Yliäänikone

F/A-18 Hornet rikkoo äänivallin

Yliäänikone tai ylisooninen lentokone on lentokone, joka pystyy lentämään ainakin hetkellisesti vaakalentoa ääntä 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. Koneesta, joka pystyy ylittämään äänivallin vaakalennossa ilman jälkipolttoa, käytetään nimitystä supercruiser. Tu-144 ja Concorde lensivät useita tunteja kaksinkertaisella äänennopeudella ilman jälkipolttoa. Hävittäjälentokoneet pystyvät yleensä lentämään yliääninopeudella vain 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

Äänivalli rikkoutuu

Saksalaiset Adolf Busemann ja Albert Betz tutkivat ylisoonista virtausta jo ennen toista maailmansotaa 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. Esimerkiksi konekiväärien luodit lähtivät kolminkertaisella äänennopeudella, mutta niissä ja ohjuksissa ei tarvinnut pohtia nostovoimaa ja siitä aiheutuneita momentteja.

Aliääninopeudella lentokoneen siiven painekeskiö on likimain 25 prosenttia (siiven jänteen pituudesta) siiven etureunasta taaksepäin ja siirtyy yliääninopeudella 50 prosentin kohdalle. Tämä saa aikaan 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. Tämän vuoksi tarvittiin pidempiä kiitoteitä.

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 esimerkiksi 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, esimerkiksi 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 kylminä niin väljät, että esimerkiksi polttoainetankit vuotavat. Lentokone on maalattu kuumaa kestävällä maalilla, joka säteilee lämpöä ulos pinnasta mahdollisimman tehokkaasti. Korkean lentokorkeuden takia kone 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. Tupolev Tu-144 ja Concorde olivat ainoat, jotka saatiin reittiliikenteeseen asti, näistäkin ensimmäinen lopulta vain alle vuoden ajaksi. Brittiläinen BAC-yhtiö pohti 500-paikkaista viisinkertaisella äänennopeudella lentävää lentokonetta 1975. NASA palasi tähän teemaan 1980-luvulla NASP-koneessa. Avaruussukkulat ja X-15-koekoneet ovat ainoat operatiiviset ylisoonisista lentokoneista, joiden lentonopeus on yli Mach 5.

Lähteet

• Gunston, Bill: Faster than sound. Sparkford : Stephens, 1992. ISBN 1-85260-317-8.