2017. november 20., hétfő
  • Hungarian

Bónuszbrigád

Tandemrepülés

Iskolánk

Aerodinamika Nyomtatás E-mail

Aerodinamika

 Bevezető



A fejezetben az áramlástani ismereteket igen leegyszerűsítve, siklóernyős szemszögből írtuk le. Célunk a szakszerűség helyett inkább az volt, hogy a siklóernyős pilóták az alapvető, a repülés megértéshez nélkülözhetetlen összefüggéseket megismerjék.  

Az egyszerű megfogalmazások láttán senki ne gondolja, hogy a repülő szerkezetek tervezéséhez ez a tudásmennyiség elegendő, és az itt leírtak alapján képes siklóernyőjét módosítani. 

Az áramló közeg (gáz, folyadék), így a levegő is mindig valamekkora sebességgel és valamilyen irányban áramolja körül az útjába kerülő testeket. Mivel az áramló levegő sok elemi részecskéből áll, útvonalának ábrázolásakor mindnek nem jelölhetjük az útirányát és sebességét. Elegendő egymástól bizonyos távolságra levő részecskék útját megadni ahhoz, hogy az áramló levegőre jellemző áramvonalakat megkapjuk. Az áramló levegőrészecskék útját vonalakkal ábrázoltuk. 



A folytonosság tétele


Az áramló levegő két lényeges jellemzője a sebessége és a nyomása, amelyek között szoros összefüggés van. 

Áramoltassunk keresztül levegőt egy változó keresztmetszetű csövön. Feltételezzük, hogy a levegő teljesen kitölti a csövet, továbbá azt, hogy mindig ugyanannyi áramlik a csőbe, mint amennyi eltávozik belőle. 

alt
9.ábra: Áramlás a csőben





Az áramlási viszonyokat a cső vastagabb szakaszának A1 ill. a szűkebb A2 keresztmetszetében vizsgáljuk. Mindkét keresztmetszetben az átáramló levegő mennyiségét a csőkeresztmetszet és a levegő sebességének szorzata adja: A1v1, ill. A2v2. Mivel feltételezzük, hogy időről időre ugyanannyi levegő áramlik a csőbe; mint abból ki, időegység alatt a cső valamennyi keresztmetszetén ugyanannyi levegő áramlik át. Ebből következően A1v1 = A2v2. Ezt az egyenlőséget még a következő alakban is felírhatjuk: 




A2 / A1 = v1 / v2





Az áramlás sebessége fordítottan arányos a cső keresztmetszetével. Ahol a keresztmetszet csökken, ott a sebesség nő, bővülő keresztmetszetnél pedig az áramlás sebessége csökken. Erre a csőben kialakuló áramkép is utal. Ahol ugyanis közelebb kerülnek egymáshoz az. áramvonalak, ott a levegő sebessége nő. 

Precízebben a folytonosság tétele: a rendszerbe be- és kiáramló tömegáramok különbsége egyenlő a rendszerben tartózkodó fluidum tömegének időegységre eső változásával. 



Bernoulli-törvény


Az áramló gázoknak, folyadékoknak energiájuk van. Az áramló gáz összenergiáját sebessége, nyomása és helyzeti energiája adja. A különböző keresztmetszetekben áramló gáz összenergiája állandó. Ha eltekintünk a helyzeti energiától, azaz vízszintes áramlásokat nézünk, akkor az energia megmaradásának elve értelmében (energia nem vész el, csak átalakul) ez csak úgy lehetséges, ha a csökkenő keresztmetszetnél az áramló levegő sebessége nő, nyomása ugyanakkor csökken. Ahol pedig sebessége csökken, ott a nyomása nő.  

Ezt az összefüggést – felfedezőjéről – Bernoulli-törvénynek nevezzük, amely a repülés elméletének alaptétele. A Bernoulli-törvényt a következő összefüggéssel lehet kifejezni: 




W = h g r + p + r v2 / 2





ahol W az áramló levegő összenergiája; p a statikus nyomás; v az áramló levegő sebessége; r a levegő sűrűsége, h g r a helyzeti energia. Mivel a levegő sűrűsége adott körülmények mellett változatlan számértékű, a képletből világosan kitűnik, hogy W akkor lesz változatlan, ha p növekedése esetén v csökken és fordítva. 

Például helyezzünk egymás mellé két, ívben. meghajlított papírlapot (pl. névjegykártyát). Finoman fújjunk a papírlapok közé. A lapok egymáshoz közelednek, noha azt várnánk, hogy éppenséggel eltávolodnak egymástól. A papírlapok külső oldalán a nyugvó légköri nyomás uralkodik. Az ívben meghajlított lapok között - szűkülő keresztmetszeten - átáramló nagyobb sebességű levegő nyomása kisebbé válik, mint a légköri nyomás. A papírlapokat az így kialakuló nyomáskülönbség egymáshoz szorítja. 





alt
10.ábra: A fúvóka hatás




A felhajtóerő



Felhajtóerő keletkezhet síklapon is, kedvezőbb azonban a felhajtóerő viszonya a vele együtt keletkező ellenálláshoz az enyhén görbített, hosszúkás csepp alakú szárnymetszet esetén. A . ábrán légáramlásba helyezett szárnymetszet körül kialakuló áramképet láthatunk. Az áramvonalak a test formáját követik, felette azonban sűrűsödnek, alatta pedig ritkulnak. Azt tudjuk már, hogy ahol az áramvonalak sűrűsödnek, ott a levegő sebessége nő, ahol ritkulnak sebessége kisebb. Az előzőekben megismert Bernoulli-törvény értelmében most már tudjuk, hogy ahol a sebesség nő, ott a levegő nyomása csökken, ahol pedig sebessége kisebb lesz, nyomása megnövekszik. 

A szárny körül valóban ez a helyzet alakul ki. A szárny fölött mérhető nyomás kisebb, mint a szárny alatt mérhető nyomás. E nyomáskülönbség miatt a szárny felett szívás; alatta pedig nyomásnövekedés jön létre, és e két erő együttesen adja a felhajtóerőt. 

Az említett nyomásváltozás a szárnynak nem egy pontján, hanem a szárny teljes terjedelmén alakul ki. A nyomásváltozás eloszlását ki lehet mérni. A nyomáseloszlás alakja a profil íveltségétől és az állásszögtől függ. Mérések szerint a felhajtóerő kétharmadát a szárny feletti szívás, egyharmadát pedig a szárny alatti nyomásnövekedés adja.  

A felhajtóerő nagysága a légellenálláshoz hasonló, formula szerint számítható: 




Fy= cy A r vĄ2 / 2





ahol Fy a felhajtóerő, cy a felhajtóerő-tényező (mértékegység nélküli szám); r a levegő sűrűsége, vĄ a levegő áramlási sebessége, „A” a szárny felülete. 

A felhajtóerő-tényező szorul itt magyarázatra. Ez egy-egy szárnyprofilra jellemző tényező, amely arányos a szárnyprofillal megépített szárnyon keletkező felhajtóerővel. A felhajtóerő-tényezőt még ugyanannál a profilnál is különböző állásszögekre vonatkoztatva adják meg. 

Az előző képlet alapján mondhatjuk, hogy a felhajtóerő nagysága a felhajtóerő-tényezőtől és a felülettől egyenes arányban függ. A sebességgel négyzetesen nő, függ továbbá a levegő sűrűségétől is. 

Egy szárnyon különböző állásszögek mellett, mind a felhajtóerő, mind pedig a légellenállás értéke más és más lesz. Ráadásul az állásszög változásával - noha az áramlás sebessége ugyanaz marad - a két légerő változása nem azonos mértékű.  

Ha a szárny állásszögét nulláról lassan növeljük, a felhajtóerő eleinte fokozatosan növekszik, az ellenállás értéke viszont eközben alig változik valamit. Nagyobb állásszögnél 6° körül - ugyan még mindig növekszik a felhajtóerő, azonban már a légellenállás is nagyobb változást (növekedést) mutat. Ezeknél az állásszögeknél a szárny körüli áramlás zavartalansága kezd megszűnni, a kilépőél környékén nagyobb örvények jelennek meg, az áramlás kezd leszakadni. Tovább növelve az állásszöget, a felhajtóerő már alig növekszik, ezzel szemben az ellenállás alaposan megnövekedik. A szárny körüli áramkép pedig igazolja is az ellenállás jelentős növekedésének okát. Az áramlás leválása a kilépőél felől mindinkább előre vándorol, és egyre nagyobb örvénylés alakul ki a szárny fölött. Bizonyos állásszögnél aztán az egész áramlás leválik a szárnyról. Itt a felhajtóerő lecsökken, az ellenállás pedig igen naggyá válik. A szárny (és az egész siklóernyő) "átesik", ami minden profilra külön jellemző, az ún. kritikus állásszögnél következik be. 


alt
11.ábra: Áramlási képek különböző állásszögeknél





Polárdiagram 


A szárnyprofilok különböző állásszögekhez tartozó felhajtóerő- és ellenállás tényezőiből szerkeszthető (vagy gyakorlatiasabban a kész szárnnyal mérhető) a polárdiagram. A polárdiagramon az áramlásra merőleges, és azzal párhuzamos erők viszonyait, vagy a különböző állásszögekhez ellenállás és felhajtóerő-tényező párokat, vagy függőleges és vízszintes sebesség párokat szoktak ábrázolni. 

Számunkra a legsokatmondóbb, ha a polárdiagramon a siklóernyő stabil repülési helyzeteihez tartozó függőleges és vízszintes sebesség párokat ábrázolják. Ilyenkor a görbe minden egyes pontja (illetve a hozzá tartozó koordináták) azt mutatják, hogy egyenletes repülés közben az adott függőleges sebességhez mekkora vízszintes haladás tartozik (vagy fordítva). Esetenként a görbe pontjai mellé odaírják az adott ponthoz tartozó szárny állásszöget, vagy az ezzel egyenértékű fék és gyorsító beállítást is. 

Noha csak igen kevés siklóernyőnek adják közre a mért vy és vx értékeit, a polárgörbéjét, mégis érdemes kitérni rá, mert hasznos következtetések levonására alkalmas. 

A polárdiagramról mindenekelőtt a siklóernyő teljesítményét meghatározó több fontos tényező várható értékére következtethetünk. Ezek a siklószám, a minimális merülősebesség, a minimális és maximális sebesség. 

A siklószám és a légerők viszonya között szoros összefüggés van. A siklószám tulajdonképpen a felhajtóerő és a légellenállás-erő viszonya, ami a siklóernyők közti teljesítmény különbség kifejezésére alkalmas. 

A legkedvezőbb siklószámot úgy olvashatjuk le, hogy a polárdiagram koordináta-rendszerének origójából érintőt húzunk a polárgörbéhez. Az érintési ponthoz tartozó vx és vy értéket. leolvassuk, amelyek hányadosa adja a siklószámot. Maga az érintő egyenes egyben a siklás szögét is mutatja. 

A legkedvezőbb siklószámhoz tartozó állásszögtől valamivel nagyobb állásszögnél kapjuk a legkedvezőbb merülősebességet, amely a polárgörbe legmagasabban lévő pontja. A legkedvezőbb merülősebesség is csak egyetlen állásszögnél érhető el. 

Egy szárny polárdiagramja jelentősen változik, ha a szárny nem egyenesen repül, márpedig a silóernyők idejük nagy részét termikben történő körözéssel töltik. A pilóta légellenállása is jelentősen befolyásolja a görbe alakulását. Ezért nincs sok gyakorlati értelme összehasonlítani a polárgörbe alapján két ernyőt, és feltehetően ezért, és egyéb marketing szempontok miatt nem szokták megadni a gyártók a polárgörbéket. 

A polárdiagram gyakorlati alkalmazását a távrepülés fejezetben olvashatjuk. 



A siklószám 

A siklószám azt adja meg, hogy a siklóernyő - ideális körülmények (nyugodt levegő, stb.) között - egységnyi magasságból milyen távolra (hány egységnyi távolságra) képes siklani. Ha azt mondjuk, hagy valamely ernyő siklószáma 7.6, az azt jelenti, hogy 1 km magasból 7.6 km távolságra tud elsiklani.  



A merülősebesség 

A merülősebesség azt mutatja meg, hogy a siklóernyőnek mekkora a függőleges irányú sebessége. Ha pl. azt mondjuk, hogy 1.2 m/s egy siklóernyő merülősebessége, úgy kell értelmeznünk, hogy miközben a siklóernyő siklik, másodpercenként 1.2 m a süllyedése. 





Állásszög 

A szárny húrjának a szárnyprofil legelső és leghátsó pontja között kihúzott egyenest nevezik. A szárny állásszöge alatt a szárny húrjának és a szárny környezetében zavartalanul áramló levegő irányának a szögét értjük. Értéke általában 0-+5 °. Megtévesztő, hogy a siklóernyő előre és lefelé mozog, ezért bár az állásszög pozitív, a talajhoz képest a szárny mégis negatív szöget zár be.  

Például egy 6-os siklószámú ernyő: arc ctg(6)= 9.5°-os szögben csúszik lefelé, és ha eközben szárnyának állásszöge 5°, akkor a talajhoz képest szárnya –4.5°-ban látszik. 

Azt is érdemes megjegyezni, hogy az ernyő-levegő dinamikus rendszer, ezért egyes manőverekből kiérve, vagy függőleges irányban is mozgó légrétegekbe érve (pl. termikek határán) a szárnyat érő levegő megfúvási szöge -az állásszög- rövid ideig igen szélsőséges értékeket is felvehet, miközben az ernyő a talajhoz képest normális helyzetben lehet.  

Például a B-stall befejezésekor az ernyő csak függőleges sebességgel bír, közben a szárny közel vízszintes, tehát az állásszög 90° körüli. 

alt
12.ábra: Az állásszög és a siklószög értelmezése





A szárny állásszögét a felfüggesztő hevedereken az egyes zsinórsorokhoz (A, B, C, D) csatlakozó hevederszárak egymáshoz viszonyított hosszának változtatásával állítjuk. Elsőre az gondolhatnánk, hogy a szárnyhúr, az "A" sor és az utolsó zsinórsor által alkotott háromszögre (amelynek csúcsai a pilóta, a szárnybelépő és a szárny kilépő pontja), alkalmazva a cosinus tételt, ki tudjuk számolni az állásszög változását, az "A" hevederszár rövidüléséből (egy adott ernyőnél). Azonban még sincs így, mert az állásszög változásával megváltozik a szárnyon keletkező erő támadáspontja (az aerodinamikai súlypont vándorol), így az egész háromszögünk elfordul, hogy a pilóta és a szárny súlypontja egymás alá kerüljön. Ezzel az ismeretlen elfordulással kellene módosítanunk trigonometriai számításainkat, hogy megkapjuk a tényleges állásszög változást.  



Reynolds szám 

A Reynolds szám egy olyan mértékegység nélküli mutató, amely egy áramló közegbe helyezett test körül kialakuló áramlási képet jellemzi. Értéke a közeg tulajdonságaitól, az áramlás sebességétől, és a test méretétől függ.  

A siklóernyő szárnyának esetében a Re-számot - mellőzve a. kissé komplikált előzményeket - a következő egyszerűsített. képlettel fejezhetjük ki:  




Re = v t / n





ahol „v” a siklóernyő. sebessége, „t” a szárnymélység, „n” a levegő kinematikai viszkozitása. 

Például egy szárnyprofil tervezője megadhatja, hogy milyen Re tartományban "működik jól" a profil, és így a profilt felhasználó szárnyépítő kiszámíthatja, hogy az általa tervezett sebességhez milyen méretű profil kell, vagy fordítva. Az ábrán látható MH91 nevű siklóernyő szárnyprofilt a Re = 250 000 - 5 000 000 tartományra tervezték: Az igen enyhén felhajló kilépőél miatt ez egy ún."S" alakú profil. 

alt
13.ábra: Egy valódi "S" szárnyprofil




A légellenállás


A légellenállás nagysága a test méretétől, alakjától, felülete simaságától; valamint az áramló levegő sebességétől függ. Nagyságát a következőképpen fejezhetjük ki: 




Fe = ce A r vĄ/ 2





ahol Fe a légellenállás; r a levegő sűrűsége; vĄ az áramlás zavartalan sebessége a testhez kötött koordináta-rendszerben (esetünkben a levegő sebessége), A a test egy jellemző mérete (felülete), ce az ellenállási tényező (mértékegység nélküli szám). 

A légellenállás a test egy jellemző felületétől egyenes arányban függ. Az áramlásirányra szimmetrikus testeknél, amelyeken csak ellenállás keletkezik, ez általában az áramlás irányára. merőleges, úgynevezett "homlokfelület" szokott lenni (ilyen pl. a pilóta, zsinórok stb.). Ha az áramlásirányára aszimmetrikus testeken az ellenálláson kívül az áramlás irányára merőleges légerő is keletkezik (pl. felhajtóerő), akkor fel szokták bontani a keletkező erőt egy áramlással párhuzamos erőre (ez az ellenállás) és egy az áramlásra merőleges erőre, amelynél általában az alaprajzi felületet veszik figyelembe (pl.: szárnynál a felhajtóerő). 

A légellenállás nagysága a sebességgel négyzetes arányban változik. Tehát kétszer, háromszor nagyobb sebességnél a légellenállás négyszer, kilencszer lesz nagyobb. Emiatt kell a versenyzők beülőjét, ruházatát gondosan megválasztani, mivel légellenállásuk legyőzéséhez ill. a sebességük csak néhány kilométeres növeléséhez jelentős energia (magasságvesztés) szükséges. 

A légellenállás értéke még a levegő sűrűségétől is függ, ami azonban tőlünk független tényező. 

Sokkal jelentősebb a képletben szereplő ce tag, amit ellenállás-tényezőnek nevezünk. Ez a test ellenállásával kapcsolatos több tényezőt foglal össze. Az ellenállás-tényező lényegében azt mutatja, hogy az egységnyi felületű testnek egységnyi nagyságú torlónyomás esetén mekkora ellenállása van. Nagysága főként a test alakjától függ, de a Re szám (sebesség) tartomány is befolyásolja. Különböző alakú testek ellenállás-tényezőjének nagyságát az alábbi táblázat szemlélteti. Meglepőnek tűnik, hogy az áramlásra merőlegesen állított síklap ellenállás-tényezője közel huszonötször nagyobb a vele azonos keresztmetszetű áramvonalas testénél.  Test alakja    ce (ellenállás-tényező)
Körlap*           1,2
Félgömb*        0,4
Gömb Re<1     50
Gömb *           0,2-0,4
Gömb Re>106 0,2
Cseppalak*       0,04

*siklóernyős körülmények között (Re 103~105)
A testek légellenállása háromféle, alaki, súrlódási és indukált ellenállásból tevődik össze.  



Alaki ellenállás 

A levegő az útjába kerülő testet igyekszik megkerülni. A test legnagyobb keresztmetszetéig általában könnyedén követi a test körvonalát, mivel ehhez elegendő mozgási energiája van. A legnagyobb keresztmetszet után - a test alakjától függő mértékben - az áramlás azonban leválhat a testről, és a leváló levegő örvényleni kezd. Minél inkább hosszúkás formát adunk a testnek, azaz minél inkább csökkentjük az áramlás leválásának és következményének, az örvénylés kialakulásának lehetőségét, annál inkább csökken a test alaki ellenállása is. 



Súrlódási ellenállás 

Ha egy áramvonalas test vastagságát csökkentjük, annak ellenállása is csökken, de csak egy bizonyos határig. Az ellenállás tovább még akkor sem csökkenthető, ha a test egy igen vékony síklap lesz. Bár a síklap alaki ellenállása végtelen kicsiny, a mellette áramló levegő azonban a felületéhez súrlódik, fékeződik és a vékony síklap légellenállását már csak a súrlódási ellenállás adja. A levegőnek (és minden más fluidumnak) ezt a tulajdonságát a viszkozitásnak nevezett anyagjellemző mutatja. 

A súrlódási ellenállással kapcsolatos jelenségek a test közvetlen közelében zajlanak le, az ún. határrétegben. A test felületével közvetlenül érintkező levegőréteg a felülethez tapad, sebessége nulla. A következő levegőréteg már valamelyest el tud mozdulni a legbelső, nulla sebességű rétegen, bár az meglehetősen fékezi még. A test felületétől távolodva az egymást követő levegőrétegek sebessége egyre nagyobb, míg a határréteg legkülső rétege már eléri az áramló levegő sebességét. A határrétegen belül tehát az álló felülettől csak bizonyos távolságra érik el a levegőrészecskék a zavartalan áramlás sebességét: 

A határrétegen belül az áramlás lehet lamináris, és lehet turbulens. A két áramlás között minőségi különbség van, és alapvetően befolyásolják a test ellenállásának nagyságát. 

Lamináris áramlás esetén a levegőrészecskék útja rendezett. Az áramvonalak egymás mellett haladnak el anélkül, hogy összekeverednének. A turbulens határrétegen belül a levegőrészecskék útja zegzugos, olykor az áramlás útjára merőleges is lehet. A levegőrészecskék rendezetlen áramlása következtében az egymás melletti rétegek összekeverednek.  

Azt, hogy egy adott helyen a határréteg milyen, arra a Re számból lehet következtetni. Lamináris az áramlás ha a Re értéke kisebb, mint 2320. 



Indukált ellenállás 

Az előzőkben, ha a szárny körül lejátszódó fogalmakról volt szó, a jelenséget a szárny egy metszete körül kialakuló áramképpel magyaráztuk, feltételezve, hogy a többi metszetre is ez az áramkép a jellemző. Ez igaz is végtelen kiterjedésű szárny esetén. Mivel azonban siklóernyőink szárnya véges terjedelmű, az előbbi feltételezést ki kell igazítanunk. A véges terjedelmű szárnyak körül az áramlás ugyanis nem egészen az eredeti áramlás irányát követi, hanem attól eltér. Az áramlás térbeli lesz, egyrészt a haladási iránnyal szöget zár be, másrészt örvények keletkeznek a szárnyvégeken és a kilépőél teljes hosszában. 

alt
14.ábra: Az indukált ellenállás térben





A felhajtóerő keletkezésének okát vizsgálva megállapítottuk, hogy a szárny alatt túlnyomás, felette pedig szívás keletkezik, ami együttesen adja a felhajtóerőt. Ez a nyomáskülönbség - amellett, hogy a repülést lehetővé tevő felhajtóerőt létrehozza - a szárnyvégeknél igyekszik kiegyenlítődni. A kiegyenlítődés azzal jár, hogy alul a szárnyvégek felé, felül pedig a szárnyvégektől közép felé is áramlik a levegő. Ez a nyomáskiegyenlítődési folyamat okozza a szárnyvégeken is, és a kilépőél teljes hosszában is a járulékos örvénylést: (Az eredeti örvények a szárny alaki ellenállásának következményei.). A most leírt légellenállást - amely a felhajtóerő keletkezésének egy kellemetlen velejárója - indukált ellenállásnak nevezzük, ami a már korábban megismert alaki és súrlódási ellenállással együtt adja a szárny összellenállását.

alt
15.ábra: Az indukált ellenállás három nézetben





A siklóernyő szárny összellenállásának jelentős részét az indukált ellenállás teszi ki. Csökkentése tehát jelentős lehet a siklóernyő teljesítménye szempontjából. 

Az indukált ellenállás leginkább a kedvező oldalviszony kialakításával csökkenthető. Ugyanolyan felületű szárnyak körül a karcsúbb, nagyobb oldalviszonyú szárny indukált ellenállása a kisebb. Azon ugyanis a felhajtóerő eloszlása miatt kisebb nyomáskülönbségnek kell kiegyenlítődni a szárny körül és emiatt lesz kisebb az indukált ellenállása. 

Az előbbiekből következően célszerűnek látszik igen nagy oldalviszonyú szárnyak alkalmazása a siklóernyőknél. Az oldalviszony minden határon túl való növelésének azonban elsősorban stabilitási problémák szabnak határt. A siklóernyőknél ritka az 1:5-ös oldalviszonynál nagyobb vetített oldalviszony. 

A felhajtóerő szárny menti eloszlása a szárny alaprajzától is függ. E tekintetben az ellipszis felület eloszlású szárny a legkedvezőbb (ez nem feltétlenül ellipszis alakot jelent).  

Ha a szárnyvéget elcsavarjuk, tovább csökkenthetjük az indukált ellenállást. Az elcsavarás egyrészt megoldható úgy; hogy a szárnyban végig egyforma profilt használunk, és néhány fokkal mindkét szárny végét egyenlő mértékben elcsavarjuk, csökkentve az állásszöget. Ezt geometriai elcsavarásnak nevezzük. Abban az esetben, amikor a szárnyvég utolsó néhány bordájának formáját változtatjuk meg, aerodinamikai elcsavarásról beszélünk. 

Az elcsavarással -siklóernyő esetében- azonban a szárny alaktartási, stabilitási tulajdonságát, a szárnyvégek aláhajlásának hajlamát is befolyásoljuk. Ezért az indukált ellenállás rovására siklóernyőknél ellenkező irányban csavarják el a szárnyvéget, ezzel feszítve ki a szárnyat. Egyes versenytípusoknál a szárnyvég elcsavarásának mértéke az állásszög, vagyis gyorsítás függvényében változik. 







Stabilitás


A siklóernyő stabilitása két dolgot jelent. Egyrészt azt, hogy a szabadon repülő (tehát magára hagyott) siklóernyő képes legyen külső beavatkozás nélkül repülni. A másik pedig az, hogy a siklóernyő - ha nyugodt repülését külső erő (légkör, pilóta) megzavarja - képes legyen stabil repülési helyzetét visszanyerni. A stabilitás konstrukciós kérdés, tehát a siklóernyő méretezése, geometriai és aerodinamikai kialakítása határozza meg. Azonban befolyással van rá az elhasználódás közben megváltozó zsinórhosszak, sérülések okozta felülethibák, anyagkopásból eredő légáteresztés, stb. Ez utóbbiakat a siklóernyő rendszeres (évente ajánlott) ellenőrzése nyomán feltárt hibák kijavításával (pl. a zsinórok cseréjével) magunk is befolyásolhatjuk. 

A siklóernyő három képzeletbeli tengely körül mozdulhat el. Stabilitását e három tengely körül kell biztosítanunk.  



Iránystabilitás 

Az iránystabilitást a repülőgépek függőleges vezérsíkjához hasonlóan az ívelt siklóernyős szárny aránylag nagy függőleges vetülete biztosítja, amelyet esetenként stablapok is javítanak. 



Keresztstabilitás 

A konstrukcióból adódóan a "szerkezet" súlypontja gyakorlatilag a pilóta, aki mélyen a szárny alatt van, ezért igen nagy a kereszt és hosszirányú stabilitás, ezért nincs szükség a repülőgépeken alkalmazott V alakú szárnyra, vagy egyéb keresztstabilitást biztosító megoldásokra. 



Hosszstabilitás 

Az alacsony súlypont a hosszstabilitásnak is kedvez. Azonban az ernyő előre, vagy hátrabillenése az állásszög megváltozását is jelenti. Az állásszög változásával nemcsak a szárnyon keletkező légerők nagysága és egymáshoz mért aránya változik, hanem azok keletkezésének helye is, amit nyomásközéppontnak nevezünk. Az ívelt szelvényeknél a nyomásközéppont-vándorlás eléggé nagy mértékű. A szimmetrikus és az ún. "S" középvonalú profiloké azonban igen kicsi. A rossz szárnyprofil okozta nyomásközéppont-vándorlás (az állásszög növelésével előre vándorol, csökkenésével pedig hátra) megbontja a siklóernyő hosszanti egyensúlyát, az ernyő hintázni kezd. 



Stabilitás osztályozása


Az ernyők repülési alkalmasságát, biztonságosságát - amely lényegében stabilitási tulajdonságuk- gyártóktól független szervezetek is vizsgálják. Az egyik legelismertebb a DHV (Deutscher Hängegleiter Verband), amely egytől háromig osztályozza a siklóernyőket. 

A vizsgálat során statikai (terhelési, szakító szilárdsági) méréseket is végeznek, valamint több tesztpilóta repülés közben, egy előírt repülési program végrehajtásával értékeli az ernyő tulajdonságait.  

A repülések során szándékosan idéznek elő extrém repülési helyzeteket, ezzel szimulálva a veszélyes légörvények, vagy rossz pilótamozdulatok hatását. Azt vizsgálják, hogy az ernyő ebből az extrém helyzetből milyen magasságvesztéssel, és mekkora mértékű pilóta beavatkozással tud visszatérni a normális repülési helyzetbe. 

A DHV által ellenőrzött siklóernyő típusokon feltüntetik, hogy milyen osztályba sorolták azt. Érdemes megjegyezni, hogy egy adott gyár adott típusán belül a különböző méretű ernyők között is lehet a DHV besorolásban eltérés. Az osztályok jelentése: 



DHV 1 

Siklóernyők egyszerű és nagyon ”elnéző” repülési tulajdonságokkal, kezdőknek a tanfolyam idejére, vagy közvetlenül utána, alkalmanként repülőknek, akik mindenáron biztonságban akarnak maradni. 



DHV 1-2 

Siklóernyők jóindulatú repülési tulajdonságokkal, szórványosan repülőknek, kezdő (de tanfolyamot végzett!) pilótáknak, gyakorlattal rendelkező, nyugodt repülésre vágyóknak. 



DHV 2 


Siklóernyők magas szintű repülési tulajdonságokkal és adott esetben erőteljes reakciókkal a turbulenciára vagy a pilótahibára. Több, mint egy év gyakorlattal rendelkező pilótáknak, teljesítményt, sebességet igénylőknek, olyan gyakorlott pilótáknak, akik nyugodtan akarnak nagy távokat repülni 



DHV 2-3 

Siklóernyők nagyon magas szintű repülési tulajdonságokkal és adott esetben heves reakciókkal a turbulenciára és a pilótahibákra. Több éves gyakorlattal rendelkező, teljesítményt igénylő, versenyző, tapasztalt és rendszeresen repülő pilótáknak ajánlott. 



DHV 3 


Siklóernyők nagyon magas szintű repülési tulajdonságokkal és adott esetben nagyon heves reakciókkal a turbulenciára és a pilótahibákra, kevés lehetőség a pilótahibák korrekciójára. Csak igen komoly tapasztalattal rendelkező versenyzőknek. 



Repülésmechanika


Egyenes siklás 

Egyenes, egyenletes siklásnál az ernyőre ható erők eredője nulla (Newton I.). Az ernyőre a G nehézségi erő, a Fx légellenállás és a Fy felhajtóerő hat. A felhajtóerőnél leírtak alapján a felhajtóerő és a légellenállás hányadosa állandó, ez a siklóernyő siklószáma (siklási szöge) független a nehézségi erőtől, vagyis a pilóta súlyától. Az Fx és Fy erők aránya tehát csak a siklóernyőtől (szárnyalak, állásszög) függ. 

Értelemszerűen az erők nagysága arányos a pilóta súllyal, azaz a nehezebb pilóta gyorsabban repül és jobban merül mint könnyebb társa, de ugyanolyan messze siklanak el. 


alt
16.ábra: Az egyenes siklás erőviszonyai





Természetesen egy gyenge emelésben a könnyebb pilóta jobban emelkedik kisebb merülési sebessége miatt, szembeszélben viszont nehezebb társa jut messzebbre nagyobb vízszintes sebességével.  

Versenyeken inkább a jobban terhelt, gyorsabb ernyőket használják. 



Forduló 

Az irányváltoztatáshoz a forduló belső oldalán le kell húzni a féket. Ennek hatására ezen az oldalon nő a felhajtóerő tényező és az ellenállás. Azonban nem a repülőgépeknél megszokott irányba dől meg és kanyarodik az ernyő, aminek az oka a mélyen a szárny alatt lévő súlypont.  

A megnőtt ellenállású ernyőfél sebessége csökken és az ernyő a fékezett oldal felé fordul el. 

Ha a féket nagyobb mértékben húzzuk meg, akkor a fordulóban a zsinóron lógó pilóta kitér az ernyő középpontja alól, a szárny a fékezett oldal felé dől be, és "normális repülőgépekhez" hasonlóan a szárnyon keletkező felhajtóerő is részt vesz kanyarodásban, pontosabban a vízszintes síkban, a kanyarból kifelé mutató centrifugális erőt a felhajtóerő (Fy) vízszintes összetevője (Fc) ellensúlyozza. 


alt
17.ábra: A forduló erőviszonyai





A súlyerővel (G) nem a teljes felhajtóerő tart egyensúlyt, mint egyenes sikláskor, hanem csak a felhajtóerő függőleges összetevője. Mivel a súlyerő változatlan, ezért a felhajtóerőnek nagyobbnak kell lennie az egyenes siklás esetéhez képest. Ez csekély részben a fékezéssel megnövekedett felhajtóerő-tényező útján jön létre, de döntő mértékben a sebesség növekedéséből adódik, ami természetesen egyúttal a süllyedési sebesség növekedését is jelenti.  

Minél szűkebben fordulunk, annál jobban bedől az ernyő, a felhajtóerőnek annál kisebb hányada tart egyensúlyt a súlyerővel, és így annál jobban süllyedünk. Ezt a helyzetet használja ki a merülőspirál, amikor az ernyő felhajtóerejét szinte teljes mértékben a körpályán tartásra használjuk, és "nem jut" erő a gravitáció ellen.  

A fordulóban a külső oldal sebessége nagyobb, mint a belsőé, merülési sebességük viszont azonos. A szárnyat érő levegő áramlási szöge -az állásszög- ezért változik a szárny mentén, és a külső csúcson nagy sebességnél pl. merülőspirálban olyan kicsi is lehet, hogy a szárnyvég aláhajlik. 

Az egyoldali fékezéssel a felhajtóerő eloszlása a szárny mentén aszimmetrikussá válik. A fékezett oldalon nagyobb felhajtóerő képződik, és ez visszadönteni igyekszik az ernyőt. Ezért javítható a kanyarodás hatásfoka a pilóta súlypontjának áthelyezésével, a forduló belső oldalára történő rádőléssel a beülőben. 



Gyakorlati aerodinamika


A fejezet előszavában jeleztük, hogy lényegesen bonyolultabb jelenségekkel van dolgunk, mint azt gondoljuk. Jó példa erre a beülő-pilóta "rendszer", amelynél kevesen gondolnák, hogy a pilóta testtartásának hatására az alaki tényező nagyobb mértékben változik mint a homlokfelület, azaz a nagyobb felület ellenére kisebb légellenállás mérhető. 

(felhasználva a Forgó Szilárd fordítását, a Cross Country magazin 53. és 55. számában megjelent képeket, cikkeket) 

Szélcsatorna mérések során megállapították, hogy egy közönséges beülőben ülő pilóta légellenállása 10 m/s szélnél gyakorlatilag alig függ a beülő típusától. Mindössze kis különbségek adódtak a protektor nagysága, alakja miatt. Mérhető azonban a különbség a pilóta testtartása függvényében. 

Az ábrákon az látható, hogy ha a pilóta kényelmesen hátradől a beülőben, akkor a legkisebb az ellenállása: 


alt
18.ábra: A kényelmesen hátradőlő pilóta körül kialakuló áramlási kép

míg ha előredől, úgy hogy a feje a hevederek közé kerüljön akkor kb. 75 %-kal nagyobb: 

alt
19.ábra: Az előrehajló pilóta körül kialakuló áramlási kép





Meglepő, hogy ha a pilóta hanyatt fekszik annak érdekében, hogy minimálisra csökkentse a légellenállást keltő felületet, akkor éppen ellenkező hatást ér el, hiszen légellenállása növekszik.  

alt
20.ábra: A hátra fekvő pilóta körül kialakuló áramlási kép





Ezt több beülővel tesztelték, de mind hasonló eredményt hozott. Ennek oka, hogy hanyatt fekve a beülő hátsó része felgyűrődik, lelóg és mélyebbre kerül ami akadályozza a levegő egyenletes áramlását.  

Persze ez a probléma nem merül fel, ha a beülő úgy van megépítve, hogy ilyenkor felemeli az ülőlapot és vele a beülő hátsó falát. Az új versenybeülőknél hanyatt fekvéssel valóban csökken a légellenállás.  

A pilóta karjainak helyzetét vizsgálva, valamivel kedvezőbb a légellenállás, ha a könyök nincs kitárt helyzetben.  

Tehát nem érdemes a légellenállás csökkentése érdekében a beülőben hanyatt feküdni (kivéve a direkt erre tervezett versenybeülőket), hanem célszerű kényelmesen hátradőlni, anélkül hogy a testünk kiegyenesedne. Jó ha a lábunkat behúzzuk és ügyelünk rá, hogy a könyökünk ne nyúljon ki oldalra.  



Fontos fogalmak

  • légellenállás
  • siklószám
  • stabilitás
  • polárgörbe    lamináris
  • turbulens
  • DHV
  • Indukált ellenállás    merülősebesség
  • állásszög
  • átesés
  • határréteg