KELLUKEULTRIEN LENTOTEKNISET HAASTEET

KELLUKEULTRIEN LENTOTEKNISET HAASTEET touko-kesäkuu 2013 Ville Hämäläinen

TIIVISTELMÄ Tässä tutkielmassa tarkastellaan ja arvioidaan tyypillisen Suomessa käytettävän ultrakevyen lentokoneen aerodynamiikkaa ja lentomekaniikkaa sekä niiden muuttumista kellukeasennuksen jälkeen. Tutkielman ensimmäisessä osassa käsitellään aerodynaamisia ja lentomekaanisia perusasioita. Kellukkeet lisäävät ultrakevyeen lentokoneen tyhjämassaa noin 15 20 %. Lisäksi kellukkeiden sijainti koneen pituusakselin alapuolella suurentaa koko koneen hitausmomenttia kaikkien akseleiden ympäri tapahtuvissa pyörimisissä. Tämä vaikeuttaa epäsymmetrisen sakkauksen oikaisua. Nostovoiman tarve suurenee kellukkeiden asennuksen seurauksena. Kellukkeiden vastus aiheuttaa merkittävän nokka-alas-pituusmomentin, joka pitää kumota pyrstön ylimääräisellä voimalla alaspäin. Tämä suurentaa sakkausnopeutta samoin kuin kellukkeiden lisämassa ja mahdollinen ylipainokin. Lentokoneen aerodynaaminen vastus suurenee merkittävästi kellukkeiden seurauksena. Lentokoneen nousukyky riippuu niin sanotusta ylijäämätyöntövoimasta, joka määritellään työntövoima vastus. Kellukevastuksen vuoksi esimerkkilentokoneen nousukyky huononee vähintään 17 %. Kellukkeet vaikuttavat myös lentokoneen vakavuuteen ja ohjattavuuteen huonontaen ultrakevyen lentokoneen pituus- ja suuntavakavuutta varsinkin suurilla kohtaus- tai sivuluisukulmilla. Lisäksi on mahdollista, että hidaslennossa kellukkeiden vanavesi osuu korkeus- tai sivuvakaajaan ja aiheuttaa koneen hallinnan menetyksen. Kallistuskulman vaikutus vastukseen, sakkausnopeuteen ja nousukykyyn on erittäin merkittävä. Vastus suurenee epälineaarisesti kallistuskulman kasvaessa ja huonontaa koneen nousukykyä. Myös sakkausnopeus kasvaa merkittävästi varsinkin suurilla kallistuskulmilla. Tutkielmassa on myös käsitelty 50 kg:n ylipainon vaikutusta lento-ominaisuuksiin. Myös laskusiivekkeet lisäävät vastusta ja huonontavat lentokoneen nousukykyä. Vaikutus suurenee laskusiivekekulman kasvaessa. Tutkielman toisessa osassa esitetään kaksi käytännön esimerkkiä johtopäätöksineen. Ensimmäisessä esimerkissä lentäjä suorittaa lentoonlähdön pieneltä järveltä. Reunaesteiden lähestyessä lentäjän huomio kiinnittyy ohjaamon ulkopuolelle. Lentoonlähdön keskeytyskynnys on erittäin suuri ja lentäjä jatkaa lentoonlähtöä aloittaen samalla kaarron. Kaarrossa koneen vastus suurenee ja nopeus pienenee. Samalla sakkausnopeus suurenee ja tilannetta pahentaa kaarto sivutuulesta myötätuuleen päin. Tästä seuraa epäsymmetrinen sakkaus ja koneen hallinnan menettäminen. Toisessa esimerkissä lentäjä lähestyy järveä laskusiivekkeet alhaalla. Loppuosakaarto myöhästyy ja lentäjän huomio kiinnittyy koneen ulkopuolelle. Lentäjä jyrkentää vaistomaisesti kaartoa, jolloin vastus ja sakkausnopeus suurenevat. Tästä seuraa jälleen epäsymmetrinen sakkaus ja koneen hallinnan menettäminen. 2

TUTKIELMAN TARKOITUS Tämä on aerodynaaminen tutkielma kellukeultrien lentoteknisistä haasteista. Tässä tutkielmassa tarkastellaan ja arvioidaan tyypillisen Suomessa käytettävän ultrakevyen lentokoneen aerodynamiikkaa ja lentomekaniikkaa sekä niiden muuttumista kellukeasennuksen jälkeen. Tutkielman ensimmäisessä osassa käsitellään aerodynaamisia ja lentomekaanisia perusasioita. Toisessa osassa esitetään kaksi käytännön esimerkkiä johtopäätöksineen. Tämän tutkielman on tehnyt lentotekniikan DI, liikennelentäjä Ville Hämäläinen toukokesäkuussa 2013 Liikenteen turvallisuusviraston (Trafi) Liikenteen analyysiyksikön toimeksiannosta. 3

SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 2 TUTKIELMAN TARKOITUS... 3 SISÄLLYSLUETTELO... 4 1 AERODYNAAMINEN TARKASTELU... 5 1.1 Perustiedot... 5 1.2 Massa, painopiste ja hitausmomentti... 5 1.3 Nostovoima... 6 1.4 Sakkaus... 8 1.5 Vastus... 9 1.6 Vakavuus ja ohjattavuus... 12 1.7 Kallistuksen vaikutus vastukseen ja sakkausnopeuteen... 14 1.8 Ylipainon vaikutus... 16 1.9 Laskusiivekkeiden vaikutus... 17 2 OPERATIIVISET ESIMERKIT... 19 2.1 Lentoonlähtö pieneltä järveltä... 19 2.2 G-sakkaus laskukierroksessa... 21 4

1 AERODYNAAMINEN TARKASTELU 1.1 Perustiedot Tässä tutkielmassa tarkastellaan ja arvioidaan tyypillisen Suomessa käytettävän ultrakevyen lentokoneen aerodynaamisia ja lentomekaanisia ominaisuuksia sekä niiden muuttumista kellukeasennuksen jälkeen. Näitä asioita tarkastellaan esimerkkien avulla. Esimerkeissä käytetty kone ei täysin vastaa mitään olemassa olevaa ultrakevyttä lentokonetta vaan on lähinnä keskiarvo yleisimmin käytetyistä koneista. Tarkastelut tehdään merenpinnan tasolla Kansainvälisen siviili-ilmailujärjestön (ICAO) standardi-ilmakehän (ISA) olosuhteissa. Esimerkkikoneen tiedot: Massa ilman kellukkeita Massa kellukkeilla Moottorin akseliteho 450 kg 495 kg 90 hv Siipipinta-ala 13 m 2 Siipien kärkiväli Minimivastuksen nopeus 9,4 m 95 km/h Liitoluku 10,5 Parhaan nousukulman nopeus Parhaan nousunopeuden nopeus Paras nousunopeus ilman kellukkeita 85 km/h 95 km/h 5 m/s 1.2 Massa, painopiste ja hitausmomentti Kellukkeet lisäävät ultrakevyen lentokoneen tyhjämassaa noin 15 20 %. Kellukkeiden asennuksessa on huolehdittava siitä, että koko koneen pituussuuntainen painopiste (= massakeskiö) säilyy sallitulla alueella. Monesti tämä edellyttää massan lisäämistä koneen takaosaan. Tyypillisessä ultrakevyessä lentokoneessa sallitun pituussuuntaisen painopisteen vaihteluväli on 20 25 cm. 5

Koska kellukkeet ovat noin 70 cm koneen pituusakselin alapuolella, muuttuu koneen pystysuuntainen painopiste selkeästi alemmaksi (noin 15 cm). Tästä aiheutuu muutoksia koneen liikehtimiseen. Suurin vaikutus on koko koneen hitausmomentin suureneminen pituus- ja poikittaisakselin ympäri tapahtuvissa pyörimisissä. Myös hitausmomentti pystyakselin ympäri suurenee hieman. Hitausmomentin suurenee arviolta 10 % pituusakselin ympäri ja 7 % poikittaisakselin ympäri. Tästä aiheutuu muutoksia koneen liikehtimiskäyttäytymisessä. Jos esimerkiksi koneen siipi sakkaa epäsymmetrisesti, kulmakiihtyvyys pituusakselin ympäri (= sakanneen siiven putoaminen) hidastuu. Kun pyöriminen on alkanut, siihen sitoutuu enemmän energiaa ja pyöriminen on tämän vuoksi vaikeampaa pysäyttää. Tilanne pahenee, mikäli epäsymmetrisen sakkauksen aikana koneen siiven putoamista yritetään pysäyttää siivekkeillä. Tämä johtuu siitä, että yritettäessä estää siivekkeillä kallistumista putoavan siiven alaspäin kääntyvä siiveke pahentaa sakkaustilaa siiven kärjen alueella. 1.3 Nostovoima Lentokoneen siiven nostovoima on tyypillisesti 2 5 % suurempi kuin painovoima lennettäessä vaakalentoa siivet vaakasuorassa. Tämä johtuu siitä, että siiven täytyy kumota myös pyrstön (= korkeusvakaaja/ peräsinyhdistelmä) alaspäin suuntautuva voima. Siiven kohtauskulma riippuu ainoastaan nopeudesta alla olevan kuvan mukaisesti. Pyrstön voima on normaalisti alaspäin staattisen pituusvakavuuden varmistamiseksi, koska painopiste on siiven painekeskiön eli nostovoimakeskiön etupuolella. Kuva 1. Siiven kohtauskulman riippuvuus nopeudesta 6

Kellukkeet lisäävät lentokoneen aerodynaamista kokonaisvastusta. Huomionarvoista on myös tämän lisävastuksen sijainti erittäin alhaalla. Tästä aiheutuu merkittävä nokka-alaspituusmomentti, joka pitää kumota pyrstön ylimääräisellä voimalla alaspäin. Tämä taas kasvattaa koneen siiveltä tarvittavaa voimaa ylöspäin. Kuva 2. Kellukkeiden vastuksen pituusmomentti (kuvan silhuetti Aircraft Floats Manufacturing Inc.) Kuva 3. Tarvittava laskennallinen pyrstön lisävoima alaspäin 7

1.4 Sakkaus Siiven aerodynaaminen sakkaus tarkoittaa tilannetta, jossa ilma ei seuraa siiven yläpintaa sen jättöreunalle saakka. Tähän on syynä liian suuri kohtauskulma. Ultrakevyiden lentokoneiden siipiprofiilit ovat jättöreunasakkaajia, joten niiden sakkaus on rauhallinen. Alla on esitetty tyypillisen ultrakevyen lentokoneen nostovoimakertoimen riippuvuus kohtauskulmasta. Kuva 4. Siiven nostovoimakertoimen riippuvuus kohtauskulmasta Koska siipi sakkaa aina samalla kohtauskulmalla, massa vaikuttaa sakkausnopeuteen. Raskaammalla lentokoneella täytyy lentää suuremmalla nopeudella tietyllä kohtauskulmalla tarvittavan nostovoiman synnyttämiseksi. Sakkausnopeus tietyllä massalla saadaan laskettua, kun tiedetään sakkausnopeus jollain referenssimassalla: massa sakkausnopeus = referenssimassa referenssisakkausnopeus Kellukeasennus kasvattaa sakkausnopeutta hieman, koska pyrstö joutuu tuottamaan ylimääräisen voiman alaspäin kellukevastuksen aiheuttaman momentin kumoamiseksi kuvan 3 mukaisesti. Siiveltä vaaditaan siis hieman lisää nostovoimaa. 8

1.5 Vastus Koko lentokoneen vastus kostuu kahdesta osasta: loisvastuksesta ja indusoidusta vastuksesta. Loisvastus on se osa koneen vastuksesta, joka ei riipu nostovoiman tuottamisesta. Tätä vastusta kutsutaan joskus myös profiilivastukseksi, nostovoimasta riippumattomaksi vastukseksi tai nollanostovoimavastukseksi. Tämä vastuksen osa kasvaa lentonopeuden neliössä. Indusoitu vastus on seurausta siiven tuottamasta aerodynaamisesta voimasta, koska siiven aerodynaaminen voima (= paine-ero) osoittaa ylätakaviistoon. Tämä vastuksen osa on suoraan verrannollinen kohtauskulmaan ja pienenee siten lentonopeuden neliössä. Alla on kuva esimerkkinä käytetyn ultrakevyen lentokoneen vastuksesta eri lentonopeuksilla. Kuva 5. Pyöräkoneen aerodynaaminen vastus Kellukkeiden lisävastus on suurimmaksi osaksi loisvastusta. Suurilla siiven kohtauskulmilla tai sivuluisukulmilla alkavat kellukkeet kuitenkin tuottaa myös indusoitua vastusta. Seuraavassa kuvassa on esitetty kellukkeiden vastus nopeuden funktiona. Sivuluisukulman on oletettu olevan nolla. Ultrakevyen lentokoneen mäntämoottorin tuottama teho on likipitäen lentonopeudesta riippumaton. Kun huomioidaan lentonopeus ja potkurin hyötysuhde, saadaan laskettua moottori-potkuriyhdistelmän tuottama työntövoima. Tämä on myös esitetty seuraavaksi. 9

Kuva 6. Kellukkeiden lisävastus Kun yhdistetään koneen vastus ja kellukkeiden vastus saadaan: Kuva 7. Kellukekoneen vastus verrattuna pyöräkoneen vastukseen 10

Kuva 8. Moottorin työntövoima eri nopeuksilla Kun nämä kaikki yhdistetään, saadaan: Ylijäämätyöntövoima Kuva 9. Moottorin työntövoima ja kellukekoneen vastus 11

Lentämisen kannalta merkittävin suure edellisessä kuvassa on ns. ylijäämätyöntövoima (joka on työntövoima vastus). Tätä ylijäämätyöntövoimaa voidaan käyttää nopeuden kiihdyttämiseen tai nousemiseen. Nämä saadaan laskettua seuraavasti: kiihtyvyys = työntövoima vastus massa nousukulma prosentteina = työntövoima vastus massa 9,81 m/s 2 100 % Varsinkin alempi yhtälö nousukulmasta on erittäin tärkeä suorituskyvyn kannalta. 1.6 Vakavuus ja ohjattavuus Pienillä kohtauskulmilla ja sivuluisukulmilla kellukkeiden vaikutus voi tuntua konetta vakavoittavana. Kun koneen kohtauskulma kasvaa tai kone on sivuluisussa, kellukkeiden vaikutus on selkeästi epävakauttava. Syynä tähän on kellukkeiden muoto, koska suurin osa kellukkeiden pinta-alasta on koko koneen painopisteen etupuolella. Koneen nokan heilahtaessa ylöspäin kasvaa myös kellukkeiden voima ylöspäin aiheuttaen nokka-ylösmomentin ja pahentaen heilahdusta. Sama ilmiö tapahtuu toisinpäin myös nokan heilahtaessa alaspäin. Kuva 10. Kellukkeiden epävakavoittava vaikutus (kuvan silhuetti Aircraft Floats Manufacturing Inc.) Korkeusvakaajan vakauttavan voiman riittävyyttä voidaan arvioida laskennallisesti. Korkeusvakaajan pituusmomentti riippuu korkeusvakaajan pinta-alasta ja muodosta, pyrstön 12

pituudesta, painopisteen paikasta sekä siiven, rungon ja kellukkeiden aiheuttamista häiriöistä korkeusvakaajan kohtaamaan ilmaan. Analyysin perusteella ei ole tiedossa yhtään ultrakevyttä lentokonetta, jossa kellukeasennus huonontaisi koneen pituusvakavuuden riittämättömäksi. Ilmeisesti ultrakevyiden lentokoneiden valmistajilla on tapana hieman ylimitoittaa korkeusvakaajan koko. Lentokoneen korkeusvakaaja ei yleensä jää siiven vanaveteen suurillakaan kohtauskulmilla. Kellukeasennus muuttaa korkeusvakaajan tilannetta, koska pyrstö voi jäädä kellukkeiden vanaveteen erittäin suurilla sakkausta lähentelevillä kohtauskulmilla. Kuva 11. Kellukkeiden vanaveden osuminen pyrstöön suurilla kohtauskulmilla (kuvan silhuetti Aircraft Floats Manufacturing Inc.) On mahdollista, että lähellä koneen sakkausta eli suurella kohtauskulmalla kellukkeiden vanavesi osuu korkeusvakaajaan ja heikentää tämän tehoa olennaisesti. Tähän vaikuttaa tietenkin kellukkeiden leveys toisistaan ja korkeusvakaajan kärkiväli. Myös mahdollinen sivuluisu vaikuttaa asiaan merkittävästi. On myös täysin mahdollista, että korkeusvakaaja sakkaa kellukkeen vanaveden seurauksena. Tästä seuraisi normaalisti voimakas nokka-alas-pituusmomentti, koska pyrstön voiman kadotessa painovoima-nostovoima-parin pituusmomentti on nokkaa alaspäin kääntävä. Tämä tulisi lentäjälle yllätyksenä ja voisi johtaa nopeaan liikkeeseen, jossa nokan pudotessa siiven nostovoima pienenisi nopeasti. Tästä voisi seurata jopa siiven negatiivinen kohtauskulma ja negatiivinen nostovoima. Tästä aiheutuisi myös negatiivinen kuormitusmonikerta, joka voisi yllättää lentäjän varsinkin, jos hänen lantiovyönsä ei olisi kireällä. On myös mahdollista, että jollain sivuluisukulmalla ja suurella kohtauskulmalla kellukkeiden vanavesi sakkauttaisi sivuvakaimen. Tällöin lentokoneen staattinen suuntavakavuus menetettäisiin ja kone kääntyisi pystyakselinsa ympäri sivuttain tai takaperin. 13

1.7 Kallistuksen vaikutus vastukseen ja sakkausnopeuteen Konetta kallistettaessa kaarrossa täytyy siiven nostovoimaa kasvattaa alla olevan kuvaajan mukaisesti. Syynä tähän on nostovoiman käyttäminen painovoiman kumoamisen lisäksi myös keskihakuvoimana eli voimana, joka aikaansaa nopeuden suunnan muutoksen. Normaalisti tämä tapahtuu suurentamalla kohtauskulmaa vetämällä ohjaussauvasta. Tässä esitetyissä laskelmissa oletetaan, että kone kaartaa vaakakaartoa sivuluisukulman ollessa nolla (= kuula on keskellä). Lentokoneen kaartosäde riippuu nopeudesta ja kallistuskulmasta alla olevan kaavan mukaisesti. Eli mitä suurempi kallistuskulma ja pienempi nopeus ovat, sen pienempi kaartosäde on. kaartosäde = tosi ilmanopeus 2 tan(kallistuskulma) 9,81 m/s 2 Kuva 12. Kuormitusmonikerran riippuvuus kallistuskulmasta Nostovoiman lisääminen aiheuttaa myös indusoidun vastuksen suurenemisen. Myös kellukkeiden aiheuttama vastus suurenee niiden kohtauskulman suurentuessa. Tästä kallistuksen vaikutuksesta on kuvat pyöräkoneelle ja kellukekoneelle seuraavalla sivulla. 14

Kuva 13. Pyöräkoneen vastuksen riippuvuus kallistuskulmasta Kuva 14. Kellukekoneen vastuksen riippuvuus kallistuskulmasta 15

Nostovoiman suurempi tarve (ja suurempi kohtauskulma) aiheuttavat myös sakkausnopeuden suurenemisen, kuten alla olevasta kuvasta voi päätellä. Kuva 15. Kallistuskulman vaikutus sakkausnopeuteen 1.8 Ylipainon vaikutus Tyypillisen ultrakevyen lentokoneen tyhjämassa kellukkeilla on vähintään 340 kg. Suurin mahdollinen kuormattavuus on tällöin enintään 155 kg, koska maksimimassa on 495 kg. Mikäli koneessa on kaksi aikuista miestä ja edes hieman polttoainetta, sallittu kuormattavuus on vaikea saada riittämään. Seuraavalla sivulla käytetyssä esimerkissä on laskettu, miten käy pituussuuntaisille voimille, jos kone on 50 kg:n ylipainoinen. Kuvassa on esitetty kellukekoneen pituussuuntaiset voimat siivet vaakasuorassa lennettäessä sekä 45 ja 60 asteen kallistuksilla sekä 495 kg:n massalla että 545 kg:n massalla. 30 asteen kallistus on jätetty pois selvyyden vuoksi. 16

Kuva 16. 50 kg:n ylipainon ja kallistuksen vaikutus 1.9 Laskusiivekkeiden vaikutus Monen ultrakevyen lentokoneen lentoonlähdössä käytetään pienehköä laskusiivekekulmaa, joka tyypillisesti saadaan laskusiivekevivun ollessa ensimmäisessä pykälässä. Laskusiivekkeiden kulma on tällöin yleensä 10 15 astetta. Seuraavassa esimerkissä on tarkasteltu sellaista konetta, jossa laskusiivekkeiden osuus siiven jänteestä on 21 % ja koko siiven kärkivälistä 38,5 %. Laskusiivekkeiden rakenne vaikuttaa hieman sen ominaisuuksiin. Tässä laskelmassa on oletettu laskusiivekkeiden ja niiden kiinnityksen siipeen olevan tavanomaiset. Laskelmassa on käytetty esimerkkinä 15 asteen laskusiivekekulmaa. Koneen oletetaan olevan myös 50 kg ylipainoinen. Lisäksi on laskettu vielä toinen esimerkki koneesta laskuasussa 50 kg:n ylipainolla. Esimerkki on laskettu 40 asteen laskusiivekekulmalla käyttäen muuten samoja oletuksia kuin edellä. Kuvasta 18 nähdään, että suuri laskusiivekekulma kasvattaa merkittävästi varsinkin loisvastusta. 17

Kuva 17. 50 kg:n ylipainon ja 15 asteen laskusiivekeasetuksen vaikutus Kuva 18. 50 kg:n ylipainon ja 40 asteen laskusiivekeasetuksen vaikutus 18

2 OPERATIIVISET ESIMERKIT 2.1 Lentoonlähtö pieneltä järveltä Ultrakevyen lentokoneen valmistaja tai maahantuoja julkaisee yleensä pyöräkoneelle joitain suoritusarvoja, kuten esimerkiksi maakiitomatkan ja lentoonlähtömatkan pituuden tiettyyn korkeuteen, kuten esimerkiksi 15 m. Nämä esitetään yleensä merenpinnan tasolla Kansainvälisen siviili-ilmailujärjestön (ICAO) standardi-ilmakehän (ISA) olosuhteissa, jolloin ilman tiheys on 1,225 kg/m 3. Monesti esitetään vain tyynen ilman tai tietyn vastatuulen suoritusarvot. Kellukekoneelle ei ole yleensä saatavilla tarkkoja suoritusarvoja, koska arvot riippuvat kelluketyypistä sekä kellukkeiden tarkasta asennosta suhteessa lentokoneen pituusakseliin ja painopisteeseen. Näin ollen kellukekoneella operoitaessa lentäjän kokemus ja näkemys korostuvat riittävän lentoonlähtömatkan arvioinnissa. Kellukekoneessa ei ole jarruja eikä ilmassa tapahtuvaa lentoonlähdön keskeytystä yleensä harjoitella, joten lentoonlähdön keskeyttämisen kynnys on suuri lähtökiidon loppuvaiheissa ja koneen irrottua vedestä. Lentoasultaan sileän pyöräkoneen nousukulmaksi (= nousugradientiksi) siivet vaakasuorassa tyynessä ilmassa voidaan kuvasta 9 laskea 26 % eli 15 astetta. Tätä voidaan pitää hyvänä suorituskykynä johtuen hyvästä teho/painosuhteesta. Optiminopeus eli jyrkimmän nousukulman nopeus on 85 km/h. Jos koneeseen on asennettu kellukkeet, voidaan nousukulmaksi kuvasta 9 laskea 19 % eli 11 astetta. Optiminopeus on tällöin myös 85 km/h. Pieneltä järveltä operoitaessa saattaa kuitenkin käydä niin, että reunaesteet lähestyvät nopeasti ja lentäjä ei enää voi tai uskalla keskeyttää lentoonlähtöä. Tällöin tulee helposti houkutus kiristää hieman vetoa. Mikäli koneella on reunaesteiden vuoksi lisäksi pakko kaartaa, heikkenee nousukulma merkittävästi. Kuvan 14 mukaan 30 asteen kallistuksella (ja optiminopeudella 90 km/h) nousukulma on 17 % eli 10 astetta. Mikäli konetta kallistetaan 45 astetta ja lennetään 100 km/h optiminopeudella, nousukulma on 12 % eli 7 astetta. Käytettäessä 60 asteen kallistusta, nousukulma on 0,8 % eli 0,4 astetta. Tällöin optiminopeus on 115 km/h. Mikäli kone on lisäksi 50 kg ylipainoinen, vastaavat nousukulmat ovat kuvan 16 mukaan vielä pienemmät. Siivet vaakasuorassa ja 90 km/h nopeudella nousukulma on 17 % eli 10 astetta, 30 asteen kallistuksella ja 95 km/h nopeudella 14 % eli 8 astetta sekä 45 asteen kallistuksella ja 105 km/h nopeudella 9 % eli 5 astetta. Laskennallinen esimerkkikone ei kuvan 16 mukaan enää pysty nousemaan 60 asteen kallistuksella 50 kg ylipainolla. Jos lisäksi käytetään esimerkiksi 15 asteen laskusiivekekulmaa, tilanne huononee vielä hieman tästäkin, kuten kuvasta 17 voi päätellä. Yllä olevista laskelmista nähdään, että suuremmilla kallistuksilla optiminopeus on selvästi suurempi, eli lentokoneen nopeutta pitäisi kiihdyttää. Tämä taas vaatisi nokan laskemista ja ylijäämätyöntövoiman käyttämistä nousemisen sijaan myös kiihdyttämiseen. Tämä on tiukassa paikassa mahdotonta. Mikäli lentokoneella lennetään jotain alkuperäistä 19

käsikirjan mukaista optiminopeutta kuten 85 km/h, jää nousukulma selkeästi yllä olevia laskelmia huonommaksi. Ylijäämätyöntövoiman pieneneminen vastuksen lisääntyessä käy hyvin esille alla olevassa kuvassa, joka on yhdistelmä aikaisemmin esitetyistä kuvista. Kuva 19. Yhdistelmäkuva pituusakselin suuntaisista voimista eri nopeuksilla Myös sakkausnopeus kasvaa lentokonetta kallistettaessa, ollen jo lähes 100 km/h kaikki kellukkeiden vaikutukset huomioiden 60 asteen kallistuksella. Mikään yksittäinen tekijä ei muuta tilannetta kovinkaan paljoa, mutta otettaessa huomioon kaikki tämän esityksen kappaleessa 1 esitetyt tekijät, suorituskyky huononee merkittävästi. Tekijöitä ovat kellukkeiden lisävastus, kellukkeiden lisämassa, kellukkeiden pituusmomentin kumoaminen, mahdollinen ylipaino, laskusiivekkeiden lisävastus ja kallistuskulman vaikutus. On mahdollista, että tämä yhteisvaikutus yllättää lentäjän. Reunaesteiden lähestyessä hänen huomiokykynsä kiinnittyy esteisiin ja hän lähtee kaartamaan sekä kiristää vetoa huomaamattomasti. Tällöin aerodynaaminen vastus suurenee ja koneen nopeus alkaa pienentyä. Kun lisäksi sakkausnopeus samalla suurenee, sakkausmarginaali voi pienentyä olemattomaksi. Matalalla tapahtuvasta kaartosakkauksesta on vaikea selvitä varsinkin, kun kellukkeiden lisämassa ja siitä aiheutuva hitausmomentin suureneminen vaikeuttaa epäsymmetrisen sakkauksen hallintaa. Kaarrossa tapahtuva sakkaus on harvoin täysin symmetrinen. Tähän on syynä se, että kuula on harvoin täysin keskellä eli lentäjä lentää harvoin täysin puhtaasti. Asiaan vaikuttaa myös se, että kaarrossa siipien ilmanopeuksissa on pieni ero. Tämän vuoksi pitää siivekkeillä ohjata hieman kallistusta vastaan, ettei kallistus jyrkkene. Myös potkurivirta 20

aiheuttaa virtauksen ja sakkauksen epäsymmetrisyyttä. Kellukkeiden aiheuttama koneen hitausmomenttien muuttuminen saattaa tällöin yllättää lentäjän koneen sakatessa ja kaatuessa. Näin matalalla tapahtuva sakkaus on mahdotonta oikaista osumatta veteen tai maahan. On myös mahdollista, että samalla korkeus- tai sivuvakaaja sakkaa jommankumman kellukkeen vanaveden osuessa pyrstöön kuten kappaleessa 1.6 on esitetty. Tästä seuraisi täydellinen koneen hallinnan menettäminen. Lentokone lentää suhteessa ilmaan. Tuulella eli ilman liikkeellä suhteessa maahan ei lähtökohtaisesti ole vaikutusta aerodynamiikkaan tai lentomekaniikkaan, vaan tuuli vaikuttaa lähinnä suunnistamiseen ja matkan etenemiseen. Tuuli muuttaa myös koneen nousukulmaa suhteessa maahan siten, että vastatuuleen nousukulma on jyrkempi. Tämä voidaan laskea seuraavasti: nousukulma maahan nähden = nopeus + vastatuuli nopeus nousukulma tyynessä Maan pinnan lähellä tilanne on monimutkaisempi, koska maan pinnan lähelle syntyy aina kitkan vaikutuksesta rajakerros. Aivan kiinni maassa tai vedessä ilma on paikallaan ja tuulen nopeus suurenee ylöspäin noustessa saavuttaen ylempänä vallitsevan kitkattoman virtausnopeuden. Rajakerroksen paksuus riippuu pinnanmuodoista, mutta sen voidaan arvioida olevan tyypillisesti 200 400 metriä paksu. Suurten kaupunkien yläpuolella rajakerros on paksuin ja avomeren yläpuolella ohuin. Rajakerros on käytännössä aina maalla, järvillä tai saaristossa turbulenttinen eli tuulen nopeudessa esiintyy muutoksia (= puuskia). Lentokoneen korkeuden kasvaessa alkunousussa tuulen nopeus siis yleensä kasvaa tehtäessä lentoonlähtö vastatuuleen. Merkittävin muutos tapahtuu hieman puiden latvojen yläpuolella. Nopea tuulen muutos vaikuttaa hetkellisesti lentokoneen ilmanopeuteen siten, että vastatuulen kasvu suurentaa ilmanopeutta. Tämän vaikutuksesta lentokoneen maanopeus hidastuu kunnes ilmanopeus on sama kuin alun perinkin. Myötätuulen kasvu pienentää hetkellisesti ilmanopeutta ja voi aiheuttaa koneen sakkauksen, jos nopeus- eli sakkausmarginaali on vähäinen. Sama vaikutus on myös sivutuulella, jos koneella kaarretaan tuulen suuntaan siten, että lentoonlähdössä vallinnut sivutuuli muuttuu myötätuuleksi. 2.2 G-sakkaus laskukierroksessa Lähestyttäessä laskeutumispaikkaa on tarpeen lentää melko hitaasti, koska koneen laskumatka riippuu koneen maanopeuden neliöstä. Jos lentokoneen maanopeutta suurennetaan esimerkiksi 10 %, suurenee laskeutumismatka tämän vuoksi 21 % (koska 1,1 2 = 1,21). Monesti laskupaikkaa lähestytään lentämällä ns. myötätuuliosa, perusosa ja loppuosa 90 asteen kulmissa toisiinsa nähden. Loppulähestyminen on tarkoituksenmukaisinta lentää 21

vastatuuleen, jos se on mahdollista, koska tällöin koneen maanopeus on pienempi ja laskumatka lyhyempi. Perusosan suunnan määrää laskupaikan geografia, vaikkakin normaalisti laskukierros lennetään kaartaen aina vasempaan. Tällöin koneen vasemman puoleisella penkillä istuvalla lentäjällä on parempi näkyvyys laskupaikkaan laskukierroksen aikana. Mikäli lentäjän huomio kiinnittyy muualle perusosan aikana tai perusosalla vallitsee myötätuuli, voi käydä niin, että kaarto loppuosalle myöhästyy. Tästä seuraa pussi loppulähestymislinjan läpi ja stabiilin loppuosan merkittävä lyheneminen. Huomatessaan loppuosakaarron menevän pitkäksi lentäjä saattaa kiinnittää huomionsa pelkästään lentokoneen ulkopuolelle. Tällöin on mahdollista, että lentäjä jyrkentää kallistusta huomaamattaan kiristäen samalla vetoa sauvasta. Tämä tietenkin pienentää kaartosädettä, jolloin lentäjä luulee toimivansa järkevästi. Yleensä tässä vaiheessa lentäjä lentää joko vaakalentoa tai liukuu alaspäin. Tämän vuoksi moottori käy osateholla. Lentokoneen vastus kasvaa kaarrossa nopeasti varsinkin, jos lentäjä on lisäksi jo valinnut osittaisen tai täyden laskusiivekekulman. Tällöin nopeus lähtee huomaamatta pienenemään nopeasti. Kun lisäksi huomioidaan sakkausnopeuden merkittävä suureneminen kallistuksen vuoksi, voi kone sakata yllättäen. Samoin kuin kappaleen 2.1 tilanteessa, myös tässä tilanteessa sakkaus on yleensä epäsymmetrinen kaarron vuoksi. On myös mahdollista, että samalla korkeus- tai sivuvakaaja sakkaa kellukkeen vanaveden osuessa pyrstöön, kuten kappaleessa 1.6 on esitetty. 22