Hallen Hävittäjäsivu


Yksinkertaista Aerodynamiikkaa

Johdanto

Yritän tällä sivulla käsitellä lentokoneen suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä mahdollisimman kansantajuisesti. Aihe on erittäin monimutkainen ja jotta se pysyisi hallinnassa (enkä puhuisi vahingossa läpiä päähäni) olen pitäytynyt vain perusasioissa. Koska tiedot ovat valtaosin peräisin englanninkielisistä lähteistä, enkä omaa minkäänlaista ilmailualan koulutusta, voi olla että jotkin käyttämäni termit eivät vastaa vakiintuneita suomenkielisiä vastineita. Korjausehdotuksia ja parempia käännöksiä saa vapaasti ehdottaa. 

Nostovoima

Nostovoimasta käytetään varsin yleisesti väärää termiä noste (syyllistyn tähän usein itsekin), mikä ei ole sama asia. Noste on Arkhimedeen lain mukainen ilmiö, missä esine "kevenee" syrjäyttämänsä aineen massan verran. Esimerkiksi ilmalaiva syrjäyttää suunnilleen oman massansa verran ilmaa, jolloin siitä tulee painoton. Lentokonetta pitää kuitenkin ilmassa nostovoima, joka syntyy eri tavalla. Jos siis törmäät sivuilla sanaan "noste", sillä itse asiassa tarkoitetaan nostovoimaa.

Nostovoima, eli lentokonetta ilmassa pitävä voima kehittyy ilman virratessa koneen siiven ympärillä. Lentokoneen siipi tai muu nostovoimaa tuottava osa (esim runko) suuntaa jättöreunalta lähtevän ilmavirtauksen hieman alaspäin, mikä puolestaan tuottaa vastavoimana siipeä ylöspäin "työntävää" nostovoimaa. Siiven yläpinnalle muodostuu alipaine ja alapinnalle ylipaine suhteessa 2/3 ja 1/3. Tuotetun nostovoiman määrään vaikuttaa siiven muotoilu, lentokoneen nopeus, lentokorkeus ja siiven kohtauskulma. Usemmiten siipiprofiili (siiven poikkileikkaus) on etureunaltaan pyöreähkö ja takareunaltaan eli jättöreunaltaan terävä, siiven yläpuolen ollessa hieman "pulleampi" kuin alapinnan. Tämä ei kuitenkaan ole välttämätöntä, vaan siipi voisi yhtä hyvin olla aivan suora levy. Siiven yläpinnan kannattaa kuitenkin etenkin aliäänikoneissa olla kaareva, koska tällöin sen yli virtaava ilma taittuu alaspäin coanda-ilmiön vaikutuksesta. Coanda-ilmiön näet esimerkiksi työntämällä sormen sivustapäin hanasta valuvan ohuen vesinoron viereen. Vesinoro seuraa sormen pintaa eikä kimpoakaan sormesta poispäin niinkuin voisi olettaa.

Erilaiset siipiprofiilit sopivat erilaisiin tarkoituksiin ja lentotiloihin kuten eri nopeuksiin, kohtauskulmiin jne. Jos muut tekijät eivät muutu, nostovoima kasvaa lentokoneen nopeuden neliönä. Kun lentokorkeus lisääntyy, ilman tiheys pienenee ja nostovoima vastaavasti pienenee. Siiven kohtauskulma on kulma, josta ilmavirta osuu siipeen. Tämä käy parhaiten ilmi allaolevasta kuvasta.

Nostovoima ja kohtauskulma

Nostovoimaa tuottavat tekijät alkavat muuttua radikaalisti kun lentokone alkaa lähestyä äänen nopeutta ja koneen ympärille alkaa muodostua tiivistysaaltoja (eng. shockwave). Tästä aiheesta lisää kohdassa ilmanvastus

Nopeus ja työntövoima

Lentokoneen nopeutta voidaan kuvata useammalla eri tavalla. Lentokoneen mittarinopeus (KIAS, knots indicated airspeed) mitataan yleensä ns Pitot-putkella jossa nopeus päätellään putkessa virtaavan ilman painevaihtelusta. Tämä arvo ei kuitenkaan ole sama kuin todellinen ilmanopeus, koska ilmanpaine ja näin ollen myös lentokorkeus vaikuttavat siihen. Lentokorkeuden aiheuttamaa virhettä voidaan kompensoida vertaamalla saatua tulosta lentokorkeuteen. 

Lentokoneen nopeuteen vaikuttavat moottorin työntövoima, koneen paino, ilmanvastus ja rakenteelliset ominaisuudet. Suihkumoottorin työntövoima pienenee lentokorkeuden kasvaessa hieman hitaammin kuin ilman tiheys pienenee. Työntövoiman määrä on noin 7500 metrin korkeudessa normaalisti enää puolet merenpinnan tason vastaavasta. Suihkumoottori kuitenkin hyötyy alhaisista ilman lämpötiloista ja ilman lämpötila laskee korkeuden noustessa noin 11000 metrin korkeuteen asti (tropopaussi), jonka jälkeen lämpötilan lasku loppuu. Tämän korkeuden yläpuolella suihkumoottorista saatava työntövoima alkaa laskea nopeammin. 

Myös lentokoneen nopeus vaikuttaa suihkumoottorista saatavaan työntövoimaan. Kun nopeus alkaa kasvaa, työntövoima pienenee ensin hieman, mutta kun nopeutta on tarpeeksi, se alkaa kasvaa. Tämä johtuu siitä, että ilma alkaa puristua kokoon moottorin ilmanotossa pelkän nopeuden vaikutuksesta. Kun nopeus alkaa lähestyä moottorin rakenteellisia rajoituksia, laskee työntövoima nopeasti. Suihkumoottorin taipumus lisätä työntövoimaansa lentonopeuden kasvaessa on juuri se ominaisuus, joka tekee siitä nopeassa lennossa ylivoimaisen potkuriin verrattuna. Potkurin työntövoima näet vähenee nopeasti lentonopeuden kasvaessa.

Suihkumoottorin työntövoima nopeuden funktiona

Kääntymiskyky

Yksi hyvän hävittäjän tärkeimpiä ominaisuuksia on sen kyky muuttaa lentosuuntaansa nopeasti. Kääntymiskyky voidaan jakaa kahteen eri luokkaan. Hetkelliseen kääntymiskykyyn (instantaneous) ja säilytettävissä olevaan (sustained) kääntymiskykyyn. Hetkellisellä kääntymiskyvyllä tarkoitetaan koneen parasta mahdollista kääntymiskykyä tietyllä hetkellä, kun tietyt olosuhteet vallitsevat. Nämä olosuhteet kuitenkin muuttuvat heti kun käännös tehdään. Koneen nopeus muuttuu, lentokorkeus muuttuu, jne. Tärkein tekijä hyvän hetkellisen kääntymiskyvyn saavuttamiseksi on nostovoiman suuruus. Säilytettävissä oleva kääntymiskyky on kaarto, jossa kone voidaan pitää pitkän aikaa, kunhan olosuhteet eivät ratkaisevasti muutu. 

Käännöstä voidaan kuvata kolmella eri mitattavalla tekijällä. Yleisimmin käytetty mittari on G-luku, joka on koneen käännöksen 'keskipakoisvoiman' aiheuttama kiihtyvyys maan vetovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden monikertoina. 1 G on noin 9,82 m/s2. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kahden G:n kaartoa tekevä lentäjä tuntee painavansa kaksi kertaa niin paljon kuin normaalisti, koska kiihtyvyys puristaa häntä istuinta vasten. 

Toinen tärkeä käännöstä kuvaava tekijä on kääntymisnopeus (turn rate), joka on koneen nopeusvektorin suunnan muutos aikayksikössä. Yleensä kääntymisnopeus ilmaistaan asteina sekunnissa. Jos koneen säilytettävissä oleva kääntymisnopeus olisi 18º/s, se voisi lentää täydellisen ympyrän, eli kääntyä 360º kahdessakymmenessä sekunnissa. Kolmas kaarroksen mittari on kääntösäde, eli lennetyn ympyrän säteen pituus.

Hetkellistä kääntymiskykyä jollakin tietyillä tehoasetuksilla, lentokorkeudella, jne. voidaan kuvata ns. V-käyrällä. Tässä käyrässä vaaka-akselilla on lentokoneen mittarinopeus ja pystyakselilla G-luku. Käyrän yläosa kuvaa positiivista G:tä jossa lentäjä tuntee painuivansa istuinta vasten ja käyrän alaosa negatiivista G:tä jossa lentäjä nousisi istuimeltaan mikäli vyöt eivät pitäisi häntä kiinni. Jotta lentokone voisi pysyä ilmassa sen täytyy ylittää ns. sakkausnopeus, jolla kone kykenee yhden G:n lentoon, eli tasaiseen vaakalentoon. Koska tarjolla oleva nostovoima on riippuvainen koneen nopeudesta, hitaalla nopeudella kone ei pysty monen G:n kaartoihin. Nopeuden noustessa nostovoima lisääntyy nopeasti ja G-raja nousee kunnes tullaan koneen valmistajan asettamiin maksimirajoihin. Nopeutta jolla koneen rakenteellinen maksimi G saavutetaan kutsutaan kulmanopeudeksi. Tämä hävittäjän suorituskyvyn kannalta tärkeä piste, jossa kone saavuttaa parhaan mahdollisen hetkellisen kääntymiskyvyn. 

V-käyrä

Käyrän oikeassa laidassa on lentokoneen maksiminopeusraja, joka on myös valmistajan laskema nopeus jota kone ei saa ylittää. Rajoituksen syynä voi olla ohjattavuus, moottorin toiminta tai jokin muu syy. Kone ei välttämättä pysty saavuttamaan tätä nopeutta vaakalennossa tai edes syöksyssä. Rakenteelliset G-rajat eivät myöskään tarkoita sitä, että mikäli ne ylitetään kone hajoaa ilmassa, vaan niiden ylittäminen saattaa aiheuttaa esimerkiksi siiven rakenteen heikentymistä sille lasketun käyttöiän aikana. Yleensä laskennallisissa arvoissa on noin 50% turvamarginaali, koska rajat voidaan esim. taistelutilanteessa ylittää vahingossa. Uusissa hävittäjissä tietokoneavusteinen ohjaus (FBW, fly by wire) voidaan tehdä siten, että raja-arvojen ylittäminen on mahdotonta. 

Lentokoneen käntösäde ja kääntymisnopeus ovat parhaimmillaan jos se kykenee usean G:n kaartoon hyvin hitaassa nopeudessa, mutta V-käyrää katsomalla huomataan, että normaali lentokone ei yleensä kykene tähän. Hävittäjän kääntymisnopeus nousee siihen asti kunnes rakenteellinen maksimi G alkaa rajoittaa sitä. Näin ollen kääntymisnopeus on parhaimmillaan juuri kulmanopeudessa. Sen sijaan pienin kääntösäde saavutetaan yleensä jo huomattavasti kulmanopeutta pienemmällä lentonopeudella. Kääntösäde ei kuitenkaan merkittävästi kasva ennen kuin jonkin verran kulmanopeuden yläpuolella. Hyvin hitaissa nopeuksissa kääntösäde sensijaan kasvaaa dramaattisesti, koska kaikki nostovoima joudutaan käyttämään lentokoneen ilmassa pitämiseen, eikä suunnan muuttamiseen jää reserviä. 

Kääntymisnopeus lentonopeuden funktiona

Kääntösäde nopeuden funktiona

Lentokorkeudella on merkittävä vaikutus lentokoneen kääntymiskykyyn. Kun lentokorkeus kasvaa, ilman tiheys pienenee ja tarjolla oleva nostovoima sen myötä. Näin ollen kääntösäde kasvaa ja kääntymisnopeus pienenee. Varsinainen kulmanopeus on kuitenkin lentokorkeudesta riippumatta lähes vakio, mikäli nopeus ilmoitetaan mittarinopeutena eikä todellisena ilmanopeutena. 

Energia

Lentokoneen mekaanisen energian hallinta on ilmataistelussa varsin tärkeää. Lentokoneen mekaaninen energia on joko kineettistä, eli liike-energiaa tai potentiaalienergiaa. Potentiaalienergiana voidaan käsittää lentokorkeus, koska se on jollakin hyötysuhteella muunnettavissa nopeudeksi syöksymällä alaspäin ja päinvastoin nopeus on muutettavissa lentokorkeudeksi. Lentokoneen kokonaisenergia on siis sen lentonopeuden ja lentokorkeuden summa. 

Lentokoneen kokonaisenergiaa voidaan säädellä työntövoimaa muuttamalla. Mikäli lentokoneen energiatila halutaan säilyttää ennallaan, eli kone halutaan pitää tasaisessa nopeudessa ja vaakalennossa, pitää työntövoimaa olla juuri riittävästi ilmanvastuksen kumoamiseen. Ilmanvastusta suurempi työntövoima lisää koneen energiaa ja pienempi vastaavasti pienentää sitä. 

Ilmanvastus

Lentokoneen ilmanvastusta tuottavat tekijät ovat hyvin monimutkaisia ja selityksen pituudesta huolimatta aihe on tässä käsitelty vain pintapuolisesti. Lentokoneen ilmanvastus voidaan jakaa kolmeen tärkeimpään luokkaan. Nämä ovat: Loisvastus, nostovoimavastus ja aaltovastus. 

Loisvastus (parasite drag) saa alkunsa useasta eri lähteestä, joista tärkeimmät ovat kitka (skin friction) ja painehäviö (pressure drag). Kitka on käytännössä ilmamolekyylien ja lentokoneen pintojen välinen kitka, joka johtuu molekyylien taipumuksesta "tarttua" hetkellisesti lentokoneeseen. Lentokone siis kuljettaa ilmaa mukanaan, mikä aiheuttaa vastusta. Kitkaa pyritään välttämään mm. pitämällä lentokoneen pinta-ala mahdollisimman pienenä ja pinnat sileinä. 

Painehäviö johtuu siitä, että lentokoneen puskiessa ilman läpi, paine kasvaa sen osien - kuten siipien - etureunoilla (leading edge), kun taas jättöreunoille (trailing edge) muodostuu alipaine. Tämä "imee" konetta taaksepäin. Painehäviötä pyritään ehkäisemään muotoilemalla lentokone otsapinnaltaan mahdollisimman pieneksi ja mahdollisimman virtaviivaiseksi. Virtaviivainen muoto vähentää ilman pyörteilyä ja pienentää alipainetta lentokoneen takana. 

Nostovoimavastus, eli indusoitu ilmanvastus (induced drag) johtuu siitä, että siiven tuottaessa nostovoimaa, syntyvä voimavektori ei ole kohtisuorassa ilmavirtaan nähden, vaan osoittaa hieman takaviistoon. Tämä vektori voidaan sitten jakaa kahteen eri vektoriin, joista toinen on nostovoima (kohtisuorassa ilmavirtaa vasten) ja toinen sen aiheuttama ilmanvastus (ilmavirran suuntainen). Siis mitä suurempi on siiven tuottama nostovoima, sitä suurempi on sen ilmanvastus. Tästä syystä lentokoneen paino on tärkeä tekijä nostovoiman tuottaman häviön kannalta. Mitä painavampi lentokone, sitä enemmän nostovoimaa tarvitaan sen ilmassa pitämiseen. Hävittäjässä tarvitaan tiukkojen kaartojen aikaansaamiseksi paljon nostovoimaa. Nykyhävittäjissä suositaan pienen ilmanvastuksen aikaansaamiseksi  mahdollisimman ohuita siipiä, joilla on suuri pinta-ala. Koska rakenteellisesti vahvasta siivestä ei voi tehdä kovin ohutta, siivet voidaan kääntää takaviistoon. Tällöin siiven leveys ilmavirran suuntaisesti näennäisesti kasvaa ja siipi vaikuttaa suhteellisesti ohuemmalta. 

Toinen nostovoiman välillisesti aiheuttama ilmanvastuksen muoto on trimmausvastus (trim drag), joka johtuu siitä, että mikäli siipien nostovoimakeskipiste ei ole sama kuin lentokoneen painopiste, koneen nokka pyrkii joko nousemaan tai laskemaan. Tätä taipumusta joudutaan kompensoimaan pyrstön korkeusvakaajilla tai joissakin lentokoneissa varsinaisten siipien etupuolella olevilla ohjainsiivekkeillä, Canardeilla. 

Painopiste ja trimmausvastus

Jos painopiste on aerodynaamisen keskipisteen (eli nostovoimakeskipisteen), etupuolella, korkeusvakaajilla pitää "painaa koneen pyrstöä alaspäin", jotta koneen nokka ei painuisi alaspäin. Näin korkeusvakaajilla tuotetaan toinen, negatiivinen nostovoima, joka aiheuttaa vastusta ja lisää tavallaan koneen painoa, eli siiviltä tarvittavaa nostovoimaa lentokorkeuden säilyttämiseksi. 

Mitä lähemmäksi lentokoneen painopiste saadaan aerodynaamista keskipistettä, sitä pienemmäksi jää trimmausvastus. Itse asiassa painopisteen siirtäminen aerodynaamisen keskipisteen taakse pienentää ilmanvastusta edelleen, koska tällöin korkeusvakaajilta vaadittava noste on positiivinen ja, mikä tavallaan lisää koneen siipipinta-alaa. Tämä kuitenkin aiheuttaa ongelmia koneen ohjattavuuden kanssa. Canardeilla varustetussa koneessa painopisteen kannattaisi olla vastaavasti mahdollisimman edessä. Painopisteen paikkaan voidaan vaikuttaa aseiden ripustuspisteiden sijoituksella ja esimerkiksi pumppaamalla polttoainetta tankista toiseen. Uudet hävittäjät kuten Hornet siirtävät polttoainetta tarpeen mukaan automaattisesti tankista toiseen. 

Kun lentokone alkaa lähestyä äänen nopeutta, tärkeimmäksi ilmanvastuksen muodoksi muodostuu aaltovastus (Mach drag, wave drag). Kun lentokone halkoo ilmaa suurella aliääninopeudella, siitä leviää äänen nopeudella kulkevia paineaaltoja (äänikin on paineaaltoja), jotka tavallaan ilmoittavat edessä oleville ilmamolekyyleille koneen tulosta. Tällöin ilma alkaa väistyä koneen tieltä jo etukäteen. Kun äänen nopeus saavutetaan, lentokone saavuttaa myös eteenpäin lähettämänsä paineaallot ja törmää ilmamolekyyleihin suoraan ilman varoitusta. Lentokoneen edellä kulkevat paineaallot kasautuvat yhdeksi suureksi painehäiriöksi, jota kutsutaan tiivistysaalloksi. Tiivistysaallot ovat ilman virtaustapana huomattavasti tavallista virtausta 'raskaampia', mikä lisää ilmanvastusta voimakkaasti. 

Itse asiassa tiivistysaallot muosostuvat jo hieman ennen kuin lentokone saavuttaa äänen nopeuden. Tämä johtuu siitä, että lentokoneen rakenteita kiertäessään ilman virtausnopeus on suurempi kuin varsinainen lentonopeus. Nopeutta, jossa tiivistysaallot muodostuvat kutsutaan lentokoneen kriittiseksi Mach-luvuksi (nykyhävittäjillä yleensä noin 80 - 90% äänen nopeudesta). Nopeusaluetta jolla osa koneen ympärillä kulkevista virtauksista kulkee yliääninopeudella ja osa aliääninopeudella kutsutaan transsooniseksi alueeksi. Tiivistysaalloilla on taipumus irroittaa ilmavirtaus takanaan olevilta pinnoilta ja muuttaa se pyörteiseksi. Tästä syystä lentokoneen ilmanvastus kasvaa edelleen. Tiivistysaaltojen syntymistä  ei voida välttää, mutta niiden voimaa voidaan vähentää oikealla suunnittelulla. Nykyiset suihkumoottoreilla varustetut liikennelentokoneet lentävät transsoonisella alueella ja väitetään, että valon osuessa siipeen sopivassa kulmassa, tiivistysaallon voi nähdä.

Transsooninen virtaus

Mikäli virtauksen irtoamiseen tiivistysaallon takana ei ole lentokoneen suunnittelussa riittävästi varauduttu, tämä voi aiheuttaa myös nopeaa nostovoiman ja ohjattavuuden katoamista. Kun hävittäjät joutuivat ensimmäistä kertaa transsooniselle alueelle, ne alkoivat täristä, menettivät usein ohjattavuutensa ja putosivat. Näin syntyi mielikuva 'äänivallista', jota ei voinut läpäistä. 

Kun lentokone on kiihdyttänyt ohi transsoonisen alueen, tapa jolla virtaukset siipien ympärillä tuottavat nostovoimaa on muuttunut merkittävästi. Yliääninopeuksilla Tiivistysaallot muodostuvat lentokoneen rakenteiden etureunoille, kuten nokkaan ja siiven johto- eli etureunaan. Lisäksi rakenteiden takareunoille muodostuu toiset aallot, joita nimitetään harvennusaalloiksi. Kun siiven kohtauskulmaa kasvatetaan, siiven alapuolen tiivistysaallot muodostuvat yläpuolen aaltoja voimakkaammiksi. Näin syntyvä paine-ero luo nostovoimaa. 

Siiven tiivistysaallot yliääninopeuksissa

Lentokoneen ilmanvastus muodostuu siis monesta tekijästä ja sen suuruus tietyssä tilanteessa riippuu sekä koneen rakenteesta, kuormasta, että sen lentotilasta ja ulkoisista olosuhteista kuten lämpötilasta. Yleensä nykyhävittäjän ilmanvastus kuitenkin laskee nostovoimavastuksen pienentyessä lentonopeuden noustessa, kunnes suurissa aliääninopeuksissa loisvastus alkaa olla niin suuri, että kokonaisvastus alkaa taas kasvaa. Koneen ylittäessä kriittisen Mach-luvun ja siirtyessä transsooniselle alueelle uutena tekijänä peliin astuva aaltovastus saa kokonaisilmanvastuksen nousemaan jyrkästi. Transsoonisen alueen yläpuolella aaltovastuksen ja sen myötä kokonaisvastuksen kasvu hidastuu.

Tyypillinen hävittäjän ilmanvastus nopeuden funktiona

Hävittäjän ominaisuuksien merkitys ilmataistelussa

Jonkin tietyn konetyypin ominaisuudet tutkitaan laskennallisten arvojen lisäksi koelennoilla. Lentäjän on tunnettava oman koneensa ja mielellään myös vastustajan koneen ominaisuudet ja osattava hyödyntää omia vahvuuksiaan ja vastustajan heikkouksia. Hänen on tiedettävä miten koneesta saa parhaan mahdollisen suorituskyvyn irti. Mikä on optimaalinen nousukulma korkeuden lisäämiseksi mahdollisimman nopeasti? Missä nopeudessa kone kääntyy parhaiten (kulmanopeus) missäkin lastissa jne.

Erilaisten konetyyppien vertailuun sopii hyvin ns. "energy maneuverability chart", eli diagrammi jonka pystyakselilla on lentokorkeus ja vaaka-akselilla lentonopeus. Diagrammiin piirretään alue jolla tietty konetyyppi voi lentää. Samaan kuvaan voidaan myös piirtää esimerkiksi alue, jolla kone kykenee suorittamaan 5 G:n kaarron. Kun verrataan kahden eri koneen käyriä, toisella koneella saattaa olla selvästi laajempi käyrä jollakin tietyllä lentokorkeudella ja nopeudella. Tällä alueella tuolla konetyypillä on etulyöntiasema, jota lentäjän kannattaa pyrkiä hyödyntämään. Alla olevaan kuvaan on piirretty tyypillinen suihkuhävittäjän energy maneuverability chartin muoto.

Kun lentäjää koulutetaan lentämään jotakin konetyyppiä, nämä tiedot opetellaan ensin teoriassa tunneilla, ja sen jälkeen käytännössä lentämällä. Tuntuman säilyttämiseksi on harjoiteltava jatkuvasti. Erään sanonnan mukaan: "Jos et lennä päivään, huomaat sen itse. Jos taukoa on kaksi päivää, vastustajasi huomaa sen. Jos taukoa on enemmän, asiasta tietää koko maailma, sillä jutun kuolemastasi ilmataistelussa voi lukea seuraavan aamun lehdestä." 

Linkit


[Takaisin ilmailun yleistietoon] [Takaisin pääsivulle]