Lentotekniikan perusteet

Transcription

Lentotekniikan perusteet
Jaakko Hoffren
Olli Saarela
Lentotekniikan
perusteet
OPE TUSHALLITUS
© Opetushallitus ja tekijät
Tämä teos on oppikirja. Teos on suojattu tekijänoikeuslailla (404/61). Teoksen valokopioiminen on
kielletty ellei valokopiointiin ole hankittu lupaa. Tarkista onko oppilaitoksellanne voimassaoleva
valokopiointilupa. Lisätietoja luvista ja niiden sisällöstä antaa Kopiosto ry www.kopiosto.fi.
Teoksen tai sen osan digitaalinen kopioiminen tai muuntelu on ehdottomasti kielletty.
Ulkoasu:
Taitto:
Kannen kuva:
Oy Graaf Ab / Jani Osolanus
Oy Graaf Ab / Ella Smeds
Olli Luotonen
ISBN 978-952-13-3481-8
Edita Prima Oy
Helsinki 2008
SISÄLLYS
Alkusanat ................................................................................................................. 5
1 JOHDANTO ....................................................................................................... 7
2 LENTÄMISEN PERUSTEITA ............................................................. 9
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Voimatasapaino .......................................................................................... 9
Nostovoima................................................................................................. 11
Vastus ........................................................................................................... 14
Aerodynaamiset momentit ................................................................. 19
Työntövoiman tuottaminen .................................................................. 20
3 ILMAKEHÄ JA SEN MERKITYS ................................................... 23
3.1 Standardi-ilmakehä ................................................................................ 23
3.2 Ilmakehän ja sään asettamia vaatimuksia lentämiselle ....... 25
4 AERODYNAMIIKKAA ............................................................................ 29
4.1 Lentokoneen vastuspolaari ................................................................. 29
4.2 Ulkomuodon vaikutuksia
aerodynaamisiin ominaisuuksiin ...................................................... 30
4.3 Ilman puristuvuuden merkitys ......................................................... 35
4.4 Polaari ja liitoluku ................................................................................... 40
4.5 Ylisoonisen lennon lisäongelmia ...................................................... 43
4.6 Pinnan laadun merkitys aerodynamiikassa ................................ 45
4.7 Nostovoimakerrointa lisäävät laitteet ............................................ 46
4.8 Vastuksen kasvatus ja nostovoiman pienentäminen ............... 48
5 LENTOKONEEN SUORITUSARVOJA ...................................... 51
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
Lentonopeuden määrittely ja mittaus............................................. 51
Voimalaitteen työntövoima ja polttoaineenkulutus................... 54
Tasainen vaakalento ............................................................................... 56
Lennon rajakäyrä..................................................................................... 59
Kantama ...................................................................................................... 60
Kantaman ja hyötykuorman välinen yhteys ................................. 63
Liikehtimiskyky ......................................................................................... 64
Nousu- ja liukulento ............................................................................... 67
Lentoonlähtö ja laskeutuminen ......................................................... 69
Massan merkitys suoritusarvoille ................................................... 71
S I S Ä L LY S
3
6 VAKAVUUS JA OHJAUS...................................................................... 75
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
Lentokoneen ohjaaminen ..................................................................... 75
Staattinen vakavuus .............................................................................. 82
Dynaamiset ilmiöt ja niihin vaikuttaminen .................................. 85
Ohjainvoimat ............................................................................................. 87
Sakkausominaisuudet ........................................................................... 94
7 LENTOKONEEN RAKENTEET ...................................................... 99
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
Lujuusopin perusteita ............................................................................ 99
Rakenteiden kuormittuminen .......................................................... 107
Rakennevaatimukset............................................................................ 111
Metalliset rakennemateriaalit ......................................................... 114
Komposiitit................................................................................................ 119
Rakenneratkaisut .................................................................................. 125
Rakenteiden valmistus ........................................................................ 133
8 LENTOKONEEN JÄRJESTELMÄT........................................... 143
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
Voimalaitejärjestelmä.......................................................................... 143
Polttoainejärjestelmä .......................................................................... 145
Hydraulijärjestelmä.............................................................................. 148
Ohjausjärjestelmä ................................................................................. 152
Laskutelineet ........................................................................................... 167
Sähköjärjestelmä ja energian tuotto ............................................. 173
Avioniikka .................................................................................................. 175
Ympäristöjärjestelmät ......................................................................... 178
Matkustamo- ja rahtitilojen järjestelmät .................................... 182
9 HELIKOPTERI............................................................................................. 185
9.1 Helikopterin toimintaperiaate .......................................................... 185
9.2 Helikopterin rakenne .......................................................................... 190
9.3 Helikopterien järjestelmät................................................................. 191
10 LENTOKONEEN ELINKAARI ....................................................... 195
10.1 Lentokoneen kehitys ja asiakastuki............................................... 195
10.2 Lentokoneen käyttö .............................................................................. 198
10.3 Käytöstä poisto ....................................................................................... 199
4
S I S Ä L LY S
1
JOHDANTO
L
entolaitteita on monenlaisia. Ne voidaan jaotella ilmaa raskaampiin
ja ilmaa kevyempiin ilma-aluksiin. Ilmaa raskaampia aluksia ovat
kiinteäsiipiset lentokoneet sekä pyöriväsiipiset helikopterit ja autogirot, ilmaa kevyempiä aluksia esimerkiksi ilmalaivat ja kuumailmapallot.
Ilma-alukset voidaan jaotella myös niiden käyttötarkoituksen mukaan siviili- ja sotilasilma-aluksiin.
Käyttötarpeet asettavat ilma-aluksille erilaisia vaatimuksia, mikä näkyy
niiden koon ja ulkomuodon laajana kirjona. Pienten miehitettyjen lentokoneiden siipien kärkiväli on vain muutamia metrejä ja massa muutamia satoja
kiloja. Suurimpien lentokoneiden siipien kärkiväli on 80 metrin luokkaa ja
paino noin 600 tonnia.
Merkittävin siviili-ilma-alusten käyttötapa on ihmisten ja tavaroiden
kuljettaminen paikasta toiseen. Valtaosa kuljetuksista on kiintein aikatauluin ja reitein toimivaa, liikennelentokoneilla hoidettavaa reittiliikennettä.
Reittiliikenne jaotellaan tavallisesti matkustaja- ja rahtiliikenteeseen, vaikka
kuljetukset suurelta osin tapahtuvatkin samoilla koneilla. Lisäksi on olemassa ilman kiinteitä aikatauluja ja reittejä tapahtuvaa liikelentotoimintaa.
Liikelentoihin käytetään tavallisesti pienehköjä lentokoneita ja jossain määrin myös helikoptereita. Siviililentämiseen kuuluu myös lentokoulutusta,
valvonta- ja pelastustoimintaa sekä harrasteilmailua.
Ilma-alusten sotilaskäyttö on selvästi monipuolisempaa kuin siviilikäyttö. Siviilipuolta vastaavien kuljetus-, valvonta- ja koulutustehtävien lisäksi
lentokoneita ja helikoptereita käytetään taistelutoimintaan esimerkiksi
hyökkäyksissä maamaaleja vastaan, keskinäisissä taisteluissa ja tietoliikenteen häirintätehtävissä.
JOHDANTO
7
Lentokoneet toimivat koostaan ja käyttötarkoituksestaan riippumatta
samojen fysikaalisten periaatteiden ja lainalaisuuksien puitteissa. Näin ollen
on mahdollista esittää yleispätevä kuvaus lentokoneesta ja sen toiminnasta,
ja tämä onkin käsillä olevan kirjan pääsisältö. Kirja kattaa kaikki lentotekniikan tärkeät osa-alueet: lentomekaniikan, aerodynamiikan, rakenteet ja
järjestelmät. Kiinteäsiipisten lentokoneiden lisäksi kuvataan lyhyesti myös
helikoptereiden toimintaa, mutta ilmaa kevyempiä ilma-aluksia ei tässä
kirjassa tarkastella.
8
JOHDANTO