

Solalaippa on yleinen pienkoneissa, koska se on halpa rakentaa ja antaa kohtuullisen hyvät ominaisuudet. Siitä ei kuitenkaan ole paljonkaan apua lentoonlähdössä, koska vastus kasvaa helposti liian suureksi. Jos solalaippaa on tarvetta käyttää lentoonlähdössä, oikea hetki on vetää sitä hieman ulos juuri ennen rotaatiota, jolloin se lisää nostovoimaa juuri irtoamishetkellä. Laippaa ei ole syytä vetää kiinni heti vaan antaa ensin nopeuden kasvaa riittävästi, jonka jälkeen laipan voi vetää varovasti sisään. Liian nopea laipan sisäänveto aiheuttaa helposti korkeuden menetyksen.

Levysiiveke puoltaa paikkaansa, mikäli ei tarvitse huomioida kasvanutta vastusta tai varsinkin, jos tämä lisävastus on haluttu keino nopeuttamaan korkeuden poisottoa. Näinhän on juuri purjelentokoneiden hinauksessa käytetyssä Hinussa, jonka tulee päästä hinauksen jälkeen nopeasti alas uutta hinausta varten.

2.4.2 Etureunasolakko

Joissakin tapauksissa halutaan vielä enemmän nostovoimaa lisäämällä siiven etureunaan etureunalaippa, joka voi olla joko kiinteä tai automaattinen. Kiinteä etureunasolakko oli esimerkiksi Fieseler Storchissa, joka sakkausnopeus oli vain 50 km/h.  Kiinteän etureunalaipan etuna on rakenteen yksinkertaisuus ja keveys. Haittana on pysyvä vastuksen kasvu sekä solakolle tyypillinen ominaisuus kasvattaa nostovoimaa vasta hyvin suurella kohtauskulmalla. Tästä syystä etureunasolakolla varustetuisssa koneissa on korkea laskuteline ja pyrstö ylhäällä, jotta kannus ei raapisi maata laskun loppuvedon aikana.  

Automaattisolakko on painunut etureunaa vasten ja tulee automaattisesti esiin, kun kohtauskulma kasvaa riittävän korkeaksi. Jotta molempien siipien laipat eivät avautuisi eri aikaan, ne on kytketty mekaanisesti toimimaan samanaikaisesti. Vaimennin hidastaa laipan liikettä ja jousivoima varmistaa laipan sisäänvedon.

Kuva: Etureunasolakko lisää nostovoimaa, kun kohtauskulma on suuri. ΔCL on solakon tuottama nostovoimakertoimen lisäys ja Datähän tarvittava kohtauskulman lisäys.

Vaakalennossa solakko on painautunut etureunaa vasten. Kohtauskulman kasvaessa solakko tulee alipaineen imemänä esiin ja kiihdyttää virtausta etureunan yläpinnalla parantaen sakkauskestävyyttä. CL(a)-kuvaajasta näkyy etureunasolakon aiheuttama nostovoimakertoimen lisäys ja sitä vastaava kohtauskulman lisäys. Pienellä kohtauskulmalla paine pitää laipan sisällä, mutta kohtauskulman kasvaessa alipaine vetää laipan ulos. Nostovoimakertoimen kasvu alkaa vasta, kun siipi muuten sakkaisi.

Etureunalaipan vaikutus nostovoimakertoimeen poikkeaa jättöreunalaipasta siinä mielessä, että vaikutus alkaa vasta lähellä maksiminostovoimaa eli suurilla kohtauskulman arvoilla. Tästä on haittana koneen nokan pystyasento hidaslennossa, minkä vuoksi kannuspyöräkoneen pääteline on rakennettava korkeaksi, mikä rajoittaa näkyvyyttä eteenpäin. Nokkapyöräkoneeseen on puolestaan varattava riittävä vetovara, minkä vuoksi on tehtävä joko korkea laskuteline tai nostettava pyrstö riittävän ylös ettei se osuisi kiitorataan laskun loppuvedon aikana. Automaattiselle etureunalaipalle on ominaista se, että se tulee ulos vakiokohtauskulmalla eli puuskaisella säällä laippa käy ulkona silloin tällöin. Samoin kaarroissa tai vedoissa laippa tulee ulos paljon Vs:ää suuremmilla nopeuksilla. Mm. Rallye-koneissa käytetään etureunasolakkoa.

Lyhyt yhteenveto eri laippatyyppien vaikutustavoista:

Jättöreunalaippa lisää kaarevuutta, joten CLmax kasvaa ja momentti kasvaa. Se on rakenteeltaan yksinkertaisin mutta lisää vain vähän nostovoimaa mutta enemmän vastusta kuin muut.

Solalaippa lisää kaarevuutta, sola kiihdyttää virtausta laipan yläpinnalla, joten virtaus ei irtoa laipasta suurillakaan kohtauskulmilla. Solalaippa lisää nostovoimaa lähes yhtä hyvin kuin Fowler mutta aiheuttaa hieman enemmän vastusta.

Levylaippa lisää kaarevuutta, jättöreunan tehollinen paksuus kasvaa, jolloin virtaus pysyy kiinni kohtalaisen hyvin. Nostovoiman lisäys on kohtalainen ja vastuksen lisäys huomattava. Jos laippa on poikkeutettu yli 60 astetta, toimii tehokkaana lentojarruna.

Fowler-laippa lisää kaarevuutta ja siipipinta-alaa. Laipan yläpinnassa on samanlainen puhallus kuin solalaipassa. Trimmin muutokset ovat huomattavia. On tehokkain tässä esitetyistä laipoista.

Etureunalaippa kiihdyttää virtausta etureunassa sallien (vaatien) suuremman kohtauskulman. Soveltuu erinomaisesti, jos koneella halutaan lentää todella hitaasti (Fieseler Storch)