Nostovoima

Siipiprofiiliin kohdistuvat voimat. Thrust on työntövoima, drag ilmanvastus, lift nostovoima ja weight painovoima.

Nostovoimalla tarkoitetaan siipiprofiilin aiheuttamaa aerodynaamista suuretta. Nostovoiman avulla lentokone pysyy ilmassa kun sen moottori tuottaa työntövoimaa.

Nostovoiman syntyminen

Yksinkertaistettuna nostovoima syntyy paine-eroista, kun siiven yläpinnalle muodostuu alipaine ja siiven alapinnalle ylipaine. Siiven yläpinnalla oleva alipaine muodostaa yleensä merkittävimmän osan koko nostovoimasta. Paine ei ole tasainen siiven pinnalla, vaan se on suurimmillaan siiven etureunassa ja pienenee siirryttäessä takareunaa kohti. Nostovoiman suuruus on painejakauma kerrottuna siiven tehollisella pinta-alalla eli $F=p\,A$.

Ilman viskositeetti ja siivenpinnan kitka aiheuttavat rajakerroksen siivenpinnan läheisyyteen. Rajakerroksessa ilman virtauksen nopeus aivan siiven pinnalla on nolla, ja mentäessä kauemmas siivestä nopeus kasvaa vapaan virtauksen nopeuteen.

Nostovoiman suuruuteen vaikutetaan vapaan ilmavirtauksen ja siipiprofiilin kohtauskulman muuttamisella. Mikäli kohtauskulmaa ei ole, symmetrisen profiilin molemmilla puolilla vallitsee yhtä suuri paine jolloin nostovoima on nolla. Kohtauskulmaa kasvattamalla siiven yläpinnalle alkaa muodostua alipainetta ja alapinnalle ylipainetta, jolloin nostovoima kasvaa. Kun kohtauskulmaa kasvatetaan tietyn rajan yli, virtaus alkaa irrota (yleensä takareunalta lähtien, joskin muitakin sakkaustyyppejä on). Kohtauskulmaa edelleen kasvatettaessa, ilmiö siirtyy lähemmäs siipiprofiilin johtoreunaa. Vaikka virtaus ei enää ole kiinni koko siiven pinta-alalla, saadaan nostovoiman arvoa edelleen kasvatettua.

Sakkaukseksi kutsutaan ilmiötä, jossa ilmavirtaus irtoaa siiven pinnalta ja osa nostovoimasta menetetään. Sakkaus lisää aina huomattavasti vastusta josta käytännössä yleensä seuraa lentonopeuden aleneminen. Pääosa menetetystä nostovoimasta on seurausta tästä. Sakkauksen torjuminen edellyttää kohtauskulman pienentämistä. Sakkaus saattaa tulla äkillisenä, sillä sitä edeltää yleensä tilanne, jolloin nostovoima on ollut suurimmillaan. Lentokoneella tai virtauskoneella sakkaustilanteesta pyritään aina mahdollisimman nopeasti pois, joskin lentokoneet käyttävät ilmiötä hyväkseen laskeutumisen yhteydessä tavoitteena nopea ja pehmeä nopeuden hidastaminen.

Nostovoiman suuruuteen vaikuttavia seikkoja ovat ilmavirran nopeus (ilma-aluksen tai potkurin lavan nopeus), ilman tiheys (lämpötila ja staattinen paine), siipipinta-ala, siiven ja ilmavirran välinen kohtauskulma, lentoasu ja siiven puhtaus (lika, jää ja vesi). Siipiprofiileille on laadittu taulukoita, joilla profiilien nosto- ja vastusvoimia voida verrata toisiinsa eri olosuhteissa. Taulukoissa voimat on laskettu nostovoima- ja vastusvoimakertoimiksi suhteessa vapaan ilman nopeuteen, jolloin nostovoiman laskeminen on huomattavasti helpompaa.

Nostovoiman yhtälö

Nostovoiman yleinen yhtälö nostovoimakertoimen avulla on

$F_{L}={\frac {1}{2}}\rho v^{2}S\,C_{L}$, missä

• $F_{L}$ on nostovoima
• ${\frac {1}{2}}\rho v^{2}$ on vapaan ilmavirtauksen dynaaminen paine
  • $\rho$ on ilman tiheys
  • $v$ on ilmavirtauksen nopeus
• $S$ on siiven pinta-ala
• $C_{L}$ on nostovoimakerroin, joka riippuu mm. kohtauskulmasta ja lentoasusta

Vastus

Lentokoneen täytyy liikkuessaan voittaa sen liikettä vastustavat voimat eli vastukset. Lentokoneen osalta kokonaisvastus jaetaan haitalliseen vastukseen ja indusoituun vastukseen. Haitallinen vastus taas jaetaan interferenssi- ja profiilivastukseen, joka taas jaetaan kitka- ja painevastukseen.

Indusoitu vastus

Indusoitu vastus aiheutuu nostovoiman synnyttämisestä ja sen synnylle on useita eri selityksiä, mutta periaate on, että indusoitu vastus on sitä suurempi, mitä suurempi on siiven virtauksen alastaipuma. Indusoitu vastus on suurimmillaan suurella kohtauskulmalla (pienellä nopeudella) ja pienellä siiven sivusuhteella (deltasiipinen). Pitkäsiipisillä purjekoneilla indusoitu vastus on pieni. Indusoitu vastus onkin kääntäen verrannollinen nopeuden neliöön. Indusoitua vastusta voidaan pienentää wingleteillä.

Kokonaisvastus

Koska nopeuden kasvaessa vahingollinen vastus kasvaa, mutta indusoitu vastus pienenee, on kokonaisvastuksen kuvaaja likimain paraabelin muotoinen. Toisin sanoen, tietyllä nopeudella (sakkausnopeuden yläpuolella) on lentokoneen kokonaisvastus pienimmillään.

Nostovoiman ja vastuksen suhde, sekä liitosuhde

Nostovoiman (L) ja kokonaisvastuksen (D) suhteen maksimiarvo (L/D)max parhailla siipiprofiileilla on noin sata ja sillä on merkitystä lentokoneen suoritusarvolaskennassa. Vaakalennossa L on koneen painon suuruinen, joten (L/D)max ilmoittaa minimivastuksen määrän. Tällä tiettyä kohtauskulmaa vastaavalla nopeudella lentokone liitää pisimmän matkan moottori sammuneena (liitosuhde). Lisäksi lentokoneella pisin toiminta-aika ja -matka saavutetaan tällä nopeudella. Lentäjä voi siis vaikuttaa koneen kohtauskulmaan ja sitä kautta koneen nopeuteen, vaikka moottorit olisivat pysähtyneet.

Liitosuhde

L/D:n antama lukuarvo on suoraan liitosuhdetta vastaava luku. Jos L/D on 10, niin kilometrin korkeudesta kone liitää 10 kilometrin matkan maahan nähden. Koneen liitosuhde on sama korkeudesta riippumatta. Koneen paino ei vaikuta liitosuhteeseen, mutta sitä vastaavaan nopeuteen kylläkin; mitä painavampi kone, sitä suurempi parhaan liitosuhteen antava nopeus.

Suuntaa antavia esimerkkejä liitosuhteista:

• purjekoneet 25–50
• pienkoneet 8–17
• liikennekoneet 12–22
• hävittäjät 4–10
• riippuliitimet 6–15
• varjoliitimet 5–12

Nostovoimaa antavat lisälaitteet

Lentokoneiden massojen kasvaminen johdatti laskusiivekkeiden ja solakoiden kehittämiseen, jotta lentoonlähtö- ja laskeutumisnopeuksia voitiin pienentää maksiminopeuden kärsimättä.

Aiheesta muualla

• Ilmailutoimittajat: Nostovoiman synty (Arkistoitu – Internet Archive)