Koneeseen vaikuttavat voimat

3.1.1 Siipiin kohdistuvat voimat

Lentokoneeseen kohdistuu ilmassa ohi liikkuvan ilmamassan aiheuttamia paine- ja kitkavoimia. Ne kohdistuvat erilaisina koneen eri osiin. Olemme esittäneet nostovoiman synnyn yhteydessä siipiprofiiliin kohdistuvia painejakautumia. Painejakautuman aiheuttama kokonaisvoima voidaan esittää "punnitsemalla" ja ilmoittamalla punnitustulos. Tällöin joudutaan tulos ilmoittamaan yleensä voima- ja momenttivektorin avulla. Kunkin osan vaikutus koko siipeen ja koneeseen voidaan laskea yhteen ja tulos on ilmaistavissa voiman ja momentin avulla. Voima ja momentti vaikuttavat nostovoimakeskiöön. Esimerkkinä tästä voidaan esittää seuraavan kuvan mukainen tapaus.

Kuva: Siipeen kohdistuvien voimien ja momenttien summa kohdistetaan vaikuttamaan aerodynaamiseen keskiöön. Nostovoima L kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan ja vastus D vapaan virtauksen suuntaan sekä positiivinen momentti siten, että se pyrkii nostamaan nokkaa eli lisäämään kohtauskulmaa.

Paine- ja kitkavaikutuksien summa vastaa yksinkertaistettuna voimia ja momenttia, jotka vaikuttavat paine­keskiöön. Kunkin siiven osan on otettava vastaan siihen kohdistuvat voimat. Tällöin tyveä lähimpänä olevat osat rasittuvat kaikista eniten. Jännevälin kasvaessa siiven tyviosaan kohdistuvat voimat moninkertaistuvat. Nostovoiman jakaantuminen jännevälin suunnassa saadaan laskemalla kunkin leikkauksen nostovoima ja esittämällä tulos seuraavan kuvan tapaan. Tässä kuvassa kuvaajan korkeus ilmaisee, kuinka paljon mikin siiven osa kantaa. Todetaan, että siiven keskiosassa on suurin nostovoima, sillä siinä jakautuman arvo on korkein. Samassa kuvassa on esitetty useamman erimuotoisen siiven nostovoimajakautuma, (a-kohta). Viereisessä kuvassa, (b-kohdassa), on esitetty siivekepoikkeutuksen aiheuttama muutos nostovoimajakautumaan sekä c-kohdassa laskusiivekkeiden vaikutus.

Kuva: Siiven nostovoimajakauma. Kuvassa a on kolmen erilaisen siipimuodon jakauma. Pienimmän vastuksen antaa elliptinen siipi, jonka jakauma on elliptinen. Kuvassa b siivekkeen käyttö muuttaa jakaumaa ja aiheuttaa kallistusmomentin. Nousevan ja laskevan siivekkeen aiheuttamat vastuksen muutokset synnyttävät siivekejarrutuksen, joka kääntää nokkaa ylös nousevan siiven suuntaan. Kuvassa c laskusiiveke lisää jakaumaa oman mittansa pituudella.

3.1.2 Siivekejarrutus

Siivekettä käytettäessä nokka kääntyy yläviistoon vastakkaiseen suuntaan kuin kallistus eli kone joutuu samalla lievään sivuluisuun ellei siivekejarrutusta korjata jalalla. Tämä johtuu siitä, että ylös nouseva siiveke vähentää kohtauskulmaa mutta alas laskeva siiveke lisää nostovoimaa, mitkä molemmat kääntävät koneen nokkaa ylös nousevan siiven puolelle. Ohjauksessa tämä tarkoittaa sitä, että kallistettaessa vasemmalle on saman aikaisesti painettava vasenta jalkaa, jottei nokka kääntyisi oikealle. Jalan käytön voimakkuus on konekohtaista ja riippuu paljon siitä, miten ohjausjärjestelmässä on suunniteltu siivekejarrutuksen vaikutuksen vähentäminen. Joissakin koneissa tässä on onnistuttu jopa niin hyvin, että siivekejarrutus on lähes olematon. 

Keinoja siivekejarrutuksen vähentämiseksi.

Siivekejarrutus on normaali lennossa tarpeeton ja vaatii jatkuvaa kompensointia eli jalan käyttöä. Siivekkeen käyttö aiheuttaa siivekkeen leveydellä nostovoiman muutoksen ja siitä johtuvan indusoidun vastuksen muutoksen. Ylös nousevan siivekkeen vastus pienenee ja alas laskevan kasvaa. Vastukset voidaan tasapainottaa joko lisäämällä vastusta ylös nousevaan siivekkeeseen tai käyttämällä siiveke-differentiaalia eli muuttamalla siivekeliikkeen mekansimia siten, että siiveke nousee esimerkiksi 20 astetta ylös ja vastakkainen siiveke laskee vain 5 astetta alas. Differentiaalin käyttö aiheuttaa pienemmän kokonaisvastuksen kuin alas laskevan siivekkeen vastuksen lisääminen. Molempia tapoja käytetään. 

Differentiaali-siivekettä käytettäessä ylösnousevan siivekkeen indusoitu vastus pienenee mutta siivekkeen runsas poikkeutus lisää sen profiilivastusta ja alas laskevan siivekkeen puolella tapahtuu sama toisin päin eli profiilivastus kasvaa hyvin niukasti ja indusoitu vastus kohtuullisesti. Lopputuloksena on tasapainoinen siivekkeen käyttö, jolloin konetta kallistettaessa nokka kääntyy kallistuksen suuntaan eikä sivuperäsintä tarvitse käyttää siivekejarrutuksen kumoamiseen. Friese-siivekkeen noustessa sen etureuna tulee siiven alapinnan alapuolelle ja lisää vastusta, joka kääntää hieman koneen nokkaa kallistuksen suuntaan. Tavallisesti tämä ei ihan vielä riitä kumoamaan vastakkaisen eli alas laskeneen siivekkeen vastusta mutta vähentää kuitenkin sivuperäsimen vaatimaa voimaa.

3.1.3 Siiven taivutusmomentti ja leikkausvoima

Nostovoima aiheuttaa siipeen taivutusmomentin, joka siiven on kestettävä. Momentti on voima kertaa varsi. Jos useampia voimia vaikuttaa eri etäisyyksillä, saadaan kokonaisvoima laskemalla yhteen kunkin voiman aiheuttama momentti. Jos lasketaan siiven eri kohdissa momentit, saadaan kutakuinkin seuraavan kuvan mukainen momenttijakautuma. Havaitaan selvästi, että keskellä on momentti kaikista suurin. Näinhän pitääkin olla, sillä keskeltähän on myös suurin etäisyys kuhunkin kantavaan siiven poikkileikkaukseen. Kuvassa esitetään, kuinka suuri osa siiven kantovoimasta on sen kärkiosan puolella. Kärjessä tämä kuvaaja on tietysti nolla, mutta tyveen tultaessa se kasvaa suurimmaksi, sillä keskellä on tietysti kummankin kärjen puolella puolet koneen nostovoimasta. Tätä kuviota kutsutaan leikkausvoimajakautumaksi. Ohjaajan kannalta ei ole välttämätöntä ottaa kantaa näihin jakautumiin sellaisenaan. Voidaan kuitenkin todeta, että koneessa, jonka nostovoimasta suuri osa on kärkiosassa, kuten suorakaidesiivessä, saadaan tyven momenttijakautumalle suuria arvoja. 

Siipeen kohdistuva leikkausvoima (oikealla) ja taivutusmomentti (vasemmalla). Leikkausvoima kohdassa x on yhtä suuri kuin kärjen ja x:n välinen nostovoima. a =  kärkiosan leikkausvoiman painopisteen etäisyys x:stä. Momentti kohdassa x on yhtä suuri kuin kärkiosan leikkausvoima kertaa a.

3.2 Koneeseen vaikuttavien voimien yhdistäminen

Siiven ja rungon tuottamat aerodynaamiset voimat ja momentti piirretään vaikuttamaan aerodynaamiseen keskiöön. Koneen massan aiheuttama voima, eli koneen painosta ja kiihtyvyydestä syntyvät voimat, piirretään painopisteeseen. Painovoimavektorin kärki osoittaa suoraan alas (maan keskipisteeseen). Kiihtyvyysvoimat piirretään kiihtyvyyden suuntaan. Potkurin aiheuttama vetävä voima piirretään potkuriakselin suuntaiseksi kärki osoittamaan vedon suuntaan. Peräsimen aiheuttamasta voimasta huomioidaan yleensä vain peräsimen nostovoima, jonka suunta on yleensä alaspäin. Peräsinvoima piirretään peräsimen nostovoimakeskiöön, eli noin 30% etureunasta taaksepäin, Esimerkki näiden voimien vaikutuksen esittämisestä nähdään seuraavassa kuvassa.

3.2.1 Voimat suorassa lennossa

Suorassa vaakalennossa koneeseen vaikuttavat voimat on esitetty seuraavassa kuvassa. Tasapainotila eli vaakalento vakionopeudella tapahtuu silloin, kun T = D ja L + P = W sekä momentti painopisteen ympäri on nolla. Aikaisemmin on jo kuvattu T:n ja D:n muutoksia eri nopeuksilla, joten tässä yhteydessä voidaan jättää niiden tarkempi analyysi väliin. Nostovoiman saaminen yhtä suureksi painon kanssa säädetään peräsimen avulla siten, että momentti tulee nollaksi eli nokka ei nouse eikä laske.

Aerodynaaminen keskiö on piste, jossa pituusmomentti ei riipu kohtauskulmasta. Symmetrisen siiven aerodynaaminen keskiö on 25 % siiven etureunasta. Epäsymmetrisen siiven hieman siitä sivussa. Aerodynaamiseen keskiöön kohdistetaan nostovoima, vastus ja pituusmomentti. Koneen paino vaikuttaa painopisteeseen, potkurin veto potkurin akselin suuntaan, Aerodynaamiseen keskiöön vaikuttavat nostovoima, vastus ja momentti. Nostovoima on kohtisuorassa lentonopeutta vastaan ja vastus lentonopeuden suuntainen. Momentti on positiivinen, jos se pyrkii nostamaan nokkaa. Peräsinvoima P tasapainottaa momentin. Peräsinvoima suuntautuu alaspäin ja kompensoi ”nokka alas” momentin vaikutuksen. Aerodynaaminen keskiö on lähellä siiven keskijänteen 25% sijaintia.

Kuva: Lentokoneeseen kohdistuvat voimat. Nostovoima ja vastus ja siiven momentti vaikuttavat aerodynaamiseen keskiöön ja koneen paino painopisteeseen. Moottorin vetolinja on potkurin akselin suuntainen. Peräsinvoimat vaikuttavat peräsimen aerodynaamiseen keskiöön.

3.2.2 Voimat syöksystä oikaistaessa

Syöksystä oikaistaessa on koneen lentorata kaareva, mistä johtuen keskipakovoima pyrkii painamaan konetta poispäin kaarevuuskeskipisteestä.  Koneen nokkaa vedetään jatkuvasti, joten koneella on kulmanopeutta, mikä aikaansaadaan korkeusperäsimellä. Tasapainoehdot syöksystä oikaisussa on helpointa esittää radan alimmassa kohdassa, sillä siinä yhtyvät keskipako- ja painovoimat ja saadaan yksinkertaisin voimakuvio, joka vastaa suurinta rasitusta edellyttäen, että kaarevuussäde on vakio.

Kuva: Syöksystä oikaistaessa nostovoima kasvaa keskipakovoiman vaikutuksesta. Tämä kasvattaa sakkausnopeutta ja mitä suurempi kiihtyvyys sitä äkäisempi sakkaus. Tasapainoehdot ovat: pystysuunnassa Nostovoima = koneen paino x kiihtyvyysmonikerta vaakasuunnassa eteenpäin vetävä voima = vastus.

3.2.3 Voimat kaartolennossa

Kaarron aikana koneeseen vaikuttaa keskipakovoima, joka ajaa konetta pois kaarron keskipisteestä. Jotta kaarto tapahtuisi puhtaana ”kuula keskellä”, on konetta kallistettava juuri sen verran, että kallistus kumoaa painovoiman ja keskipakovoiman. Kallistuksen voimakkuus puolestaan määrää vedon voimakkuuden eli kaartosäteen. Kuva 65 kaartolennossa vaikuttavista voimista esittää, miten keskipakovoima ja painovoima yhdessä vaikuttavat samalla tavoin kuin syöksystä oikaistaessa.

Kaartolennon tasapaino saavutetaan silloin, kun kallistus vastaa keskipakovoimaa. Jos tästä poiketaan, kone on sivuluisussa.

Tarvittava tehonlisäys, jotta kaartolennossa säilytettäisiin vakiokorkeus:

Vastuksen yhteydessä todettiin, että kiihtyvyysmonikerran kasvaessa indusoitu vastus kasvoi. Tämä vaikuttaa tietysti koneen kokonaisvastusta kasvattavasti, joten tehontarve kasvaa. Tämä on esitetty seuraavassa kuvassa, jossa on pystyakselilla esitetty vaakalennon (n=1) ja kaartolennon (n=2) vaatiman tehon riippuvuus lentonopeudesta. Moottorin antaman tehon ja vaaditun tehon käyrien leikkauspistettä vastaava nopeus on tasapainonopeus. Havaitaan, että sama tehokäyrä leikkaa eri nopeuksilla vaaditun tehon käyrät, joten kaartolennon ja suoran lennon tasapainonopeudet poikkeavat toisistaan. Mikäli nopeus halutaan säilyttää vakiona eikä lentokorkeus saa muuttua, on tehoa lisättävä käyrien välistä etäisyyttä vastaavasti. Kaartolennon vaatima tehon ja nopeuden lisäystarve riippuu kuormitusmonikerrasta. ΔV on nopeuden muutos ja ΔP tehon muutos. Tämä tarkoittaa sitä, että kaartoa aloitettaessa on lisättävä sekä vetoa että kaasua, jotta korkeus säilyisi vakiona. Siiryttäessä takaisin suoraan lentoon, on vastaavasti vähennettävä sekä vetoa että kaasua.

Kuva: Kaartolennon vaatima tehon lisäys, jotta lentokorkeus säilyisi.

Sakkausnopeus kaartolennossa ja syöksystä oikaistaessa

Aikaisemmin sakkauksen yhteydessä todettiin, että kiihtyvyysmonikerta vaikuttaa sakkausnopeuteen. Tässä yhteydessä tyydymme esittämään taulukon, josta käy ilmi sakkausnopeuden muuttuminen kiihtyvyysmonikerran n muuttuessa. Kaartolennon kiihtyvyys­moni­kerran ja sakkausnopeuden riippuvuus kallistuskulmasta taulukkona sekä kuvana. Muistutettakoon vielä kerran, että g-sakkaus tapahtuu nopeammin kuin vaakalennossa ja saattaa yllättää pilotin, joka ei ole varautunut tähän. Jos sakkaus vaakalennossa tapahtuu esimerkiksi 3 sekunnissa, niin 3 g:n sakkauksessa se kestää vain yhden sekunnin ja 6 g;n sakkauksessa puoli sekunttia.

Kuva: Kaartolennon kiihtyvyysmonikerran riippuvuus kallistuskulmasta. Pidä mielessäsi, että 60º kallistuksella n = 2 ja sakkausnopeus 1,41 x VS0.

3.3 Puuskakuormitukset ja Vn-diagrammi

Puuskaisella säällä koneen lento on heittelehtivää, kone nousee ja laskee satunnaisesti ja ohjaussuunta heiluu puolelta toisella. Seuraavassa tarkastelemme puuskan vaikutusta koneeseen. Koska nostovoiman suuruus määräytyy kohtauskulman suuruudesta, niin pääsemme hyvään alkuun tarkastelemalla puuskan vaikutusta kohtauskulmaan. Voimme nimittäin vetää sen johtopäätöksen, että ensisijaisesti nousevat tai laskevat virtaukset häiritsevät korkeusohjaustamme. Kuvassa näytetään, miten puuskan nopeus muuttaa kohtauskulmaa. Puuskan nopeusvektori lasketaan yhteen ilman nopeus­vektorin kanssa, jolloin saadaan kolmio, jonka terävä kulma ilmaisee kohtauskulman muutoksen.

Kuva. Ylös päin suuntautuvan puuskan w vaikutuksesta kohtauskulma kasvaa. Esimerkiksi, jos lentonopeus on 50 m/s ja tintti 5 m/s, niin kohtauskulman muutos on 5,7 astetta, mikä lisää nostovoimaa melkoisen paljon.

Ainoastaan lentorataa vastaan kohtisuora puuskakomponentti, w vaikuttaa kohtauskulmaan ja muuttaa sitä kautta nostovoimaa, mikä aiheuttaa koneen heittelehtimistä puuskien vaikutuksesta. Kuvassa on pystypuuskan aiheuttama kohtauskulman lisäys. Vaakasuoran puuskan vaikutus jää pieneksi, koska lentonopeus on yleensä monta kertaa suurempi kuin puuska ja vaikutus riippuus siitä, paljonko puuska muuttaa hetkellistä ilmanopeutta. 

3.3.1 Puuskan aiheuttamat kiihtyvyydet

Kuva: Nostavan ja laskevan puuskan aiheuttaman kiihtyvyyden riippuvuus lentonopeudesta. Vaakalennossa kiihtyvyys = 1 eli maan vetovoiman kiihtyvyys.

Kohtauskulman kasvu saa aikaan kiihtyvyyden kasvun, joka on sitä suurempi, mitä nopeammin lennetään. Kuvassa 70 on esitetty erilaisten puuskien aiheuttamat kiihtyvyydet. Puuskat ylöspäin aiheuttavat positiivista kiihtyvyyttä ja alaspäin olevat negatiivista. Koska lentonopeuden kasvaessa puuskan aiheuttama kiihtyvyys­monikerta kasvaa, on katsottu aiheelliseksi rajoittaa koneen lentonopeutta puuskaisella säällä. Erittäin nopeiden koneiden ohjaajien yleiset selkäviat (välilevyn pullistumat) johtuvat puuskan aiheuttamista iskuista, jotka ovat niin voimakkaita, etteivät selän välilevyt kestä niitä. 

3.3.2 Vn-diagrammi

Lentokoneen suunnitteluvaiheessa määritellään koneen toimintarajat ns. V-n piirroksessa, jollainen on esitetty seuraavassa kuvassa. V-n piirrokseen on kerätty kaikki lennon kuormituskertoimiin liittyvät rajoitukset:

Lentokoneen lujuus on suunniteltu näiden rajoitusten mukaiseksi ja niiden ylittäminen saattaa johtaa koneen tuhoon. 

• Positiivinen ja negatiivinen sakkausnopeus +Vs ja -Vs. Kone sakkaa näillä rajoilla eikä siksi voi kuormittua enempää.
• Positiivinen ja negatiivinen 15 m/s puuskaraja. Koneen nopeutta on rajoitettava, jos pystysuorat puuskat ovat 15 m/s tai enemmän.
• Maksimi sallittu taitolennon kuormituskerroin 4g, mikä koskee utility-luokan konetta. Taitolentokoneella arvo on suurempi.
• Maksimi sallittu taitolentonopeus VM. Tätä nopeutta ei saa ylittää taitolennossa, koska muuten maksimi kuormituskerroin saattaisi ylittyä.
• Sakkausnopeus vaakalennossa Vso.
• Maksimi matkalentonopeus Vc. 
• Suurin sallittu syöksynopeus VD, jolloin puuskanopeus sekä kiihtyvyysmonikerta on pidettävä sallitulla alueella.

Tässä erään utility-luokan koneen V-n piirros. Nämä rajoitukset ovat voimassa, jottei kone rasittuisi lennon aikana enempää kuin mihin se on suunniteltu.  Vso = sakkausnopeus vaakalennossa VM = manööverinopeus eli suurin taitolennossa sallittu nopeus. Tämän nopeuden alapuolella ei voi ylittää 4g kiihtyvyyttä, koska kone sakkaa. Taitolento yli 15 m/s puuskalla voi aiheuttaa ylikuormitusta. VC = suurin matkanopeus 15 m/s puuskaisella kelillä (cruising speed) VD = suurin sallittu syöksynopeus (diving speed). Sallittu vain tasaisella kelillä. Vn tai V-g diagrammi on koneen manuaalissa.