Elementære begreper

De bærende flater på et fly, representert ved vin-ge og haleflate, er utformet slik at de gir mest mulig løftekraft og minst mulig motstand. Med utformin-gen menes her først og fremst vingeprofilets form.

Det enklest mulige profil vil være en tynn flat plate som gir et betydelig løft når den stilles i en viss vinkel til vindretningen (i det følgende er denne vinkelen re-ferert til som innfallsvinkelen). Om en løser opp kraftvirkningen i en komponent på tvers av vindret-ningen (løftekraft, L) og en kraft (motstand, D) i vindretningen, viser Figur 10.3 a) at løftekraften er mange ganger større enn motstanden. Hvis platen gis en liten krumning b), blir resultatet betydelig bedre, og for et optimalt profil c), kan forholdet L/D være større enn 20. Det er dette som gjorde flygning mulig allerede for mer enn 100 år siden; skyvekraften fra motor/propeller behøver bare å overvinne motstan-den. Flyets vekt (som bæres av løftekraften) kan være mye større.

Figur 10.3 Forholdet mellom løftekraft, L og motstand (drag), D er illustrert for a) en flat plate, b) en lett krummet plate og c) en aerodynamisk profil, alle ved samme innfallsvinkel for vinden.¹⁰⁴ Løftet øker med økende innfallsvinkel, men bare

opp til en viss grense kalt ”stall” eller steiling. Over den tilsvarende verdi på innfallsvinkelen øker ikke løftet mer, og en videre økning bringer et markert fall. For Twin Otterens rektangulære vinge, vil løftets

trykksentrum ligge på en linje parallell med fremkan-ten og i avstand 25 % av vingens bredde (eller korde).

Tyngdepunktsleiet avhenger av hvordan flyet er lastet, og vil bare unntaksvis falle sammen med trykksentret. I flukt vil flyet rotere omkring

tyngde-104. I virkeligheten kan forholdet L/D være mye større for en optimal profil. Sideforholdet (spennvidde dividert med vingens midlere bredde) er antatt å være lik 6.

a) b) c)

L

D D

L

D D

D L

D

punktet, og løftekraften vil da som regel dreie flyet slik at nesen går opp eller ned. Flyet er ustabilt. For å oppnå stabilitet og kontroll må en legge til en halefla-te. Hvis den befinner seg i en avstand fra tyngde-punktet som er betydelig større enn vingens bredde, kan denne nye vingeflaten gjøres mye mindre enn hovedvingen og likevel gi tilstrekkelig moment til å sikre stabilitet og kontroll. Dette er illustrert i Figur 10.4.

I det tilfellet som vises, kreves en oppadrettet last på haleflaten for å unngå at nesen går opp. Det betyr at vingen må generere et løft litt mindre enn flyets vekt, W, men forskjellen er så liten at den neglisjeres.

Til å kontrollere løftet på haleflaten utrustes den-ne gjerden-ne med et høyderor, dvs. en klaff i bakkant. (Et alternativ er å la hele haleflaten rotere, ”all flying tail”). Klaffvinkelen kan piloten kontrollere gjennom en wire og trinseanordning som forbinder ”stikka” i cockpit med en mekanisme som dreier en aksel (”tor-que tube”) som klaffen er festet til. For et større fly

kreves en betydelig kraft i stikka, og det kan være be-kvemt å avlaste piloten når belastningen varer ved over tid. Dette kan gjøres ved å anbringe en liten trimklaff (tab) i bakkant av høyderoret. Denne tab’en styres også fra cockpit gjennom en separat anord-ning. Dersom tab’en justeres ned, vil det øke trykket lokalt på undersiden av høyderoret som da beveger seg oppover. Men dette produserer en betydelig ned-adrettet last på haleflate/høyderor, slik at en liten oppadrettet last på tab’en resulterer i en betydelig trimlast nedover. Ved Mehamn-ulykken ble det fun-net skader både på høyderor og ”torque tube”, og tab’en var i en ekstrem nedadrettet posisjon. Dette kan tyde på at den direkte høyderorskontrollen var blokkert og at pilotene forsøkte å bevege høyderoret ved hjelp av tab’en. Nedadrettet tab gir kraft opp på høyderoret og dermed nedadrettet last på haleflaten.

Dette, i tilfelle det fungerte, ville ha bidratt til å løfte nesen og bringe flyet tilbake til horisontal flygning.

Figur 10.4 Elementære aerodynamiske virkemidler for stabilitet og kontroll; horisontal haleflate (stabilisator) og høyderor.

Ved beregning av belastning på grunn av en plut-selig vindbyge er det enda et par momenter å ta hen-syn til. Innfallsvinkelen til vingen beregnes gjerne ut fra flyets orientering i forhold til horisonten. Ved ho-risontalflygning er gjerne vinkelen mellom relativ vind og flyets hovedakse liten, og innfallsvinkelen er lik vingens referanse- (eller null-løft) vinkel i forhold til hovedaksen. (Vingens ”offset” i forhold til hoved-aksen er bestemt av flykonstruktøren.) I forhold til vingen synes vinden å komme forfra og litt oppadret-tet. Fartsvinden genererer et løft på vingen og da må vingen også generere en nedadrettet kraft på luft-strømmen. Det betyr at luftstrømmen bak flyet er ret-tet nedover, i lang avstand bak omtrent like mye som den var rettet oppover foran. Strømlinjene nær flyet vil ha en viss krumning, noe som gjør det vanskelig å beregne innfallsvinkelen for haleflate/høyderor.

Det-te er illustrert for Twin OtDet-ter for forskjellige innfalls-vinkler i Figur 10.5.¹⁰⁵ En oppadrettet vindbyge en-drer innfallsvinkelen i betydelig grad, og for å bereg-ne virkningen må også effekten på halens bæreflater inkluderes. Slippstrømmen bak propellene er enda et kompliserende element. Av praktiske grunner velger produsenter av to-motors propellfly å bare bruke en type motor og propeller slik at begge flyets propeller roterer samme vei. Slippstrømmen bak propellene vil da også ha en viss rotasjon, og en får derfor et asym-metrisk strømningsfelt bak vinge og motorer. Det på-virker både høyderor og finne/sideror.

a)

b)

c)

l

LT

L

A x G

W M0

V 8 T

W D L

Nøytral klaff

Utfelt klaff

105. Slike 3-dimensjonale beregninger for et helt fly, har blitt realisert bare i de siste år.

Figur 10.5 Strømning over haleflatene ved forskjellige innfallsvinkler.