Lentokoneen siipi

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Kuvassa etualalla järvestä nostetun Brewster-lentokoneen siipi. Siiven yläpinnan muoto näkyy runkoa vasten.

Lentokoneen siipi on kiinteäsiipisen ilmaa raskaamman ilma-aluksen nostovoiman luova rakenne.

2000-luvulla siiven käsite on voinut näennäisesti hämärtyä, koska lentokoneen siipi ja runko voivat yhdentyä, esimerkiksi lentävä siipi tai ”lifting body” -tyyppisissä lentokoneissa, mutta edelleen on olemassa suurimman osan ilma-aluksen nostovoimasta aerodynaamisesti tuottava rakenne. Siipi tuottaa nostovoiman kulkiessaan ilman lävitse pääasiassa aikaansaamalla alipaineen siiven yläpinnan etuosaan ja taittamalla ilmavirtaa (alastaite). Siksi siivellä on virtaviivainen muoto, siiven poikkileikkaus, siipiprofiili, määrää siiven aerodynaamiset ominaisuudet: nostovoiman, vastuksen ja sakkauksen eli virtauksen irtoamisen. Siiven tasomuoto vaikuttaa tähän nostovoiman riippuessa siipipinta-alasta. Siipi ja sen nostovoima tuottavat suuren osan lentokoneen vastuksesta. Siivelle nostovoiman on 1–2 kertalukua suurempi kuin vastus.

Siipiprofiili[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Siipiprofiili
Siipiprofiilin osat. Termit: angle of attact=kohtauskulma eli vapaan virtauksen (relative wind) ja siipiprofiilin jänteen välinen kulma; chord=siipiprofiilin jänne; leading egde=etureuna; trailing edge=jättöreuna; upper camber=siiven yläpinnan kaarevuus; lower camber=siiven alapinnan kaarevuus. Kaarevuuksien summa on siipiprofiilin paksuus.
Wingletin siipiprofiili, PSU 90-125WL

Siipiprofiilille olennaisia parametreja

  • pyöreä etureuna, jonka alueelle syntyy patopiste, jossa virtaus pysähtyy
  • yleensä terävä jättöreuna
  • jänteen pituus
  • profiilin paksuus ja etenkin profiilin paksuimman kohdan sijainti profiilin etureunasta taaksepäin mitaten vaikuttavat profiilin nostovoimaan, vastukseen, nokka-alas-momenttiin ja sakkaukseen eli virtauksen irtoamiseen suurilla kohtauskulmilla. Paksuusjakauma määrittelee profiilin ominaisuudet, esim. sen onko profiili perinteinen vai 1950-luvulla kehitetty laminaariprofiili. Eri profiilimuodot tunnetaan niiden kehittäjien mukaan muun muassa NACA-, Göttentigen ja Tsagi-profiileina.
  • yleensä profiilin ja siiven yläpinta on kaarevampi kuin alapinta. Myös symmetrinen profiili käy muun muassa ohjainpintoihin – kuten sivuperäsin ja korkeusperäsin – ja taitolentokoneen siipiin.[1] Siipiprofiilin suurempi kaarevuus kasvattaa siiven momenttia mutta myös maksiminostovoimaa.
  • siiven pinnan tulee olla sileä, mutta virtauksen irtoamisen estämiseksi etureunan alavirrassa voidaan pintaan tehdä tahallisesti karheutta, joka muuttaa laminaarin virtauksen turbulentiksi. Laminaariprofiileissa on erityisen tärkeätä pitää siiven etureuna puhtaana, koska laminaari rajakerros ei kestä likaa jne. siiven pinnalla.

Siipiprofiilin tuottama nostovoima on verrannollinen virtauksen kohtauskulmaan siiven jänteen suhteen siihen asti, kun virtaus irtoaa sakkauskohtauskulmalla (tyypillisesti 15 astetta).

Siiven rakennetta

Siipien lukumäärä ja sijainti suhteessa runkoon[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Siipien lukumäärä (siipi on tässä vasemman ja oikean siiven ja ns. välisiiven muodostama kokonaisuus)

  • ”Ei siipiä”
    • Lifting body – runko tuottaa nostovoiman, esimerkiksi X-24B ”Lentävä kivi” -sukkulan kehitystyössä 1960-luvulla.
    • Moottoriteholla lentäminen – esimerkiksi Harrier nousussaan, mutta tätä menetelmään käyttävää varsinaista siivetöntä ilma-alusta ei ole ollut kuin McDonnell-Douglasin Delta Clipper-sukkulaskenaarion koealus 1990-luvun alussa, joka sekin pystyi vain leijuntaan, ei esim. matkalentoon.
  • Yksi siipi (monoplane) – yleisin tapaus 1930-luvun jälkeen. Siipi voi olla rungon suhteen
    • alasiipi (low wing) – rungon pohja ja siiven pohja samalla tasolla
    • keskisiipi (mid wing) – siipi kiinnittyy korkeussuunnassa rungon puoliväliin
    • yläsiipi (high wing) – siipi on rungon yläosassa
      • olkasiipi (shoulder wing) – siipi kiinnitetty rungon yläosaan
    • ”Parasol wing” – siipi on rungon yläpuolella tukien varassa
" "
Alasiipi
" "
Keskisiipi
" "
Yläsiipi
" "
”Parasol wing”

Siipiä on nykyisin päällekkäin vain yksi, mutta 1900-luvun alussa useitakin:

  • kaksitaso – kaksi suunnilleen samankokoista siipeä päällekkäin - väistyi 1930-luvulla, kun lentokoneen rakenteet muuttuivat metallisiksi ja pyrittiin pienempään vastukseen
    • ”Sesquiplane” – alempi päällekkäisistä siivistä on paljon pienempi
  • kolmitaso - kolme siipeä päällekkäin, ensimmäisessä maailmasodassa tällaiset koneet olivat osan aikaa sodasta liikehtimiskykyisempiä kuin 1- tai 2-tasoiset.
  • nelitaso - neljä päällekkäistä siipeä
  • monitaso - kokeilijat 1900-luvun alussa rakensivat tällaisia huonolla menestyksellä. 9-tasoinen Caproni Ca.60 lensi vain lyhyen matkaa ennen tuhoutumistaan.
" "
Kaksitaso
" "
1,5-taso
" "
Kolmitaso
" "
Monitaso

Tandem-siiveksi kutsutaan tilannetta, jossa lentokoneessa on kaksi peräkkäistä likimain samankokoista siipeä. Kaksitasoisissa koneissa ylempi siipi on usein hieman edempänä kuin alempi siipi. Tämä luo stabiilisuutta. Päinvastainen konfiguraatio on Beechcraft Staggerwing -koneessa.

" "
Siivet päällekkäin
" "
Yläsiipi edempänä
" "
Yläsiipi taaempana

Siipi tuetaan nykyisin siiven sisällä olevilla rakenteilla pieniä hitaita yleisilmailukoneita jne. lukuunottamatta. Aikojen kuluessa siiven tuennassa on käytetty monenlaisia ratkaisuja:

  • itsekantava siipi (cantilever wing)
  • tuettu (braced) ulkoisten tukien avulla runkoon ja mahdolliseen toiseen jne. siipeen. Käytössä tukina on palkkeja, tankoja (struts, esimerkiksi Cessna 150) ja vaijereita. Tuet vähentävät siiven rakennepainoa mutta lisäävät siiven vastusta.
" "
" "
Itse kantava sipi
" "
" "
Tuettu siipi
" "
" "
Vaijerijäykistys
" "
Single-bay biplane
" "
Two-bay biplane
Blériot III
  • Suljettu siipi – siivet yhdistetty päistään rakenteen jäykistämiseksi
" "
Box wing
" "
Annular box wing
" "
tasomainen rengasmainen siipi
" "
sylinterimäinen siipi

Siipi voi olla

  • jäykkä
  • joustava – esimerkiksi painopisteohjatut ultrat

Siiven tasomuoto vaikuttaa vastukseen ja sakkausominaisuuksiin. Muuttuvan geometrian siipi on eräs ratkaisu hidaslennon ja nopean lennon vaatimuksiin siivelle.

Siiven sivusuhde[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sivusuhde on siiven kärkivälin ja keskimääräisen siiven profiilin jänteen välinen suhde. [2]

  • pieni - lyhyt siipi on rakenteellisesti luja ja koneen vastus suurille lentonopeuksilla pieni, mutta hidaslento on vaikeaa, esim. Lockheed F-104 Starfighter.
  • keskisuuri - aliääninopeuksellinen lentokone, esimerkiksi Lockheed P-80 Shooting Star
  • korkea esimerkiksi purjelentokoneet ja matkustajalentokoneet.
" "
Pieni siipisuhde
" "
Keskisuuri siipisuhde
" "
Korkea siipisuhde

Siiven nuolikulma[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Siiven nuolikulma vähentää vastusta suurilla nopeuksilla. Sillä on vaikutusta stabiliteettiin ja painopisteen ja aerodynaamisen keskiön väliseen asemaan.

  • suora siipi – luja rakenteellisesti, helppo valmistaa, sopii alisooniseen lentonopeusalueeseen
  • viistetty (swept back) – siirtää tiivistysaaltojen syntyä
  • viistetty eteenpäin - sama vaikutus kuin taaksepäin viistämisellä, mutta rakenteellisesti paljon vaikeampi ratkaisu, esimerkiksi HFB-320 Hansa Jet.

Muuttuva geometria

" "
Suora siipi
" "
Nuolikulmainen siipi
" "
Negatiivinen nuolikulma
" "
Muuttuva nuolikulma
(swing-wing)
" "
”Oblique wing”

Nuolikulma voi pysyä vakiona tai muuttua tyvestä siiven kärkeen

" "
Crescent
" "
Cranked arrow
" "
M-wing
" "
W-wing

Siiven muoto[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • tasaleveä siipi, esimerkiksi Short Skyvan.[5] Rakenteellisesti tasaleveä siipi on helpoin valmistaa, mutta sen rakenteen paino on suuri.
  • elliptinen siipi, esimerkiksi Supermarine Spitfire, tuottaa kohtauskulman kasvaessa ja virtauksen lopulta irrotessa sakkauksen, jossa kone ei kaadu, sakkaus alkaa leveästä tyvestä.
  • kärkeä kohti lineaarisesti leveydeltään muuttuva siipi
  • linnun siiven kaltainen siiven muoto oli 1900-luvun alussa kokeiltu versio, esimerkiksi Etrich Taube.
  • ympyrämäinen – esimerkiksi Vought XF5U-konekone
    • lentävä lautanen, esimerkiksikanadalainen Avrocar-konekone
    • rengasmainen – kokeiltu 1900-luvun alussa. [6].
" "
Suora siipi
" "
Elliptinen siipi
" "
Kapeneva siipi
" "
Levenevä siipi
" "
Levenevä ja kapeneva siipi
" "
Trapetsinen siipi
" "
Ympyrämäinen siipi
  • delta-siipi
    • Korkeusvakaumeton deltasiipi, Dassault Mirage III
    • deltasiipi korkeusvakauttimella, esimerkiksi MiG-21
    • katkaistu delta – siiven kärjellä äärellinen leveys
    • tupladelta, esimerkiksi Saab Draken
    • viinilasi-delta (ogival delta),esimerkiksi Tupolev Tu-144
" "
Pyrstötön delta
" "
Pyrstöllinen delta
" "
Katkaistu delta
" "
Tupla-delta
" "
Ogival delta

Pyrstö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pyrstö

  • perinteinen – erillinen korkeusvakautin”siipi” pyrstön perässä
  • canard – korkeusvakautin ja peräsin rungon etuosassa, yleinen 5. sukupolven hävittäjissä, esimerkiksi Saab Viggen.
  • tandem – kaksi pääsiipeä, esimerkiksi Rutan Quickie.
  • pyrstötön
" "
Perinteinen
" "
Canard
" "
Tandem
" "
Tandem triple
" "
Pyrstötön

Siiven V-kulma[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

V-kulma (siiven kärjen ja tyven välinen korkeusero) vaikuttaa lentokoneen stabiiliuuteen

" "
Positiivinen V-kulma
" "
Negatiivinen V-kulma

V-kulma voi muuttua matkalla tyvestä kärkeen

" "
Lokin siipi
" "
Käänteinen lokin siipi
" "
Cranked wing
" "
Channel wing

Lentävä siipi, nostovoimaa tuottava runko[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Siipi ja runko voivat hoitaa toistensa tehtäviä tai olla erillisiä

  • lentävä siipi, kuten häiveteknologialla suojattu B-2 Spirit
  • ”Blended body” – runko, joka tuottaa nostovoimaa, esimerkiksi McDonnell XP-67 Bat
  • ”Lifting body” – ei lainkaan siipiä
" "
" "
Lentävä siipi
" "
" "
Blended body
" "
" "
Lifting body

Siiven muuttuva geometria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

" "
Muuttuva nuolikulma
(swing-wing)
" "
Kääntyvä siipi
 
" "
Teleskooppinen siipi
 
" "
Jatkettava siipi
 
" "
Taittuva siipi, ei tässä tarkoita esimerkiksi tukialusten varastointia varten saranoituja siipiä
 

Siiven asetuskulma[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Siiven asetuskulma on siiven tyviprofiilin jänteen ja koneen pituusakselin välinen kulma. Sillä aikaansaadaan nostovoimaa, kun lentokone lentää vaakalentoa ja lentokoneen runko on tällöin vaakasuorassa sisällä olevien matkustajien jne. kannalta. Asetuskulma voi olla

  • Kiinteä tehtaalla asennuksessa määritetty. Tämä on yleisin tapaus.
  • Muuttuvaa asetuskulmaa on lähinnä käytetty tulialuksilta operoiville hävittäjille, esimerkiksi Vought F-8 Crusader käänsi siipeä suuremmalle asetuskulmalle (kohtauskulmalle) lentoonlähdössä.
  • Siipiprofiilin vaihtuva kaarevuus (variable camber) aikaansaadaan nostovoimaa lisäävillä etu- ja jättöreunalaitteilla.
" "
Vaihtuva asetuskulma
" "
Vaihtuva kaarevuus

Siiven lisälaitteet ja -osat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Airbus A319 laskussa.

Hidaslennossa siiven nostovoimaa lisätään jättöreunaan liittyvillä laipoilla. Sekä hidaslennossa että liikehdinnässä etureunaan asennetut solakot lisäävät nostovoimaa ja siirtävät sakkausta korkeammalle kohtauskulmalle. Erittäin voimakkaassa liikehdinnässä pyörteittimet siiven etureunassa estävät virtauksen irtoamista. Siiven ylä- ja alapinnan paine-ero pyrkii tasoittumaan siten, että virtausta tapahtuu siiven tyvestä kärkeen muodostaen kärkipyörteen. Rajakerrosaidat siiven pinnalla vähentävät tätä virtausta ja sen aikaansaamaa häviötä. Winglet toimii samalla periaatteella siiven kärjessä.

Laipat

Muut osat

  • ”Chine” – siiven tyven ja rungon sovite, esimerkiksi Lockheed SR-71 Blackbird.
  • ”Viiksi” – kiinteä canard, esimerkiksi Tupolev Tu-144.
  • siipiaita (wing fence) – vähentää virtausta tyvestä kärkeen
  • pyörteitin (turbulaattori), siiven epäjatkuvuuskohta
  • fairing, muotokappaleet vastuksen vähentämiseksi

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. E. V. Laitone, Wind tunnel tests of wings at Reynolds numbers below 70 000, Experiments in Fluids 23, 405 (1997).
  2. Kermode, A.C., Mechanics of Flight, Chapter 3 (p. 103, eighth edition)
  3. Flight Global reference to a study on the M-wing.
  4. a b A study into both "M" wing and "W" wing planforms
  5. 3-view of the Short Skyvan
  6. http://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1962/1962%20-%202565.html letter from Hall-Warren, N.; Flight International, 1962, p 716.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Lentokoneen siipi.