1.4.4 Korkea- ja matalapaineiden vaikutus

Korkeapaineen vallitessa on yleensä hyvä lentosää, taivas useimmiten pilvetön ja tuuli heikkoa tai jopa tyyntä. Matalapaineen vallitessa sää on vaihteleva, pilvinen, yleensä tuulinen ja puuskainen ja sateen mahdollisuus on olemassa. Korkea- ja matalapaineen väliin jää rintama, joka voi sisältää hyvin monta erilaista säätyyppiä. Jalaspilvet ovat tyypillisiä matalapaineen ensimmäisiä merkkejä varsinkin, jos ne tulevat lounaan suunnasta. Seuraavana päivänä rintama on jo kohdalla ja lentosään suhteen saa olla tarkkana, jos aikoo lentää näkölento-olosuhteissa. 

1.4.5 Staattinen paine

Ilmakehän staattinen paine tietyssä korkeudessa aiheutuu yläpuolella olevan ilman painosta. (Vrt. veden hydrostaattinen paine.) ISA:n mukaan normaali ilmakehän staattinen paine merenpinnan tasolla on 1013,25 hPa (= 29,92 inHg). Tämä paine pienenee korkeuden kasvaessa kuvan osoittamalla tavalla (keskimmäinen kuva). Staattinen paine on 5.500 m:n korkeudessa puolet meren pinnalla vallitsevasta. Joskus on mukavampaa käyttää painesuhdetta d, kun halutaan ilmaista, monesko osa kyseinen paine on merenpinnalla vallitsevasta paineesta. Staattinen paine vaikuttaa kohtisuoraan kappaleen pintaan sen joka puolella. Lennettäessä staattinen paine on lentokorkeudella vallitseva ympäröivän ilman paine, joka mitataan yleensä pitot-putken sivussa olevien aukkojen kautta.

Lentokorkeus

Lentokoneen korkeusmittari mittaa staattisen paineen erotuksen perusteella lentokorkeuden. Mittarin vertailupaine on asetettavissa käyttötarkoituksen mukaan, jolloin näytetty lentokorkeus riippuu asetuksesta. Kun korkeusmittarissa on:

• QFE asetus, niin korkeusmittari näyttää nollaa, kun kone on maassa.
• QNH asetus vastaa lentopaikan korkeutta merenpinnasta. Kun lento­korkeus ylittää siirtopinnan, jonka ATS-elin kulloinkin määrittelee (Suomessa yleisin siirtopinta mittarilennossa on 1500 m), käytetään ISA:n mukaista asetusta 1013,2 hPa, jolloin lentopintojen korkeudet ovat vallitsevasta ilmanpaineesta riippumatta jokaiselle samat. 

Standardi ilmakehän lämpötila, paine ja tiheys eri korkeuksilla merenpinnasta. Nämä arvot perustuvat kansainväliseen sopimukseen ja niitä käytetään esimerkiksi vertailtaessa eri laitteiden kuten moottoreiden tai lentokoneiden ominaisuuksia ja käyttäytymistä eri korkeuksilla. 1 mbar = 1hPa.

1.5 Ilman tiheys

Ilman tiheydellä r on mitä suurin merkitys aerodynamiikassa. Tiheydellä ymmärretään massan m suhdetta sen tilavuuteen V.    r =  m/V

ICAO:n normaali-ilmakehän tiheys meren pinnalla on 1,225 kg/m ³ mikä merkitään " r_o ". Tiheyden pieneneminen korkeuden kasvaessa suhteessa merenpinnalla vallitsevaan tiheyteen on esitetty seuraavassa kuvassa.

Ilman tiheys 6500 metrin korkeudessa on puolet merenpinnan tason tiheydestä. Tiheyssuhteella s ymmärretään tarkastelukorkeudella ja merenpinnan tasolla olevan standardi ilmakehän tiheyden välistä suhdetta. Yleinen kaasulaki määrittelee kaasun paineen, lämpötilan ja tiheyden välisen yhteyden, minkä avulla saadaan myös: Tiheyssuhde = Painesuhde / Lämpötilasuhde

Tällä riippuvuudella on paljon merkitystä aerodynamiikassa ja saavutusarvoissa ja sitä käytetään korjattaessa suoritusarvot vertailukelpoisiksi eri tilanteissa tehtyjen vertailujen välillä. Tämä tarkoittaa, että todellisessa tilanteessa suoritetut mittaustulokset muutetaan vastaamaan ICAO:n kansainvälisen ilmakehän olosuhteita. Lennon valmistelun yhteydessä pilotti joutuu tekemään tämän kääntäen eli tulkitsemalla koneen suoritusarvot vastaamaan todellisen lentosään tilannetta. Tästä on esimerkkinä kuva, jonka avulla voidaan muuntaa hetkellinen painekorkeus vastaamaan ISA:n tiheyskorkeutta.

Vakiopaineessa ilman kosteus laskee ilman tiheyttä, koska vesihöyryn molekyylipaino on pienempi kuin kuivan ilman. Vaikutus normaali ilmakehässä hyvin pieni.

Vakiopaineessa myös lämpötilan nousu laskee ilman tiheyttä. Nyrkkisääntönä voi sanoa, että 3ºC lämpötilan nousu laskee tiheyttä yhden prosentin.

Kaasujen tilan yhtälö

Paineen, tiheyden ja lämpötilan välillä on yhteys p = r R T, jossa R = 287 J/kg K

ja r = ilman tiheys kg/m³ sekä T = ilman lämpötila Kelvin-asteissa.  

Kansainvälisen ilmakehän ominaisuuksien suhteelliset muutokset eri korkeuksilla.

1.6 Ilman viskositeetti

Ilman viskositeettia käytetään kuvaamaan ilman sekä nesteen sisäistä kitkaa. Se vaikuttaa merkittävästi ilmavirtauksen käyttäytymiseen varsinkin kiinteän kappaleen välittömässä läheisyydessä mutta myös vapaassa virtauksessa. Viskositeetin vaikutusta voidaan kuvata seuraavan esimerkin avulla. Oletetaan, että ilma on levossa eli välittömästi tasaisen pinnan päällä olevan virtauksen nopeus on nolla. Pinnan yläpuolella on levy, joka liikkuu alustan suhteen nopeudella v. Liikkuvan levyn ja alustan välillä virtausnopeus muuttuu lineaarisesti. Ilman sisäinen kitka vastustaa levyn liikettä sitä enemmän mitä suurempi viskositeetti on. Levyyn vaikuttava voima on suoraan verrannollinen levyn pinta-alaan ja nopeuteen sekä kääntäen verrannollinen levyn etäisyyteen pinnasta.

Viskositeetti kuvaa siis nesteen tai kaasun kykyä vastustaa liikettä leikkausjännitysten vaikuttaessa. Mitä suurempi viskositeetti, sitä suurempi on vastus.

Kaasujen viskositeetti riippuu lämpötilasta siten, että lämpötilan nousu lisää hieman viskositeettia. 

Kuva. Pinnan yläpuolella liikkuvaan levyyn kohdistuva kitkavoima on suoraan verrannollinen levyn pinta-alaan, nopeuteen ja väliaineen (ilman tai nesteen) viskositeettiin sekä kääntäen verran­nollinen levyn etäisyyteen pinnasta. Kitkavoiman suunta on päinvastainen kuin liikesuunta. Tämä koskee lähellä pintaa olevaa levyä.

 Laskutehtävissä on usein edullista käyttää kinemaattista viskositeettia n, joka määritellään viskositeetin ja tiheyden suhteena. 

Kinemaattisen viskositeetin määritelmä sekä standardi ilmakehän kinemaattinen viskositeetti merenpinnan tasolla.

Standardi ilmakehän kinemaattisen viskositeetin riippuvuus korkeudesta.

1.7 ISA, Kansainvälinen standardi-ilmakehä

Kansainvälinen standardi-ilmakehä (International Standard Atmosphere, ISA) määrittelee ilman paineen, lämpötilan, tiheyden ja viskositeetin arvot merenpinnasta aina 80 km korkeudelle saakka. Lentokoneen suoritusarvot normalisoidaan vastaamaan ISA:n arvoja. 

Google: Icao+isa

Taulukko:  Standardi ilmakehän arvoja. Kansainvälinen standardi-ilmakehä, (ISA) on kansainvälisen siviili-ilmailujärjestön (ICAO) määrittelemä ilmakehämalli, joka perustuu keskimääräisiin olosuhteisiin maapallon keskileveysasteilla. ISA ei ota huomioon ilman kosteutta, joka pienentää hieman tiheyttä ja vaikuttaa ilman lämpötilan muutokseen korkeuden muuttuessa.

Taulukko standardi ilmakehän lämpötila, paine, tiheyssuhde, kinemaattinen viskositeetti, lämmön johtavuus ja äänen nopeus korkeuksilla 2000 m merenpinnan alapuolelta aina 30 km korkeuteen. 1 ft = 0,3048 m1 kt (solmu tunnissa eli meripeninkulma tunnissa) = 0,5144 m/s.1 psi = 0.068948 bar ja 1 bar = 14.5038 psi

Kansainvälisen ilmakehän paine korkeuden funktiona

Kansainvälisen ilmakehän lämpötila korkeuden funktiona

1.8 Paineen, lämpötilan ja tiheyden välinen yhteys

Tiheyskorkeuden määrittely painekorkeuden ja lämpötilan avulla.

Seuraavassa kuvassa on Piperin käsikirjasta lainattu esitys miten tiheyskorkeuden voi määritellä lentotehtävää vastaavaksi painekorkeuden ja lämpötilan avulla.

Korkeuden muuntokaavio, jolla saadaan lentotehtävän tilanne vastaamaan standardi ilmakehän tiheyskorkeutta. Valitse korkeusmittarin asetukseksi 1013,2 mbar, lue mittarista lentokorkeutta vastaava painekorkeus ja ulkoilman lämpötila. Hae kuvaajasta tämä piste sekä katso vasemmasta reunasta tiheyskorkeus, joka vastaa silloin koneen suoritusarvoissa käytettyjä arvoja.

1.9 Yhteenveto

Tärkein ilmakehän ominaisuus aerodynamiikan kannalta on ilman tiheys. Kansainvälinen siviili-ilmailujärjestö ICAO on määritellyt ns. ICAO:n standardi-ilmakehän, jossa esimerkiksi lentokoneen suoritusarvot ilmaistaan. Todellinen ilmakehä poikkeaa tästä sopimuksesta vallitsevasta säästä riippuen. Sen vuoksi on tunnettava erikoisesti tiheyden muutokseen vaikuttavat tekijät:

Paine nousee                - tiheys kasvaa

Lämpötila laskee          -           ”

Kosteus laskee             -           ”

Lentokoneen suoritusarvot ilmaistaan tiheyskorkeudesta riippuvaisena, joten on tunnettava, miten korkeusmittarin osoittamasta painekorkeudesta voidaan saada tiheyskorkeus (kts kuva).

1. Asetetaan korkeusmittariin 1013,2 mbar.
2. Luetaan painekorkeus p.
3. Luetaan ulkoilman lämpömittarin näyttämä T.
4. Lasketaan näiden avulla joko kakkaralla tai katsotaan kuvasta 3 tiheyskorkeus.

Lämpötila ilmaistaan joko ^O F tai °C. Koneen käsikirjassa on mittarinäyttämän mukaiset asteikot.

Standardi ilmakehästä käytetään usein lyhennettä ISA (International Standard Atmosphere)

Testaa osaamisesi