Artikkelin tiedot
Kategoria:	Lennon teoria
Sisällön lähde:	SKYbrary
Sisällönohjaus:	SKYbrary

Kuvaus

Vetovoiman aiheuttama vetovoima on väistämätön seuraus nosteesta, ja se syntyy aerofiilin (esim.esim. siiven tai pyrstölaipan) kulkeminen ilman läpi. Siiven yläpinnan yli virtaavalla ilmalla on taipumus virrata sisäänpäin, koska yläpinnan yläpuolella alentunut paine on pienempi kuin paine siiven kärjen ulkopuolella. Siiven alapuolella ilma virtaa ulospäin, koska paine siiven alapuolella on suurempi kuin siiven kärjen ulkopuolella. Suora seuraus tästä on siivenkärjen osalta se, että ilmaa valuu jatkuvasti ylöspäin siivenkärjen ympärille, ja tätä ilmiötä kutsutaan ”kärki-ilmiöksi” tai ”päätyilmiöksi”. Yksi tapa ymmärtää, miksi siiven suuri sivusuhde on parempi kuin pieni, on se, että suuren sivusuhteen ansiosta tällä tavoin liikkuvan ilman osuus pienenee ja näin ollen suurempi osa siitä tuottaa nostetta.

Yleisemmin siiven osalta siiven ylä- ja alapuolelta tulevat ilmavirrat virtaavat kulmassa toisiinsa nähden, kun ne kohtaavat siiven takareunassa. Ne yhdistyvät muodostaen pyörteitä, jotka takaapäin katsottuna pyörivät myötäpäivään vasemmasta siivestä katsottuna ja vastapäivään oikeasta siivestä katsottuna. Näillä pyörteillä on taipumus liikkua ulospäin kohti siiven kärkeä, jolloin ne yhdistyvät toisiinsa. Siiven kärkeen saavuttaessa on muodostunut yksi suuri siiven kärkipyörre, joka irtoaa.

Suurin osa näistä pyörteistä on tietenkin täysin näkymättömiä, mutta hyvin kosteassa ilmassa pyörteen keskiosa voi tulla näkyviin, koska ilmanpaine pyörteen keskellä on laskenut – ja siten jäähtynyt – niin paljon, että kondensoitumista voi tapahtua. Suurempi siipikuormitus käännöksen aikana lisää myös voimakkuutta – ja paineen alenemisen astetta – joten näkyvät pyörteen ytimet ovat vieläkin todennäköisempiä käännöksen aikana. Jos ollaan lähellä näitä pyörteitä, ne voivat joskus olla myös kuultavissa!

Suurin osa siiven yläreunasta pois virtaavasta ilmasta – ”downwash” – jatkuu enemmän tai vähemmän vaakasuoraan kohti keulaa, koska sitä tasapainottaa siiven etureunan etupuolella oleva vastaava nousuvirtaus. Sitä vastoin ylöspäin suuntautuva ilmavirtaus, joka johtaa pyörteen ”lujittumiseen” siiven kärjessä, on juuri kärjen ulkopuolella, kun taas vastaava alaspäin suuntautuva ilmavirtaus on juuri siipivälien ääripäissä, joten siiven ohi kulkevan ilmavirtauksen nettosuunta on alaspäin. Siiven synnyttämä nostovoima – joka on määritelmän mukaan suorassa kulmassa ilmavirtaukseen nähden – on näin ollen kallistunut hieman taaksepäin ja aiheuttaa näin ollen vastusta – indusoitua vastusta.

Vaikka indusoitua vastusta on aina oltava ainakin jonkin verran, koska siipien paksuus on rajallinen, suunnittelussa tätä virtausta pyritään mahdollisuuksien mukaan vähentämään. Vaadittu siipipinta-ala voidaan saavuttaa käyttämällä erilaisia siipien jännevälien ja jänteiden suhdelukuja (aspect ratio). Mitä suurempi siiven poikkileikkaussuhde on, sitä vähemmän ilmahäiriöitä syntyy siiven kärkeen. Useimmissa ilma-aluksissa on kuitenkin sekä käytännön rajoitteita siiven suurimmalle jännevälileveydelle maalla liikkumisen kannalta että rakenteellisia seikkoja, jotka merkitsevät sitä, että pitkän ja ohuen siiven riittävästä vahvistamisesta aiheutuva painorasitus on lopulta liian suuri. Siipien suunnitteluun vaikuttaa myös se, että lentokoneet kuljettavat suurimman osan polttoaineestaan siivissä. Tyypilliset liikennelentokoneiden sivusuhteet vaihtelevat 6:1:n ja 10:1:n välillä.

Muut keinot vähentää indusoitua vastusta ja kärkipyörteen voimakkuutta siipisuunnittelussa perustuvat myös siihen, että siiven kärjessä ylöspäin suuntautuvaa ilmamäärää vähennetään pyrkimällä tuottamaan suhteellisesti enemmän nostetta poispäin kärjestä. Siiven kapeneminen kärkeä kohti auttaa tässä, samoin kuin siiven kiertyminen. Boeing 767 on esimerkki kiertyneestä siivestä. Sisempi siipi on asetettu suuremmalle kohtauskulmalle (AOA) kuin ulompi siipi ja tuottaa siten suhteellisesti enemmän nostetta, kun taas kärki tuottaa hyvin pienellä kohtauskulmalla hyvin vähän nostetta. Wingletit (sharkletit) ovat myös tulleet suosituiksi, sekä tavanomaiset ylöspäin kääntyvät versiot että vanhemmat Airbus A320-sarjan kaksisuuntaiset ”wingtip fence” -versiot. Hyvin suunnitellut wingletit voivat estää noin 20 prosenttia ilmavirran leviämisestä kärkeen – ja siten 20 prosenttia indusoidusta vastuksesta.

Indusoitu vastus ja sen aiheuttamat siivenkärkipyörteet ovat suora seuraus siiven tuottamasta nosteesta. Koska nostovoimakerroin on suuri, kun kohtauskulma on suuri, indusoitu vastus on kääntäen verrannollinen nopeuden neliöön, kun taas kaikki muu vastus on suoraan verrannollinen nopeuden neliöön. Tästä seuraa, että indusoitu vastus on suhteellisen merkityksetön suurilla nopeuksilla matkalennossa ja laskeutumisessa, jolloin sen osuus kokonaisvastuksesta on todennäköisesti alle 10 %. Nousussa se on merkittävämpi ja muodostaa vähintään 20 prosenttia kokonaisvastuksesta. Hitaalla nopeudella heti lentoonlähdön jälkeen ja nousun alkuvaiheessa sen merkitys on suurin, ja sen osuus kokonaisvastuksesta voi olla jopa 70 prosenttia. Kun tarkastellaan siiven kärkipyörteiden potentiaalista voimakkuutta, kaikkea tätä indusoitua vastusta koskevaa teoriaa on lievennettävä lentokoneen painon vaikutuksella. Indusoitu vastus kasvaa aina ilma-aluksen painon myötä.

SKYclip

Oheinen SKYclip käsittelee lentoreitillä tapahtuvaa aaltopyörteen kohtaamista.

• Aaltopyörteen leviäminen ja hajoaminen
• Siipien kärkipyörteiden vastuksen vähennyslaitteet