Mondd csak, mitől is fordul? …¹

1991 óta vagyok siklóernyős pilóta, 1996 óta tervezek és építek saját ernyőket. Mielőtt belefogtam az Eliza (VL 280) és a Bionic² (VL 299) ernyők tervezésébe, végig kellett gondolnom néhány fontos kérdést, melyek alapvetően befolyásolták a tervezés további menetét. Ezeket szeretném most megosztani mindenkivel. Kalandra fel!

Forrás:	Vol Libre Magazin, 307-es, 2002 februári száma
Írta:	Olivier Caldara (Bio Air Technologies) http://www.bio-air-technologies.com
Fordította:	Röhberg Zsolt
Lektorálta:	Szabó Péter

A fordítás közzétételéhez írásos engedélyt kaptunk a szerzőtől.
További sokszorosítás a szerző és a fordító írásos beleegyezésével jogszerű!

Kompromisszumok és kérdések

Bármely repülőeszköz, legyen az egy vadászgép vagy siklóernyő, kompromisszumok szüleménye. Nagyon fontos tehát, hogy mielőtt valamilyen döntést meghozunk, megértsük, hogy egyik vagy egy másik jellemző módosítása milyen hatást fog gyakorolni a végtermékre, megkímélve ezzel magunkat az olyan működésképtelen eredményektől, mint például: egy jó teljesítményű szárny, ami nem képes fordulni; vagy pl. egy jól kezelhető, esetleg stabil szárny, amit lehetetlen beomlasztani, de úgy repül, mint egy darab kő…

Ha egy kupola tervezésekor el akarjuk kerülni a bukást, az egyik legfontosabb kérdés, amire választ kell adnunk, a következő:

Mitől is fordul a siklóernyő, és melyek azok a paraméterek, amelyek hatással vannak a fordulás jellemzőire?

 

A célom a következőkben, hogy erre a kérdésre egyszerűen, de azért megfelelő részletezettséggel válaszoljak. Megpróbálom megvilágítani a repülés mechanikájának legalapvetőbb szabályait, melyek minden repülőeszközre alkalmazhatóak (repülőgép, sárkány vagy siklóernyő), és eloszlatni a siklóernyő fordulóba vitelének megértése körül kialakult mítoszt. Legalábbis annyira, hogy minimum az előbbi kérdésre képesek legyünk válaszolni.

Milyen hatással van a fék a siklóernyő szárnyprofilra?

Először is irtsuk ki a fékek aerodinamikai hatásával kapcsolatban kialakult tévhiteket azáltal, hogy felelevenítjük a szárnyprofilok működésével kapcsolatos azon alapszabályokat, melyeket tapasztalati úton még a repülés nagy úttörői határoztak meg, mint például Otto Lilienthal, később pedig elméletileg is bebizonyították a matematika nyelvén, például Joukowsky. Ajánlott kiegészítő olvasmány a témában Abott és Doenhoff kitűnő könyve: “A szárnyszelvények elmélete”, mely összegyűjti a NACA ’30-as és ’40-es évek közötti munkáit és eredményeit.

A fék, mint bármely ívelőlap a kilépőélen, először úgy hat, hogy növeli a szárnyprofil felhajtóerő tényezőjét. Ez az oka, hogy ha szimmetrikusan meghúzzuk a fékeket, akkor az ernyő lelassul: a sebesség (V) csökkenése kiegyenlíti a felhajtóerő tényező növekedését, ezáltal az eredő légerő (a rajzon RFA) újra egyensúlyba kerül a súlyerővel:

A szárnyprofil íveltségének változása többé-kevésbé egyenértékű lesz az ívelőlap elfordulásának mértékével, és a következő hatásokat hozza létre – a többi jellemző nem változik (lásd az 1. ábrát, vastag vonal: ívelőlap alaphelyzetben; szaggatott vonal: ívelőlap lehajtva):

1. A legfontosabb, hogy a felhajtóerő növekszik (tipikusan 50%-kal, ha 20%-kal fordítjuk le az ívelőlapot a profil húrjához képest)
2. A légellenállás növekszik, de csak 10 – 100-szor kisebb mértékben, mint a felhajtóerő, ez a polárgörbén is látszik
3. A nyomásközpont a kilépőél irányába tevődik át

4. A zéró felhajtóerőhöz tartozó állásszög negatív irányba tolódik, azaz ez a domborúbb szárnyprofil nagyobb negatív állásszögnél is termel még felhajtóerőt

5. Bólintó nyomaték lép fel

Ha belegondolunk, a “fék”, vagy “fékszárny” elnevezés nem is igazán helyénvaló, mert a hatása először a felhajtóerő növekedésében mutatkozik meg (1. ábra)

1. ábra : A fék hatása a szárnyprofil jellemzőire

Miért kezdődik bal forduló a bal oldali fék lehúzásakor ?

Elsőre talán azt gondolnánk, hogy a bal oldali fék meghúzására a bal oldalon növekszik a felhajtóerő, ami egy jobb fordulót fog indítani.
Hogy a kérdést megválaszolhassuk, az ernyőt hátulról nézve célszerű vizsgálni, megfigyelve, hogy a bal oldali fék lehúzása milyen forgatónyomatékot is vált ki.

Mint minden felhajtóerőt termelő felületnél, ha a bal oldali szárnyfél profiljának íveltségét növeljük, annak legfontosabb hatása az lesz, hogy bal oldalon nagy mértékben megnövekszik a felhajtóerő; mellékhatásként kismértékben nő a légellenállás is. Ennek megfelelően az eredő légerő is eldől a bal szárnyfél irányába – persze kitalálható, hogy itt még nincs vége a dolognak. Az új eredő légerő vektor (a rajzokon RFA) megdőlésének mértéke az elemi felhajtóerő vektorok szárnyfelületen való eloszlásán múlik, amit viszont a fékhúzás által okozott szárnyprofil görbület és a kupola íveltsége fog befolyásolni, lásd a 2. ábrát.

2. ábra: A fékhúzás hatása az eredő légerőre

Mint a többi repülőeszköznél, a siklóernyőn is a forgató hatások mindig a tömegközéppont körül (a rajzokon CG) mennek végbe és az e pont körüli forgatónyomatékkal jellemezhetők (a forgatónyomaték együtthatóját Cl-el jelöljük [és értékét pozitívnak tekintjük, ha az óramutató járásával ellentétes irányban forgat; negatívnak, ha azzal megegyezően; és zérusnak, ha az erőnek nincs karja, azaz hatásvonala a tömegközépponton megy át]). Gyakorlatilag minden a kupola íveltségén és a zsinórzat hosszán múlik. A 3. ábra megmagyarázza, hogy az egyik oldali fék lehúzása mikor fog fordulót indítani ugyanennek az oldalnak az irányába, vagy ha a kupola túl laposan ívelt, akkor az ellentétes irányba.

3. ábra: A forgatónyomaték tényező előjele a kupola íveltsége
és a zsinórhosszak függvényében

Tehát a C1 forgatónyomaték tényező előjelét a következő, fontos tervezési sajátosságok fogják meghatározni:

1. A kupola íveltsége
2. A kupolához képest a tömegközéppontot adott helyre pozicionáló zsinórzat hossza
3. A fékzsinórzat csatlakozási pontjainak eloszlása a kupola kilépőélén

[A fentiekben tárgyalt forgatónyomaték az ernyő hossztengelye körül forgat és orsózó-nyomatéknak nevezzük]

A [függőleges tengely körüli elforgáshoz szükséges] legyező-nyomatékot a baloldalon lehajtott “ívelőlap” által keltett, megnövekedett légellenállás és indukált ellenállás erők hozzák létre. Ez számunkra mindig “jó” irányú, mivel mindig azon az oldalon keletkezik, ahol lehajtjuk az “ívelőlapot”. Ha egy adott szárnyprofil túlságosan jó teljesítményű, és nem hozza létre a szükséges mértékű ellenállást, ezt egyes gyártók a szárnyvégre helyezett “ellenállás növelő kütyükkel” oldják meg (pl. az Advance Omega és Sigma fülecskéi) [vagy például a szélső fékzsinórok bekötését úgy alakítják ki, hogy ne csak lehúzzák, hanem “össze is gyűrjék” a kilépőél egy kisebb szakaszát, ez egyre elterjedtebb az újabb ernyőknél]).

Mitől lesz egy kupola “spirálisan stabil” vagy “spirálisan instabil”?

Az állandósult fordulót tekintve, a sárkányrepülővel és a vitorlázórepülővel összehasonlítva, a siklóernyő a legszűkebb fordulósugáron fordulni képes repülőeszköz, ahogy ez a 4. ábrán is látható.

4. ábra: Fordulósugarak összehasonlítása

Leegyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy a siklóernyő körülbelül 2, a sárkányrepülő 3, míg a vitorlázórepülő 4 szárnyhossznyi sugáron képes fordulni. Ennél a példánál maradva, a bal és jobboldali szárnyvégek sebességkülönbsége a siklóernyőnél körülbelül 2-szeres, sárkánynál már csak 1,5-szörös, vitorlázórepülőnél pedig csak 1,3-szoros lesz.
Ebből következik, hogy a felhajtóerő eloszlásának aránya – ami mint tudjuk, a sebesség négyzetével arányos -, a siklóernyő esetén 4-szeres, a sárkánynál 2,25-szörös, a vitorlázórepülőnél pedig csak 1,7-szeres lesz a gyorsabbik szárnyvég oldalán.
Ennél fogva egy [állandósult fordulóban lévő] siklóernyőn, még ha azonos is lenne a fékek állása, a felhajtóerő eloszlása akkor is nagymértékben különbözne a két szárnyfélen, amint az 5. ábrán is látható.

5. ábra: Felhajtóerő eloszlás a szárnyon fordulóban

Ha az előző részben is említett tervezési jellemzők módosításával változtatunk a felhajtóerő eloszlásán, ezek tehetik spirálisan stabilabbá vagy éppen instabillá is a szerkezetet:

1. A kupola íveltsége
2. A kupolához képest a tömegközéppontot adott helyre pozicionáló zsinórzat hossza
3. A fékzsinórzat csatlakozási pontjainak eloszlása a kupola kilépőélén

A 6. ábra szemlélteti a lehetséges kimeneteleket:

• Első eset: kevésbé ívelt (túlságosan lapos) kupolájú és/vagy túl rövid zsinórzatú ernyőn, egy a bedöntés irányával megegyező irányú forgatónyomaték keletkezik, ami tovább fokozza a bedöntést (spirálisan instabil).
• Második eset: megfelelően ívelt kupolájú és/vagy hosszú zsinórzatú ernyőnél, egy a bedöntéssel ellenkező irányban ható forgatónyomaték keletkezik, ami megpróbálja kihozni az ernyőt a bedöntött állapotból (spirálisan stabil).

• Harmadik eset: ha a kupola íveltsége és a zsinórzat hosszának kombinációja olyan, hogy nem keletkezik forgatónyomaték, akkor a siklóernyő folyamatosan tartja az aktuális bedöntését (spirálisan semleges).

 

6. ábra: Spirális stabilitás

Nyilvánvaló, hogy egy adott bedöntésre kapott eredmény nem feltétlen egyezik meg egy másik bedöntésre kapottal, ez a magyarázata egyes típusok különleges, sőt néha veszélyes viselkedésének.
Ökölszabályként azt mondhatjuk, hogy a ma piacon kapható, hitelesített ernyők (nem mindegyik…) “normális” bedöntési szögekre, jellemzően inkább spirálisan stabilisak vagy spirálisan semlegesek. Ebből következik (persze megint csak ökölszabályként mondva), hogy az ilyen ernyők, adott szögű folyamatos bedöntéséhez a belső oldali fék folyamatos húzása szükséges, kompenzálva ezzel a sebesség eloszlásból fakadó forgatónyomatékot, ahogy ez a 7. ábrán látszik.

7. ábra: Stabilizált forduló

Van a fenti gondolatoknak valami haszna?

A fenti ismeretek valószínűleg nélkülözhetetlenek egy új siklóernyő tervezője számára, hogy megfelelő számítógépes modellt alkothasson a kupola íveltségének, a zsinórhosszaknak, vagy a fékzsinórok eloszlásának tervezésekor. Nem kétséges ugyanakkor az sem, hogy ezen felül még sok, hosszú és aprólékos gyakorlati tesztet és hangolást kell majd elvégezni a fordulási jellemzők finomításához. Valahol itt különböznek a prototípusokat készítő profi gyártók és tesztpilótáik az amatőröktől. Érdemes azért megjegyezni azt is, hogy manapság már olyan szoftvereket használnak a tervezők, hogy a számítógépből egyenesen kijövő modell alapján legyártott siklóernyő szinte azonnal “megfelelően” fog repülni.

Az átlagos siklóernyősnek a fenti gondolatok segíthetnek abban, hogy jobban megismerje a saját ernyőjét vagy más ernyőket, megértse a viselkedésüket és megfelelő technikával repüljön velük, annak az érzésnek a birtokában, hogy egy picit többet tud ezekről a csodálatos repülő szerkezetekről.

Végül, a magam részéről elégedett lennék, ha e szerény közreműködésem a témával kapcsolatban megállíthatná a soha véget nem érő szónoklatokat arról, amit a “Planfait teraszon” [starthely Franciaországban] és máshol hallani, sőt néha a “szak” médiában is olvasni lehet: hogy a siklóernyő fordulási elvének megértése teljesen misztikus és rendkívül bonyolult természetű dolog, olyannyira bonyolult, hogy még az ezzel foglalkozó vezető cégek sem voltak képesek megérteni eddig.

Olivier Caldara Bio Air Technologies 3 résidence de la source 78440 Issou France Tél: 01 30 93 59 12 ou 01 47 11 38 52 ou 06 12 21 47 23 Fax : 01 47 11 57 42 e-mail: Olivier Caldara, Olivier Caldara

1Szögletes zárójelben a fordító megjegyzései, kiegészítései

2A Bionic ernyőről itt lehet információt találni: http://www.bio-air-technologies.com
Jellegzetes konstrukció, bajuszhoz szokták hasonlítani az alakját. (a lektor megjegyzése)