2.3.1 Siiven pituuden vaikutus virtaukseen

3D virtaus

Nostovoiman synty esitettiin pyörivän äärettömän pitkän lieriön avulla ja selitettiin sen avulla äärettömän pitkän siiven nostovoiman synty, nostovoima ja vastus. Nostovoima syntyi kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan ja vastus viratuksen suuntaan. Tämä pitää paikkansa vain äärettömän pitkälle lieriölle ja siivelle. Todellisessa tilanteessa virtaus muuttaa lieriön takana suuntaansa alaspäin sitä enemmän mitä suurempi nostovoima ja mitä lyhyempi lieriö eli siipi. 

 

Kuva: Virtauksessa siiven takana virtaus taittuu alaspäin. Kohtauskulma on vapaan virtauksen ja jänteen välinen kulma. Suhteellisen virtauksen suunta on tulo- ja jättö­virtauksen suunnan keskiarvo, eli noin puolivälissä alas taittuneen virtauksen ja vapaan virtauksen suunnasta. Äärellisen siiven tapauksessa virtauksen suunnan muutoksen suuruus riippuu paikasta ja siiven ominaisuuksista. Tästä seuraa myös, että suhteellisen virtauksen suunta ei ole vakio pitkin siipeä, mikä myös on syy siihen, että on sovittu nostovoiman suunnaksi kohtisuoraan vapaata virtausta vastaan, koska se on selkeä suunta ja sama koko siiven pituudella.

Kärkipyörre

Aikaisemmissa kohdissa on jätetty huomiotta siiven pituuden ja muodon vaikutukset olettamalla, että virtaus on sama koko siiven pituudelta. Todellisuudessa näin ei ole, sillä rungon ja siipeen liitettyjen ulkonevien osien ja erikoisesti siiven kärkien vaikutuksesta virtauskuvio muuttuu. Aiemmin totesimme siiven ylä- ja alapinnan välisistä virtausnopeuseroista aiheutuvan paine-eron. Tuntuisi luonnolliselta, että tämä paine-ero pyrkisi tasoittumaan esimerkiksi siiven kärkien ympäri. Näin tapahtuukin ja se havaitaan siiven alapuolelta kärjen kautta yläpuolelle tapahtuvana kärkipyörteenä, jollainen on esitetty seuraavassa kuvassa. Kärkipyörre ja siipi kääntävät virtauksen alas päin, mikä kääntää suhteellista virtausta ja synnyttää indusoidun vastuksen.

Kuva: Savujen avulla havainnollistettuja kärkipyörteitä. Kärkipyörre liittyy siiven takana alas päin suuntautuneeseen virtaukseen eli alastaitteeseen ja muodostaa sen kanssa "hevosenkenkäpyörteeksi" ristityn virtauksen.

 

Kuva: Kärkipyörre syntyy, kun siiven alas painama virtaus pyrkii kärjen ympäri kiertämään siiven yläpinnalle. Koska siipi liikkuu samaan aikaan eteen päin, pyörteestä tulee spiraalin muotoinen.

Mikäli katsotaan tällaista kärkipyörrettä takaapäin, voidaan havaita se kuvan alempana olevan kuvan kaltaiseksi. Tällaisen pyörteen voi havaita esimerkiksi lentokoneen laskeutuessa lumisateessa tai kiitoradalle, jossa on juuri satanutta, irtonaista lunta. Pyörteen voimakkuus on verrannollinen koneen massaan ja kääntäen verran­nollinen koneen kärkiväliin. Tämä selittää sen, että suurien matkustajakoneiden taakseen jättämä pyörre on jopa niin voimakas, että pikkukoneen joutuessa siihen jopa muutamia minuutteja jälkeenpäin pyörre voi paiskata pienkoneen vaakakierteeseen tai jopa syöksykierteeseen. Koska on vaikea tietää, tällaisen pyörteen olemassa oloa erityisesti lähellä isojen koneiden käyttämiä lentokenttiä, on varauduttava tällaistenkin yllätysten varalta. Lennonjohto porrastaa mm. tästä syystä lähtevät ja saapuvat koneet riittävästi, jottei jättöpyörre aiheuttaisi ongelmia. Vaarallisinta on stabiililla säällä kevyt, takaviistosta puhaltava tuuli, jolloin jättöpyörre voi ajautua kiitoradan yläpuolelle perässä tulevan koneen kiusaksi.  Turvallisin tapa varautua jättöpyörteeseen on pitää riittävän suurta ilmanopeutta, jotta kone pysyisi ohjaajan hallinnassa myös tällaisessa tilanteessa tai yllättävässä puuskassa. Laskukierroksen myötätuuliosalla voisi käyttää nopeutta 1,3 – 1,4 x V_S , ja pienentää sitä vähitellen 1,25 x V_S ja kynnystä lähestyttäessä haluttuun kynnysnopeuteen asti. Nopeuden pieneneminen matalalla on luvallista sen vuoksi, että maanpinta on vaimentanut kärkipyörteen voiman eikä vaara ole yhtä suuri kuin ylempänä. Kuvassa  havaitaan myös alas taittuneen nopeuden suuruutta kuvaavat vektorit. Koska lyhyellä siivellä on saatava aikaan sama nostovoima kuin pitemmällä siivellä, niin lyhyellä siivellä alas taittuneen nopeuden on oltava suurempi.

Kärkipyörre yllättää helpoiten stabiililla säällä, koska sen aiheuttajaa, yleensä isoa matkustajakonetta ei enää ole näkyvissä ja pyörre saattaa pysyä pitkään paikallaan. On eräs tapaus, jossa lähes heti hävittäjän jälkeen laskeutunut kone on joutunut jättöpyörteeseen ja menettänyt hetkeksi hallinnan. Vaarallisin kärkipyörre on heikolla takamyötäisellä tuulella painavan koneen lentoonlähdön jälkeen, jos tuuli painaa kärkipyörteen kiitoradan päälle ja pienkone lähtee välittömästi ison koneen jälkeen.

Kuva: Kärkipyörre takaa tai edestä katsottuna. Nuolet osoittavat ilmavirran alaspäin suuntautuneen komponentin ja ympyrät kärkipyörteen, joka jatkuu koneen takana ns. hevosenkenkäpyörteenä. Siiven takana virtaus suuntautuu alas. Lentokoneen painoa vastaava impulssi kohdistuu siihen ilmamäärään, johon kone vaikuttaa.

Päältä päin katsottuna kärkipyörteen vaikutuksesta virtaus kääntyy siiven yläpinnalla kohti runkoa ja alapinnalla kärkeen päin. Aiemmin äärettömän pitkän siiven nostovoimasta puhuttaessa käytimme niin ikään pyörrettä hyväksemme. Todellisen siiven pyörimisakseli suuntautuu siivenkärjistä taaksepäin siten, että puhutaan "hevosenkenkäpyörteestä". Pyörteen etuosan muodostaa siiven ympäri kiertävä pyörre ja jatkuu kärkipyörteenä kärjestä taakse päin. Tämä on esitetty seuraavassa kuvassa. Tässä kuvassa näkyy selvästi, miten kärkipyörteeseen lentäminen saattaa aiheuttaa vaaran. On huomattava, että myös helikopteri jättää jälkeensä vastaavan pyörteen.

Kuva: Hevosenkenkäpyörre. Painavan koneen kärkipyörre on niin voimakas, että pienkone on vaikeuksissa, jos se lentää siihen ennen pyörteen vaimenemista. Normaalisti kärkipyörre heikkenee 1 – 2 minuutissa vaarattomaksi. Stabiilissa säässä vaikutus viipyy pisimpään.

Google: kärkipyörre, Horseshoe vortex,

Maaefekti

Lennettäessä alle koneen kärkivälin etäisyydellä maanpinnasta kärkipyörre ja alastaite pakkautuvat siiven ja maan väliin, jolloin siiven alapintaan kohdistuva paine kasvaa ja siipi kantaa paremmin ja indusoitu vastus pienenee. Tämä ilmiö on sitä voimakkaampi mitä matalammalla ja mitä suuremmalla kohtauskulmalla lennetään. Maaefektiä voi hyödyntää etenkin, jos lähdetään lentoon pehmeältä kiitoradalta siten, että kevennetään konetta käyttämällä laskusiivekkeitä ja sopivaa kohtauskulmaa kunnes kone irtoaa pinnasta. Tämän jälkeen jatketaan kiihdytystä pyörät juuri ja juuri irti pinnasta, kunnes nopeus on kasvanut riittävästi turvallista nousua varten.

Google: lentokone maavaikutus, ground effect