Artikelinformation
Kategori:	Flygningsteori
Innehållskälla:	SKYbrary
Innehållskontroll:	SKYbrary

Beskrivning

Inducerat luftmotstånd är en oundviklig följd av lyftkraft och uppstår när en aerofoil (t.ex.t.ex. en vinge eller ett stjärtparti) genom luften. Luft som strömmar över toppen av en vinge tenderar att strömma inåt eftersom det minskade trycket över den övre ytan är lägre än trycket utanför vingspetsen. Under vingen strömmar luften utåt eftersom trycket under vingen är större än trycket utanför vingspetsen. Den direkta konsekvensen av detta, när det gäller vingspetsarna, är att det sker ett kontinuerligt spill av luft uppåt runt vingspetsen, ett fenomen som kallas ”spets-effekt” eller ”änd-effekt”. Ett sätt att förstå varför det är bättre att ha en vinge med ett högt sidoförhållande än ett lågt är att med ett högt sidoförhållande minskas andelen luft som rör sig på detta sätt och därför genererar mer av den lyftkraft.

För vingen mer allmänt gäller att luftströmmarna från ovanför och nedanför vingen strömmar i en vinkel mot varandra när de möts längs vingens bakkant. De kombineras för att bilda virvlar som, sett bakifrån, roterar medurs från vänster vinge och moturs från höger vinge. Tendensen är att dessa virvlar rör sig utåt mot vingspetsen och förenas när de gör det. När vingspetsen nås har en stor wigtipvirvel bildats och avges.

De flesta av dessa virvlar är naturligtvis helt osynliga, men i mycket fuktig luft kan virvelns centrala kärna bli synlig eftersom lufttrycket i dess centrum har minskat – och därmed har kylts – tillräckligt för att kondensation ska kunna ske. En högre vingbelastning i en sväng kommer också att öka styrkan – och graden av reducerat tryck – så att synliga virvelkärnor är ännu mer sannolika under svängar. Om man är nära dessa virvlar kan de ibland också vara hörbara!

Det mesta av den luft som strömmar från vingens ovansida – ”downwash” – fortsätter mer eller mindre horisontellt mot empennaget eftersom den balanseras av en motsvarande upwash framför vingens framkant. Däremot är den uppåtriktade luftrörelse som leder till virvelns ”konsolidering” vid spetsen precis utanför spetsen, medan den motsvarande nedåtriktade rörelsen är precis vid vingspännviddets yttersta del, så att nettoriktningen för luftströmmen förbi vingen är nedåtriktad. Den lyftkraft som skapas av vingen – som per definition står i rät vinkel mot luftströmmen – lutar därför något bakåt och ”bidrar” därmed till luftmotstånd – inducerat luftmotstånd.

Och även om det alltid måste finnas åtminstone ett visst inducerat luftmotstånd eftersom vingar har en ändlig tjocklek, försöker man vid konstruktionen så långt det är möjligt att minska detta flöde. En erforderlig vingarea kan uppnås med hjälp av olika förhållanden mellan vingens spännvidd och lutning (aspektförhållande). Ju större vingens längdförhållande är, desto mindre luftstörning skapas vid spetsen. För de flesta luftfartyg finns det dock både praktiska gränser för den maximala vingspannvidden för markmanövrering och strukturella problem som innebär att viktförlusten för att förstärka en lång tunn vinge på ett lämpligt sätt till slut blir orimligt stor. Det faktum att flygplan transporterar det mesta av sitt bränsle i vingarna är också en faktor som påverkar vingarnas utformning. Typiska transportflygplan har ett sidoförhållande på mellan 6:1 och 10:1.

Andra sätt att minska det inducerade luftmotståndet och spetsvirvelstyrkan i en vingkonstruktion bygger också på att minska mängden luftrörelse uppåt vid vingspetsen genom att sträva efter att generera relativt sett mer av lyftet bort från spetsarna. Vingens avsmalning mot spetsen bidrar till detta, liksom vingvridning. Boeing 767 är ett exempel på en vriden vinge. Den inre vingen har en högre angreppsvinkel (AOA) än den yttre vingen och genererar därför proportionellt sett mer lyftkraft, medan spetsen, med en mycket liten angreppsvinkel, genererar mycket lite. Winglets (sharklets) har också blivit populära, både de vanliga uppåtvända versionerna och de äldre tvåvägsversionerna av ”wingtip fence” i Airbus A320-serien. Väl utformade winglets kan förhindra ca 20 % av luftflödet vid spetsen – och därmed 20 % av det inducerade luftmotståndet.

Det inducerade luftmotståndet och dess vingspetsvirvlar är en direkt följd av att vingen skapar lyftkraft. Eftersom lyftkoefficienten är stor när anfallsvinkeln är stor är det inducerade luftmotståndet omvänt proportionellt mot kvadraten på hastigheten medan allt annat luftmotstånd är direkt proportionellt mot kvadraten på hastigheten. Effekten av detta är att det inducerade luftmotståndet är relativt oviktigt vid höga hastigheter i marsch- och nedstigningsfasen, där det förmodligen utgör mindre än 10 % av det totala luftmotståndet. Under stigningen är det viktigare och utgör minst 20 % av det totala luftmotståndet. Vid låga hastigheter strax efter start och under den inledande stigningen är det av största betydelse och kan utgöra så mycket som 70 % av det totala luftmotståndet. Slutligen, när man tittar på den potentiella styrkan hos vingspetsvirvlar, måste all denna teori om inducerat luftmotstånd mildras av effekten av flygplanets vikt. Det inducerade luftmotståndet kommer alltid att öka med flygplanets vikt.

SKYclip

Följande SKYclip tar upp frågan om en-rutt-möte med kölvattenvirvel.

• K kölvattenvirvelns utbredning och avklingning
• Anordningar för att minska luftmotståndet i vingspetsarna