2.4.4 Laskusiivekkeiden käyttö lentoonlähdössä

Laskusiivekkeiden käyttö lentoonlähdössä on edullista silloin, kun se parantaa nostovoimaa ilman, että vastus kasvaa liikaa. Fowler- ja solalaipat ovat hyvin käyttökelpoisia tähän tarkoitukseen. Tällöin on yleensä käytettävä vain noin 10° - 15° laippa-asetusta, jottei vastus kasvaisi liikaa ja vaikuttaisi lentoonlähtömatkaa pidentävästi. Kun kone on irronnut maasta, annetaan nopeuden kiihtyä maavaikutuksen avulla haluttuun nousunopeuteen ja vedetään vähitellen laipat varovasti sisään, kun ollaan turvallisessa korkeudessa. Äkillinen sisäänveto saattaa aiheuttaa hetkellisen korkeuden menetyksen ja tahattoman maakosketuksen.

Yleensä tyyppilennon yhteydessä on syytä kokeilla riittävän korkealla koneen käyttäytymistä laippoja ulos/sisään otettaessa. Tällöin tulisi huomion kiinnittyä seuraaviin seikkoihin:

- trimmin muutokset laippa-asetusta muutettaessa. Ne nähdään nokan asennosta. 

- korkeuden lisäys laippoja ulos vedettäessä ja korkeuden menetys sisään otettaessa. Muutos nähdään korkeusmittarista tai variometristä tai matalalla vertaamalla maastoon.

- koneen käyttäytyminen ja ohjattavuus etenkin pienillä nopeuksilla

- koneen sakkausnopeus ja käyttäytyminen suorassa ja kaartosakkauksessa teho päällä ja ilman tehoa

- laipat täysin ulkona, nopeus vähän yli sakkausnopeuden, työnnetään täysi moottoriteho päälle ja katsotaan variometristä, miten moottoriteho riittäisi täysillä laipoilla suoritetussa ylivedossa.

- on huomattava, että lennonvalvontamittareissa, joissa käytetään hyväksi staattista painetta, saattaa esiintyä näyttövirheitä laipat ulkona. Jos näitä virheitä on, niistä pitäisi olla maininta lentokäsikirjasta. Yleensä virheet ovat pieniä.

Lisätietoa lentoonlähtömatkaan vaikuttavista tekijöistä saat tästä. ja laippojen käyttö lyhintä lentoonlähtömatkaa tarvittaessa.

2.5 Potkuri

Potkuri välittää moottorin tehon ilmaan ja vaikuttaa merkittävästi lentokoneen toimintaan.

2.5.1 Virtausnopeus potkurin vaikutuksesta

Potkurin tehtävänä on saada aikaan lentokonetta eteenpäin vetävä voima. Tällöin se toimii siiven tavoin. Ilmavirran liike yksinkertaistettuna potkurin kehän läpi on seuraavan kuvan kaltainen. Bernoullin lain mukaan nopeuden kasvaessa virtaviivat lähenevät toisiaan. Näin käy myös potkurissa.

 sivu46 potkurin virtaus
Kuva: Ilman virtaus potkurin läpi. Koska nopeus kasvaa, poikkipinta-ala pienenee. Virtausnopeus kiihtyy potkurin jälkeen edelleen ja noin halkaisijan etäisyydellä potkurista se on tuplaten suurempi kuin potkurin kohdalla. Potkurin kohdalla paine kasvaa hyppäyksellä mutta virtaus kiihtyy tasaisesti ennen ja jälkeen potkurin.

2.5.2 Potkurin nousu ja lapakulma

Koska potkurin kohtauskulma pyritään pitämään lähes vakiona koko lavan pituudella, muuttuu lapa­kulma b siten, että yhdellä kierroksella jokainen profiilin leikkaus liikkuu eteenpäin yhtä paljon. (Vrt. kierreportaat.) Säätöpotkurin lapakulmaa voidaan säätää siten, että se sopii parhaiten moottorin tuotta­maan vääntömomenttiin, mikä parantaa kokonaishyötysuhdetta ja vähentää polttoaineen kulutusta. Säätöpotkurin voi lepuuttaa moottorihäiriön sattuessa, mikä tarkoittaa, että potkuri käännetään ilmavirran suuntaiseksi, jolloin se jarruttaa mahdollisimman vähän.

 sivu47 nousu
Kuva: Potkurin nousu on lähes sama koko lavan pituudella. Tämä tarkoittaa sitä, että yhden kierroksen aikana potkurin jänteen suuntaan etenemä on lähes sama koko lavan pituudelta. Tästä etenemisestä käytetään nimitystä "nousu". Kiinteä potkuri määritellään lyhyesti halkaisijan ja nousun avulla. Esimerkiksi; 100/40 tarkoittaa halkaisija 100 tuumaa ja nousu 40 tuumaa. Mitat ilmoitetaan usein tuumissa, mutta myös sentit ovat käytössä.
 sivu47 lapakulma
Kuva: Potkurin nousukulma eli lapakulma β vastaa etenemää jänteen suuntaan yhden kierroksen matkalla. V = lentonopeus, Vk = kehänopeus, VR on resultanttinopeus, α on lavan kohtauskulma. Kärjessä lapakulma pienenee, jotta kohtauskulma olisi joka kohdassa yhtä suuri. Kärjessä lapakulma pienenee, jotta nousu olisi joka kohdassa yhtä suuri. Koneen etenemää vastaava kulma on b - a ja se riippuu potkurin kuormituksesta. Tuulimyllynä pyörivän potkurin kohtauskulma on negatiivinen

Potkuri aiheuttaa myös virtauksen kiertymisen, mikä aiheuttaa potkurin pyörimissuuntaan koneen runkoa kiertävän spiraalin muotoisen jättövirtauksen, joka vaikuttaa erityisesti sivuvakaajaan painamalla tätä sivuun. Tästä syystä joudutaan käyttämään sivuperäsintrimmiä, jolla kompensoidaan tämä vaikutus. Lentoonlähdössä tämä vaatii vastajalan painamista, jottei nokka käänny sivuun kiihdytettäessä.

sivu48 lavan jakauma
Kuva  48. Nostovoiman jakautuminen potkurissa matkalennolla. Jakauma riippuu kuormituksesta mutta normaalisti lapakohtainen vetävän voiman resultantin paikka on noin 75 % lavan tyvestä.

Potkurin hyötysuhde määritellään seuraavasti: hyötysuhde h = Ppotkuri / Pakseli, jossa

Ppotkuri    = Tpotkuri · V         = Potkurin tuottama teho

Tpotkuri                            = Potkurin tuottama vetävä (työntävä) voima

Pakseli                             = Lentomoottorin antama akseliteho

V                                          = Lentonopeus

Potkurin hyötysuhde on parhaimmillaan 85 – 88 % ja muuttuu tilanteen ja nopeuden mukaan.

Lentokonetta eteenpäin vievä teho ja vetävä voima riippuvat lentonopeudesta seuraavasti.

 sivu48 teho
 Kuva: Potkurin eteenpäin vetävä voima T on suurimmillaan, kun kone on paikallaan eli lentoonlähdön alussa, jolloin sitä eniten tarvitaan. Paikallaan seisovan koneen potkurin tuottama teho on kuitenkin nolla, koska potkurin tuottama teho riippuu lentonopeudesta eli P = V T. Vetävä voima pienee lentonopeuden kasvaessa. Teho kasvaa lentonopeuden kasvaessa ja saavuttaa maksiminsa, jonka jälkeen se laskee.

Potkurin eteenpäin vetävä voima T on suurimmillaan, kun kone on paikallaan eli lentoonlähdön alussa, jolloin sitä eniten tarvitaan. Paikallaan seisovan koneen potkurin tuottama teho on kuitenkin nolla, koska potkurin tuottama teho riippuu lentonopeudesta eli P = V T. Vetävä voima pienee lentonopeuden kasvaessa. Teho kasvaa lentonopeuden kasvaessa ja saavuttaa maksiminsa, jonka jälkeen se laskee.

2.5.3 Potkurin jarrutus, kun moottori ei vedä

Moottorin sammuttua potkuri toimii jarruna, ellei sitä lepuuteta eli muuteta lapakulmia virtauksen suuntaiseksi siten, että moottori lakkaa pyörimästä. Seuraavassa kuvassa osoitetaan miten paljon seisova tai tuulimyllynä pyörivä potkuri jarruttaa. Mielenkiintoista on huomata, että pienillä lapakulman arvoilla vapaasti tai paremminkin tuulimyllynä pyörivä potkuri jarruttaa huomattavasti enemmän kuin seisova potkuri.

sivu49 seisova potkuri
Kuva: Potkurin vastus, kun moottori ei vedä. Esimerkiksi pakkolaskutilanteessa säätöpotkurin avulla voi valita, antaako potkurin pyöriä vai onko parempi pysäyttää laskun ajaksi. Lapakulma on otettu asemasta 75 % R. Ellei korkeutta ole riittävästi moottorin uudelleen käynnistysyritystä varten on syytä lepuuttaa potkuri, kääntää magneetot pois päältä ja keskittyä pakkolaskuun. Moni pakkolaskussa tehty onnettomuus on johtunut siitä, että moottori pärähtää käyntiin viime hetkellä, jolloin pilotti on keskeyttänyt pakkolaskun ja moottori on sammunut uudestaan eikä ensin valittu pakkolaskupaikka ole enää käytettävissä.

 

Potkurin vastus, kun moottori ei vedä. Esimerkiksi pakkolaskutilanteessa säätöpotkurin avulla voi valita, antaako potkurin pyöriä vai onko parempi pysäyttää laskun ajaksi. Lapakulma on otettu asemasta 75 % R. Ellei korkeutta ole riittävästi moottorin uudelleen käynnistysyritystä varten on syytä lepuuttaa potkuri, kääntää magneetot pois päältä ja keskittyä pakkolaskuun. Moni pakkolaskussa tehty onnettomuus on johtunut siitä, että moottori pärähtää käyntiin viime hetkellä, jolloin pilotti on keskeyttänyt pakkolaskun ja moottori on sammunut uudestaan eikä ensin valittu pakkolaskupaikka ole enää käytettävissä.

 Google: potkurin vetovoima ja vastus, aircraft propeller thrust

2.5.4 Potkurin huollosta

Potkuriin vaikuttavat samat vastustekijät kuin siipeen. Erityisesti potkurin etureuna on voimakkaan eroosiorasituksen kohteena. Alumiinipotkurin voi pilata yhdellä ainoalla koekäytöllä, jos sen suorittaa vesilammikon päällä. Vesipisaran osuminen täysillä pyörivän potkurin pintaan aiheuttaa mikrokokoisen räjähdyksen, jonka jäljiltä potkurin etureuna on kuin kuun kraatereita täynnä. Veden aiheuttamat kuopat ovat teräväreunaisia ja heikentävät siksi sekä virtausominaisuuksia että potkurin mekaanista lujuutta. Hiekka puolestaan tekee sileäpohjaisia kuoppia, jotka eivät ole yhtä vaarallisia mekaanisesti, mutta heikentävät aerodynaamisia ominaisuuksia lisäämällä kitkavastusta.

Potkurin etureunan kuntoa on seurattava ja tarvittaessa annettava huoltomekaanikon kunnostaa potkuri. ÄLÄ KOSKAAN TEE KOEKÄYTTÖÄ TAI ALOITA LÄHTÖKIITOA LÄTÄKÖSTÄ.

2.5.5 Potkurin vaikutus koneen vakavuuteen

Potkuri pyörii yleensä myötäpäivään ja sen vastamomenttina kone pyrkii kallistumaan vastapäivään eli vasemmalle. Tämä korjataan vaakalennossa siiveketrimmin avulla. Potkurin jättövirtaus etenee spiraalina koneen rungon ympäri ja kohtaa sivuperäsimen siten, että se painaa sivuperäsintä oikealle ja kääntää nokkaa vasemmalle. Tämän kumoamiseksi käytetään sivuperäsintrimmiä.

Lentoonlähdössä potkurin vaikutukset ovat suurimmillaan ja ovat aiheuttaneet lukuisia onnettomuuksia, kun potkurin aiheuttamia voimia ei ole osattu korjata vastatoimenpiteillä ja kone on suistunut kiitoradalta sivuun. Siksi on syytä hallita teoriassa sekä käytännössä nämä vaikutukset.

Lentoonlähdettäessä on korjattava oikealla jalalla koneen pyrkimys kaartaa vasemmalle ja etenkin kannuspyöräkoneella juuri sillä hetkellä, kun pyrstö työnnetään irti maasta, koska silloin potkurin hyrrävoimat kääntävät muiden voimien lisäksi nokkaa vasemmalle.

Potkurin akselin eli vetolinjan suunta ja etäisyys koneen painopisteestä vaikuttavat siihen miten kone käyttäytyy kaasua lisättäessä tai vähennettäessä. Jos vetolinja on painopisteen alapuolella, niin kaasun lisäys nostaa nokkaa ja vähennys laskee. Koneen valmistaja on suunnannut moottorin siten, että kaasun käytön vaikutusta on kompensoitu moottorin vetolinjan suuntauksella hieman alas ja muutaman asteen verran oikealle, jolla kompensoidaan sivuperäsimeen kohdistuvaa vasemmalle kääntävää voimaa.

Moottoritehon muuttuessa muuttuu myös momentti ja aiheuttaa trimmaustarvetta.

 Potkurin kallistusmomentti
Kuva: Potkurin aiheuttama kallistuspyrkimys ja sitä tasapainottavat siiven vastavoimat. 

Myötäpäivään pyörivä potkuri aiheuttaa vastamonentin, joka kallistaa konetta vasemmalle eli vastapäivään. Tämä kumotaan vaakalennossa siiveketrimmillä. Lennettäessä hitaasti eli suurella kohtauskulmalla virtaus kohtaa potkurin alaviistosta, jolloin potkurin vetolinja siirtyy hieman oikealle ja veto kääntää nokkaa vasemmalle. Tämä ilmiö on voimakkaimmillaan kannuspyöräkoneen lentoonlähtörullauksessa, kun kannus on vielä maassa ja vaikutusta lisäävät potkurin hyrrävoimat, jotka myös kääntävät nokkaa vasemmalle silloin, kun kannus nostetaan ylös ja kone kääntyy vaaka-asentoon. Pilotin on kumottava nämä kiertovaikutukset painamalla voimakkaasti oikeaa jalkaa.

 Potkurivoima sivuperäsimeen
Kuva: Myötäpäivään pyörivä potkuri aiheuttaa runkoa kiertävän spiraalivirtauksen, joka painaa sivuperäsintä oikealle eli kääntää nokkaa vasemmalle. Tämän kompensoimiseksi lentoonlähdössä vaaditaan runsaasti oikeaa jalkaa. Matkalennolla kompensointi tehdään sivuperäsintrimmillä.

2.6 Rajakerros

Rajakerros on kappaleen pinnan välittömässä läheisyydessä oleva kerros, jossa ilman nopeus on 99% tai vähemmän pintaa kauempana ympäröivän ns. vapaan virtauksen nopeudesta. Rajakerroksessa muodostuu kitkavastus. Lisäksi se vaikuttaa muodollaan profiilin muotovastukseen, joten sillä on tärkeä osa aerodynamiikassa. Yksinkertaisin esimerkki rajakerroksesta saadaan tarkastelemalla seuraavan kuvan virtausta sileän levyn pinnassa. Rajakerros on laminaarinen, jos virtaviivat eivät leikkaa toisiaan ja turbulenttinen, jos virtaus on sekoittunut ja virtaviivoja on vaikea erottaa. Väliin jää muutosalue, jossa virtaus muuttuu turbulenttiseksi. Kuvassa rajakerroksen paksuus on liioiteltu, jotta sitä voisi kuvata. Sen todellinen paksuus on laminaarisella alueella millejä ja turbulenttisella alueellakin vain senttejä. Jos pääsee katsomaan virtaukseia aivan laivan kyljen vieressä voi erottaa selvästi rajoittuvan pyörteisen alueen, joka ulottuu laivan koosta ja katselukohdan sijainnista kymmenien senttien etäisyydelle rungosta.

 sivu38 rajakerros
Kuva: Rajakerros tasaisen levy pinnassa olevassa virtauksessa. 
Huomautettakoon tässä, että kuvan skaala on korkeussuunnassa useita kymmeniä kertoja suurennettu, jotta ilmiö erottuisi pinnasta. Rajakerroksen todellinen paksuus on normaalisti etureunassa millin osia ja kauempana millejä.

 

Laminaarisessa rajakerroksessa virtaviivat kulkevat sileästi pinnan suuntaisena ja virtaviivat ovat selvästi erottuvia eivätkä leikkaa toisiaan. Laminaarinen rajakerros on erittäin ohut, noin 0,01—2 mm. Turbulenttiselle rajakerrokselle on kuvaavaa kiemuraiset virtaviivat rajakerroksessa. Siinä tapahtuu virtauksen sekoittumista rajakerroksen ylemmän ja alemman kerroksen välillä, joten välittömästi pinnan lähellä olevilla hiukkasilla on suurempi nopeus kuin mitä oli laminaarisessa rajakerroksessa. Koska turbulenttinen rajakerros on laminaarista paksumpi, sen aiheuttama kitkavastus on suurempi kuin laminaarisen. Kohtaa, jossa laminaarinen virtaus muuttuu turbulenttiseksi, sanotaan transitiopisteeksi. Yleensä transitiopiste on viimeistään profiilin paksuimmassa kohdassa.

Vastuksen pienentämiseksi profiili pyritään muotoilemaan siten, että transitiopiste saataisiin mahdollisimman kauaksi etureunasta. Tällöin profiilille on ominaista kauaksi taakse, noin 40-60%: iin siirtynyt maksimipaksuuden kohta.

 sivu38 profiili
Kuva: Virtaus profiilin ympärillä. Patopisteessä virtaus jakautuu profiilin ylä- ja alapuolelle. Patopisteen paikka riippuu kohtauskulmasta. Siiven alapinnalla laminaarialueen leveys on yleensä suurempi kuin yläpinnalla. Yläpinnalla laminaarialue muuttuu helposti turbulenttiseksi, jos pinnassa on vähäisiäkin epätasaisuuksia. Rajakerros paksunee profiilin jättöreunaa kohti.
Transitioalueella rajakerros muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi ja se paksunee ja aivan pinnan lähellä olevassa kerroksessa virtausnopeus on suurempi kuin laminaarikerroksessa. Tämä lisää vastusta mutta saattaa estää virtauksen irtoamisen siivestä ja vähentää sakkaustaipumusta.

Koska muuttumiskohtaan vaikuttaa myös profiilin pinnan puhtaus siten, että mikäli epätasaisuudet tunkeutuvat rajakerroksen läpi, niin ne aiheuttavat välittömästi turbulenttisen rajakerroksen. Koska laminaarisen rajakerroksen paksuus on etureunassa vain millin sadas- tai kymmenesosia, on selvää, että profiilin etureunan on oltava sileä ja jopa kiillotettu, jotta voitaisiin puhua laminaarivirtauksesta. Mikäli laminaariprofiili ei ole puhdas, niin sen vastus on suurempi kuin mitä vastaavalla normaaliprofiililla, joten...

MIKÄLI KONEESSA ON LAMINAARIPROFIILI, NIIN SIIVEN ETUREUNA ON PIDETTÄVÄ SILEÄNÄ JA PUHTAANA.

Minulta on usein kysytty, miksi meidän pitää välittää rajakerroksesta, joka on vain muutaman millin tai sentin paksuinen. Vastaus on yksinkertainen: Rajakerroksessa syntyy suurin osa vastuksesta, jota varten tarvitaan moottori ja paljon polttoainetta. Pienikin epäpuhtaus väärässä paikassa kaksinkertaistaa helposti rajakerroksen ja vastuksen. Tärkein asia, jonka voin kertoa purjelentäjille ja mekaanikoille on:

Pitäkää etureuna puhtaana!!!!!

Google: Siiven rajakerros, wing boundary layer

 sivu38 rajakerros nopeusjakautuma
Kuvassa on nopeusjakauman muoto laminaarisessa ja turbulenttisessa rajakerroksessa. Huomaa erityisesti välittömästi pinnan lähellä turbulenttisessa rajakerroksessa virtausnopeus on suurempi kuin laminaarisessa. Turbulenttinen rajakerros on myös paljon paksumpi kuin laminaarinen.
 sivu39 etureuna puhdas
Siiven etureunasta paksuimpaan kohtaan on profiilin muodon ja puhtauden suhteen tärkein alue, koska kaikki epätasai­suudet ja muotovirheet muuttavat virtauksen turbulenttiseksi ja lisäävät kitkavastusta. Pienikin epätasaisuus tai kohouma kuten niitin kanta aiheuttaa paikallisesti virtauksen muuttumisen turbulenttiseksi ja vaikutusta lisää se, että turbulenttinen alue leviää häiriöpisteen jälkeen, mikä lisää sen haitallista vaikutusta.