Hallen Hävittäjäsivu

Yleisiä ilmailutermejä

Area Rule
G-loc
GPS
Inertial coupling
Inertiasuunnistus
Mach
Sakkaus
Spanwise Flow
Superkriittinen siipi
Äänivalli

Area Rule

Area rule, eli ns. kokispullosääntö tarkoittaa NACA:n tutkijan Richard T. Whitcombin 50-luvun alussa keksimää lentokoneensuunnittelun sääntöä. Tutkimuksen edettyä sääntö on kehittynyt ja kasvanut varsin monimutkaiseksi. Lähteitä aiheeseen löytyy vaikkapa täältä. Vahvasti yksinkertaistettuna tämän säännön mukaan muotoilemalla lentokoneen runkoa oikein, voidaan pienentää koneen aaltovastusta. Vastuksen määrä riippuu voimakkaasti lentokoneen poikkileikkauksen pinta-alasta ja tästä syystä runko kannattaa muotoilla siten, että se on siipien kohdalla ohuempi kuin kohdassa, jossa siivet eivät kasvata poikkileikkauksen pinta-alaa. Ensimmäinen tuotantolentokone, jossa sääntöä hyödynnettiin oli Convair F-102 Delta Dagger.

G-loc

G-loc tarkoittaa suurten G-voimien aiheuttamaa tajunnan menetystä. Kun lentäjä tekee tiukan kaarron, veri pakenee 'keskipakoisvoiman' ansiosta kaarron suunnasta ulospäin. Positiivisessa G:ssä veri pakenee päästä kohti jalkoja, negatiivisessa G:ssä päähän. Kun ihminen lähenee sietokykynsä rajoja, alkaa positiivisen G:n tapauksessa ensin näkökenttä kaventua. Jos kaarto jatkuu, seuraavaksi häviää värinäkö, sitten näkö kokonaan ja lopulta lentäjä menettää tajuntansa. Yleensä G-voimien aiheuttama tajuttomuus kestää noin 20 sekuntia. Negatiivisen G:n tapauksessa tapahtuu ensin ns. red-out, eli näkökenttä menee punaiseksi. Raju negatiivinen G voi rikkoa silmistä hiusverisuonia. 

Normaalisti ihminen kestää noin 4,5 G:n rasituksen, mutta sietokykyä voidaan parantaa muutamilla tavoilla. Lentäjä voi taistella G-voimia vastaan jännittämällä alaruumiin lihakset ja koittamalla 'puristaa' verta päähän. Suomalaislentäjät kutsuvat tätä tekniikkaa nimellä "ähistäminen". Veren puristamisessa päähän auttaa myös ns. G-puku, jossa on ilmalla täyttyvät tyynyt puristamassa alaruumista. Tyynyt täyttyvät automaattisesti kun G-luku kasvaa. Myös lentäjän asento vaikuttaa sietokykyyn. Jos lentäjä sijoitetaan lähes selälleen tai vatsalleen, sydämen ja pään välinen etäisyys G-voimien suunnassa pienenee ja sydän jaksaa paremmin pumpata verta aivoihin. Esimerkiksi F-16 -hävittäjässä lentäjän istuin on tästä syystä 30° kulmassa taaksepäin.

GPS

GPS eli Global Positioning System on Yhdysvaltain puolustusvoimien omistama satelliittinavigointijärjestelmä, entiseltä nimeltään NAVSTAR. Maata kiertää yli 20 satelliittia jotka lähettävät tietynlaista mikroaaltosignaalia, josta GPS-vastaanotin voi laskea oman sijaintinsa. Kolmiulotteiseen paikannukseen tarvitaan 3 satelliittia, mutta mitä useampia satelliitteja on "näkyvissä" eli taivaanrannan yläpuolella, sitä tarkemmin asema voidaan laskea. 

GPS satelliitit lähettävät kahta eri signaalia, joista siviilisovellukset käyttävät huonompaan paikannukseen kelpaavaa signaalia. Yhdysvaltain sotavoimat voivat käyttää tarkempaan paikannukseen pystyvää signaalia. Paikannuksen tarkkuus siviiliversioissa on muutaman kymmenen metrin luokkaa, mutta differentiaali-GPS eli DGPS-järjestelmä antaa paremman tarkkuuden. DGPS:ssä tarkasti oman sijaintinsa tuntevat maa-asemat vertaavat GPS-paikantimen antamaa sijaintitietoa omaan paikkaansa ja lähettävät lähistöllä oleville DGPS-navigaattoreille korjaussignaalin. Tällä menetelmällä päästään muutaman metrin tarkkuuteen. 

Inertial Coupling

Kun koekoneet olivat saavuttaneet äänen nopeuden, joistakin aiemmin huomatuista ongelmista huolimatta parhaaksi siipirakenteeksi yliäänikoneeseen oli havaittu taaksepäin viistot siivet. Ensimmäinen amerikkalainen tuotantoon mennyt yliäänikone F-100A ja koekone Douglas X-3 törmäsivät uuteen ongelmaan, jota kutsuttiin nimellä 'inertial coupling' tai 'roll divergence'. Tämä tarkoitti sitä, että käännettäessä konetta pituusakselinsa ympäri (roll) se saattoi yllättäen ja menettää ohjattavuutensa. 

Käytännössä yhtenä tärkeänä ongelmana on painojakauma koneissa, joissa on pieni pyrstö ja lyhyet siivet yhdistettynä pitkään ja suhteellisesti painavaan runkoon. Tällainen rakenne on ilmanvastuksen kannalta hyvä nopeaan lentoon, mutta sillä on suuntavakavuuden kannalta epätoivottavia vaikutuksia. Koska massa on keskittynyt runkoon, kone tarvitsee pienen momentin pyörähtääkseen nopeasti pituusakselinsa ympäri (roll), mutta nokan nostaminen ja laskeminen tai sivusuunnassa siirtäminen vaativat huomattavasti enemmän ohjausvoimaa. Jos vielä sivuvakaaja on rungon sivupintaan nähden pieni, on koneen suuntavakavuus heikko. Jos pyrstön vaakasuora osa on selvästi koneen aerodynaamisen keskipisteen yläpuolella, koneella on taipumus pituusakselin ympäri pyörähtäessään heilauttaa nokkaa sivusuunnassa (yaw). Jos pyörähdyksen aiheuttama heilahdus osuu koneen pitch- tai  yaw-akselin ominaistaajuudelle, tuloksena voi olla resonoiva, itseään voimistava heilahtelu. 

Tällaisia 'coupling' -ilmiöitä eli vapaasti käännettynä kytkentäilmiöitä on itse asiassa useaa eri tyyppiä ja ne usein johtavat yhdestä tyypistä toiseen ja edelleen kolmanteen. Control coupling tarkoittaa suuressa nopeudessa esiintyvää tilannetta, jossa yritys kallistaa konetta ei tehoa, tai aiheuttaa jopa kallistuksen päinvastaiseen suuntaan. Tämä johtuu siitä, että roll ja yaw -akselit kytkeytyvät yhteen. Yritys kallistaa konetta aiheuttaa vaakasuoran heilahduksen ja tämä sivuluisu saa sivuvakaajan neutraloimaan ohjauspinnan vaikutuksen. 

Kun viistoin siivin varustettu kone joutuu sivuluisuun, luisun ulkoreunalla oleva siipi kohtaa ilmavirran suoremmassa kulmassa kuin toinen, vieläpä osittain rungon taakse virtaukselta piiloon jäävä siipi. Tällöin toisen siiven tuottama nostovoima kasvaa huomattavasti toista suuremmaksi ja kone pyörähtää nopeasti. Tätä ilmiötä kutsutaan joko nimellä roll coupling tai dutch roll

Suurissa nopeuksissa kytkentöjen aiheuttamat resonoivat heilahtelut voivat kasvaa, kunnes lentokoneen rakenteelliset rajat saavutetaan ja tuloksena on koneen hajoaminen ilmassa. 

F-100A Super Sabressa ongelma korjattiin asentamalla siihen suurempi pyrstö ja myöhemmin myös pidemmät siivet. F-100C -version pyrstöön lisättiin myös automaattisesti toimiva vaimennin, joka ehkäisee heilahtelujen syntymistä. Tämä vähensi koneen alttiutta ilmiölle entisestään ja sittemmin tällainen vaimenninjärjestelmä on jossakin muodossa ollut käytännössä kaikissa uudemmissa hävittäjissä. Useimmissa uusissa hävittäjissä käytetään myös ns. 'all flying tail' -rakennetta, mikä tarkoittaa sitä, että pyrstön korkeusvakaajissa ei käytetä erillisiä ohjainpintoja, vaan koko pyrstön vaakasuora osa toimii ohjainpintana.

Inertiasuunnistus

Inertiasuunnistus perustuu kiihtyvyyksien mittaukseen. Lähtiessään lentokone tietää oman paikkansa ja kun sen kiihtyvyys kolmiulotteisesti tiedetään, voidaan laskea sen nopeus ja sen kulkema matka myös kolmiulotteisesti. Näin saadaan selville lentokoneen paikka lähtöpisteen suhteen. Inertiasuunnistuksen tarkkuus heikkenee lennon kestäessä pitkään, mutta se on kuitenkin sadan metrin luokkaa, mikä on nopeasti lentävälle sotilaskoneelle yleensä riittävä tarkkuus. 

Ennen kiihtyvyysanturit pidettiin tarkasti kolmen koordinaattiakselin suuntaisena nopeasti pyörivien hyrrien eli gyroskooppien avulla, mutta nykyisin käytetään yleensä lasergyroskooppeja. Lasergyroskoopissa ei varsinaisesti ole liikkuvia osia, vaan mittaukset tehdään  tutkimalla valon aallonpituuksien muutoksia lentokoneen liikkuessa. 

Mach

Mach on yleisesti käytetty lentokoneen nopeutta kuvaava yksikkö. Se on lentokoneen nopeus jaettuna äänen nopeudella. Nimensä se on saanut itävaltalaisen fyysikon Ernst Machin (1838 - 1916) mukaan. Koska äänen nopeus muuttuu ilman lämpötilan mukaan, myös 1 Mach kilometreinä tunnissa on eri suuruinen eri korkeuksissa. Merenpinnan tasolla 1 M on noin 1225 km/h, viiden kilometrin korkeudessa 1155 km/h ja kymmenessä kilometrissä 1080 km/h. 

Lentokoneen nopeuksia 0 - 0,8 M kutsutaan alisoonisiksi, 0,8 -1,4 M transsoonisisksi ja 1,4 - 5 M supersoonisiksi. Tätä suuremmat nopeudet ovat hypersoonisia. Enemmän tästä aiheesta voi lukea kohdasta aerodynamiikka. 

Sakkaus

Sakkauksella (englanniksi stall) tarkoitetaan äkillistä nostovoiman menetystä ilmavirtauksen irrotessa siiven pinnalta. Yleisimmin tunnettu esimerkki lienee tilanne, jossa lentokoneen nopeuden hidastuessa siiven kohtauskulmaa kasvatetaan ja kasvatetaan nostovoiman säilyttämiseksi. Kun kohtauskulma kasvaa tarpeeksi suureksi, tapahtuu sakkaus ja nostovoima häviää äkillisesti. Nopeutta, jolloin sakkaus tapahtuu, nimitetään usein sakkausnopeudeksi. Siiven sakkaus voi kuitenkin tapahtua monenlaisissa olosuhteissa, ja useimmiten siipi ei sakkaa joka kohdasta samanaikaisesti. Tämä voi esimerkiksi aiheuttaa koneen äkillisen kallistumisen tai joutumisen syöksykierteeseen. 

Lentokoneen siiven sakkaus voi olla varsin vaarallinen tilanne, ja niinpä sitä koitetaan torjua monin tavoin. Jotta koneen ohjattavuus säilyisi sakkauksen tapahtuessa, sen pitäisi tapahtua ensin siipien juuressa eikä missään tapauksessa ohjainpintojen kohdalla. Tähän voidaan päästä tekemällä siivestä lievästi kierteinen siten, että siiven kohtauskulma on lähellä lentokoneen runkoa suurempi kuin kärjessä. Tällöin lentokone ikäänkuin varoittaa tärinällä ja muilla oireilla ennen kuin ohjattavuus menetetään. Esimerkiksi toisen maailmansodan Spitfire-hävittäjän erinomaiset kaartotaisteluominaisuudet perustuivat suurelta osin tällaiseen siipiprofiiliin. Lisää aiheeseen liittyvää tietoa on aerodynamiikka-sivulla. 

Sakkaus voi tapahtua myös muunlaisissa siivissä, kuten suihkumoottorin kompressoriroottoreissa. Suihkumoottori on melko arka ilmanvirtauksen vaihteluille kompressoriin ja siitä syystä ilmanottoaukkojen oikea suunnittelu on tärkeä osa koneen luotettavuutta. Monet konetyypit kuten F-111 Aardvark ovat kärsineet kompressorin sakkausongelmista esimerkiksi lennettäessä suurilla kohtauskulmilla. Kun suihkumoottorin kompressori sakkaa, se ei enää kykene kunnolla ahtamaan ilmaa polttokammioon ja tuloksena voi olla ns. flame-out, eli moottorin sammuminen. Suihkumoottoreista voi lukea enemmän moottoritekniikkaa käsittelevältä sivulta.

Spanwise Flow

Termillä spanwise flow tarkoitetaan ilman taipumusta lähteä virtaamaan viiston siiven etureunan suuntaisesti kohti siiven kärkeä sensijaan, että se virtaisi suoraan siiven yli. Ongelma on tyypillinen viistosiipisille tai deltasiipisille koneille. Tällaisella virtauksella on taipumus irrottaa virtaus siiven pinnalta siipien kärjissä ja pienentää näin nostovoimaa. Tällaiseen tilaan joudutaan useimmiten silloin kun siipi on muutenkin lähellä sakkaustilaa esimerkiksi hitaan nopeuden ja suuren kohtauskulman, tai suuressa nopeudessa tehtävän tiukan lentoliikkeen aikana. Kun virtaus irtoaa tämän ilmiön vaikutuksesta siiven kärjissä, sakkaustilalla on kehittyessään taipumus edetä kohti siiven juurta. Viistosiipisellä koneella tämä siirtää nostovoimavektorin "kiinnityspistettä" eteenpäin, lähemmäs koneen nokaa, jolloin tuloksena on usein nopea nokan nousu, pitch-up.

Spanwise flow -ilmiön estämiseksi voidaan käyttää esimerkiksi 'siipiaitoja', eli siiven yläpinnoille sijoitettuja ilmavirran suuntaisia eviä, jotka pakottavat virtauksen suoraan taaksepäin. Tällaiset siipiaidat ovat selvästi havaittavissa esimerkiksi MiG-19 Farmerissa. Toinen keino virtauksen suuntaamiseen siiven yli on käyttää sahalaitaista siiven johtoreunaa (sawtooth leading edge extension). Kun siiven etureunaa jatketaan eteenpäin siiven kärjessä, muodostuvaan kulmaan syntyy pyörre, joka estää ilman virtausta johtoreunan suuntaisesti.

Superkriittinen Siipi

Superkriittinen siipiprofiili pyrkii vähentämään siiven pinnalle muodostuvia shokkiaaltoja ja pienentämään niiden voimaa. Näin siiven ilmanvastus transsoonisella alueella on perinteisen siiven vastusta pienempi. Superkriittisen siiven kriittinen Mach-luku, eli nopeus jolla shokkiaaltoja alkaa muodostua on tavanomaisen siiven arvoa korkeampi. Profiililtaan tämä siipityyppi on päältä melko tasainen ja sen takareuna (trailing edge) kääntyy jonkin verran alaspäin. 

Äänivalli

Ns. äänivalli on kuvitteellinen muuri joka pitää läpäistä yliääninopeuteen kiihdytettäessä. Termi sai alkunsa kun lentokoneet ensimmäisiä kertoja joutuivat transsooniselle alueelle ja koneen pinnoille alkoi muodostua sinne tänne tanssivia shokkiaaltoja jotka saivat koneen tärisemään ja ohjainpintojen toimintaa häiritessään käyttäytymään levottomasti. Monet koneet myös menettivät ohjattavuutensa täysin ja hajosivat ilmassa tai syöksyivät maahan. Syntyi mielikuva läpäisemättömästä seinästä. 

Äänikin on väliaineessa liikkuvia paineaaltoja ja ilmassa paineaallot kulkevat siis äänen nopeudella. Kun lentokone liikkuu suurella nopeudella, sen edellä kulkee paineaaltoja jotka tavallaan varoittavat edessä olevia ilmamolekyylejä, jotta ne alkaisivat väistää konetta jo ennen sen tuloa. Kun lentokone liikkuu ääänen nopeudella, nämä paineaallot eivät enää pääse koneelta karkuun, vaan ne kertyvät kasaan painuvan jousen lailla yhdeksi voimakkaaksi paineaalloksi joka leviää kartion muotoisena äänen nopeudella koneesta poispäin. Tämä tiivistysaalto (shockwave) on kuultavissa yliääänipamauksena tai ns. 'äänivallin murtumisena'. Kyseessä ei siis ole yksittäinen pamaus joka syntyy kun kone saavuttaa äänen nopeuden, vaan yliääninopeudella lentävä lentokone tuottaa ääntä jatkuvasti ja jokainen shokkiaallon tielle osuva henkilö voi kuulla sen. 

Shokkiaalto voi olla niin voimakas, että se rikkoo ikkunoita ja muita rakenteita ja yleinen sääntö on että mitä suurempi lentokone, sitä voimakkaamman shokkiaallon se tuottaa. 15 km:n korkeudessa lentävän lentokoneen tuottama shokkiaalto voi olla kuultavissa jopa 40 km päässä sen lentoreitin molemmilla puolilla. Aluetta jolla yliäänipamauksen voi kuulla, kutsutaan englannin kielessä nimellä 'sonic boom carpet'. 


[Takaisin Sotilasilmailun Yleistietoon] [Takaisin Pääsivulle]