Yliäänikone

F/A-18 Hornet rikkoo äänivallin

Yliäänikone eli yliäänilentokone eli ylisooninen lentokone pystyy lentämään ainakin hetkellisesti vaakalentoa äänen nopeutta suuremmalla nopeudella.

Pääosa näistä yliääninopeuden saavuttavista lentokoneista on sotilaslentokoneita. Poikkeuksen tekivät vain neuvostoliittolainen Tupolev Tu-144 ja ranskalais-englantilainen Concorde - matkustajakoneet, joiden molempien käyttö on taloudellisesti kannattamattomana lopetettu. Jos kone pystyy ylittämään äänivallin vaakalennossa ilman jälkipolttoa, niin siitä käytetään nimitystä supercruiser. Tu-144 ja Concorde lensivät useita tunteja kaksinkertaisella äänennopeudella ilman jälkipolttoa. Hävittäjälentokoneet pystyvät yleensä lentämään yliääninopeudella vain enintään muutamia kymmeniä minuutteja.

Ongelmia 1940-luvun hävittäjissä

Yliääninopeudella lentämisen ongelmat alkoivat ilmestyä toisen maailmansodan alussa nopeimpien koneiden siipien ja potkurien lapojen kohdatessa syöksyssä ilman kokoonpuristumisesta johtuvia ongelmia. Paikallisesti virtaus oli ylisooninen. Syntyvä paineaalto aiheutti koneeseen tärinää (buffeting-ilmiö) ja ohjainten tehottomuutta.

Englantilainen hävittäjäkone Hawker Typhoon oli RAF:in koneista se, jossa ongelmaa puitiin eniten. Sen siipi oli 18 % paksu (siipi/jänne), jotta siipeen sopi riittävän lujuuden takaava siipisalko, tarpeeksi polttoainetta ja 4 tykkiä. Amerikkalaisen Mustang-hävittäjän siipiprofiili oli 1930-luvulla kehitetty laminaariprofiili. Vaikka sekin oli paksu, sen paksuin kohta oli paljon taempana kuin Typhoonin siivessä. Spitfire Mk XI lensi nopeudella Mach 0,92 ilman transsoonisen lennon ongelmia – sen siipi oli vain 13 % paksu.

Yhdysvaltain Lockheed P-38 Lightning -hävittäjälentokone kohtasi syöksyssä samanlaisia ongelmia. Koneen korkeusperäsin oli suurella nopeudella syöksyessä hyvin tehoton. Siihen asennettiin "syöksyjarru" (dive recovery flap), jolla muutettiin virtausta jotta ohjattavuus palautui. Toinen amerikkalainen kone, jossa esiintyi suurilla nopeuksilla ilman kokoonpuristuvuusongelmia oli Republic P-47 Thunderbolt. Sekin varustettiin "syöksyjarrulla" kuten P-38.

Tutkimusta ja teoriaa

Jo ennen toista maailmansotaa Saksassa ylisoonista virtausta tutkivat mm. Adolf Busemann ja Albert Betz Göttingenissä. Betz ehdotti nuolikulmaista siipeä 1935.

Ylisooninen lento nähtiin niin vaikeaksi, että alettiin puhua äänivallista, joka olisi vaikea murtaa tai ylittää. Lentokoneen vastus kasvoi äänen nopeutta lähestyttäessä (alkaen nopeudella 0,7-0,8 Mach jolloin ilman kokoonpuristuvuus alkaa näkyä), tiivistysaallot aiheuttivat tärinää ja ohjaamisvaikeuksia ja siiven painejakauma muuttui niin että koneen nokka pyrki enemmän alaspäin. Esim. konekiväärien luodit lähtivät kolminkertaisella äänennopeudella, mutta niissä ja ohjuksissa ei tarvinnut pohtia nostovoimaa ja siitä aiheutuneita momentteja. Alisoonisella nopeudella lentokoneen siiven painekeskiö on aliääninopeudella likimain 25% (siiven jänteen pituudesta) siiven etureunasta taaksepäin ja siirtyy yliääninopeudella 50% kohdalle. Tämä aikaansaa muutoksen siihen siiven momenttiin joka kääntää lentokoneen nokkaa alaspäin. Painopisteen ja aerodynaamisen keskiön välinen etäisyys kasvaa, mikä tekee koneen ohjattavuuden kankeammaksi.

Koneen siipi piti mitoittaa ylisoonisen nopeuden mukaan, mikä suurensi lentoonlähtö- ja laskeutumisnopeutta. Kiitotiet pidentyivät tämän takia.

Siiven profiilin ohuus ja nuolikulmassa oleva siipi vähentävät näitä ongelmia. Eräs keino tehdä suurnopeuslentokone, jolla on siedettävän alhainen nousu- ja laskunopeus, on käyttää kääntyvää siipeä (VG, variable geometry). Tämä on ollut ratkaisuna esim. MiG-23 ja F-14 -koneissa.

Deltasiipi oli käytössä Alexander Lippischin suunnittelemassa Me 163B Komet -rakettihävittäjässä. Se lensi enintään Mach 0,83 nopeudella. Myöhemmin deltasiipi oli suosittu monissa hävittäjissä, esim. MiG-21, Mirage ja Draken.

Suurella ylisoonisella nopeudella lentävistä koneista nopein suihkuturbiinilla varustettu kone on SR-71-tiedustelukone. Sen rakenteessa on otettu huomioon merkittävä ilman kitkan aiheuttama rakenteiden kuumeneminen. Rakenteet ovat ennen lentoa "kylmänä" niin väljät, että esim. polttoainetankit vuotavat. Lentokone on maalattu kuumaa kestävällä maalilla, joka säteilee lämpöä pois pinnasta mahdollisimman tehokkaasti. Korkean lentokorkeuden takia se joutuu käyttämään erikoiskerosiinia, jonka haihtuminen alhaisessa ilmanpaineessa ei kasva liian suureksi. Ylipäätään lentokoneet eivät pysty saavuttamaan suurta ylisoonista nopeutta matalalla lentokorkeudella suuren vastuksen takia.

Ylisooninen matkustajakone

1960-luvun lopussa ja vielä 1970-luvulla pohdittiin nopeita matkustajakoneita. Boeing luopui näistä kaavailuista ensimmäisenä. Mm. englantilainen BAC-yhtiö pohti 500-paikkaista 5-kertaisella äänennopeudella lentävää lentokonetta 1975. NASA palasi tähän teemaan 1980-luvulla NASP-koneessa. Avaruussukkulat ja X-15-koekoneet ovat hypersoonisista lentokoneista, joiden lentonopeus on yli Mach 5, ainoat operatiiviset.

Lähteitä

• Bill Gunston, Faster than sound, Patrick Stephens Limited, Somerset, 1992, ISBN 1-85260-317-8