Flyvingedesign Ia: opdrift og luftmodstand

Når man taler om at gøre et fly mere brændstoføkonomisk, ender det altid med nye motorer – men hvad med selve flykonstruktionen?

Det er lidt mere kompliceret. Motorernes opgave er simpel, de skal skubbe flyet fremad ved at sende gas/luft bagud med høj hastighed. Flyets udformning skal så sørge for at holde flyet i luften – og det er vingernes opgave i et normalt cigar-med-vinger fly.

Bortset fra Blended Wing Body (BWB) fly, hvor flykroppen (fuselagen) også hjælper lidt til, er fuselagen aerodynamisk kun til besvær pga. luftmodstand (engelsk: parasitic drag). Da parasitisk drag afhænger af fuselageoverfladen (wetted area) gælder det om at gøre denne så lille som mulig i forhold til pladsen inden i flyet, altså hvor mange passagerer man vil have plads til. Og det største rumfang I forhold til overflade er en cylinder. Når Boeing har talt om fortræffelighederne ved et fladtrykt elliptisk fuselagetværsnit, er det fordi de ønsker en bred kabine med mange sæder på tværs – ikke fordi det er bedre end et cirkulært tværsnit; tværtimod, et cirkulært tværsnit er også det bedste til at modstå trykforskellen mellem indre og ydre – dvs. væggene kan gøres tyndere og dermed opnå mindre vægt, som er altafgørende for et fly.

Så lad os koncentrere os om vingerne.  Hvordan får vingerne et fly til at holde sig i luften?

Grundlæggende gælder det populært sagt om at få lufthastighed over vingen til at være større end hastigheden under vingen, så opstår der nemlig i henhold til fluiddynamik et lavere tryk over vingen end under vingen, så vingen så at sige bliver suget opad. Der skabes altså en opadrettet kraft (lift force / opdrift) på vingen, som overføres til fuselagen og modvirker tyngdekraften.

Der er flere måde til at opnå dette på. Det simpleste er at vinkle vingen så forkanten er højere end bagkanten. Vinklen med vandret kaldes angle of attack.

Meget simpelt sagt opstår der så læ bag vingen, som giver et undertryk, der suger vinden til sig og forøger hastigheden – det bliver lidt hønen og ægget, for er det undertryk der skaber den høje hastighed eller omvendt?

En lidt bedre måde at forklare det på er den såkaldte Coanda-effekt. Luften så at sige klæber sig til vingens overflade og følger overfladen i stedet for at passere lige ud som luften, der går fri af vingen – der kommer således til at mangle luft over vingen, hvilket skaber undertrykket.

Jo større angrebsvinkel jo større opdrift, men hvis vingens vinkel til vandret bliver for stor, kan der opstå flow-separation – dvs. luften mister sit tag i vingen, så vingen mister opdrift – flyet staller og falder nedad.

Bortset fra under start, er det upraktisk at vingerne skal være vinklede fra vandret, så derfor gør man noget andet for at opnå opdrift. I steder for at have en flad vinge eller en symmetrisk vinge med sammen krumning på over og underside, bøjer man den lidt, så den bliver asymmetrisk med mindre krumning på underside end på oversiden (camber), hvilket har samme effekt som at give vingen en positiv angrebsvinkel.

En populær forklaring er, at luften må løbe hurtigere over vingen fordi afstanden er længere end under vingen, men det er lidt for simpelt. En bedre forklaring er, at fordi luftstrømmen presses sammen pga. den krumme overflade kræves en større hastighed for at få den samme luftmængde igennem og ifølge Bernoullis ligning giver hurtigere luftstrøm lavere tryk. Der skabes altså undertryk på oversiden af en cambered vinge.

Vingens opdrift er ud over angrebsvinklen og tværsnitsfaconen afhængig af flyets relative hastighed i forhold til den omgivende luft og det effektive vingeareal.

Jo hurtigere et fly flyver jo mere opdrift leverer vingerne. Jo støtte vingeareal jo mere opdrift leverer vingerne. Ved lav hastighed er det derfor nødvendigt med større vingeareal for at opnå tilstrækkelig lift. Dette opnår man med flaps på vingen, som kan foldes ud under start og landing for at forøge vingearealet ved lav hastighed.

Flaps kan også bøjes nedad for at opnår større camber, og desuden kan man mellem selve vingen og flaps have sprækker, som leder luftstrømmen nedad – dvs. luftmolekylerne påvirke af en nedadrettet kraft af vingen, som derfor som modreaktion får en opadrettet kraft; altså en ekstra liftkraft.

På vingens forkant kan være (leading-edge) slats, som sørger for ekstra luftstrømme over vingen og dermed ifølge Coanda-effekten en ekstra liftkraft.

På de fleste fly er der to sæt vinger. Ud over de store vinger et haleplan eller canards foran. Det har ikke så meget direkte med opdrift at gøre, men er for at holde flyet i vandret balance – eller tvinge det op eller ned efter behov.

Men der er en pris at betale for opdriften, den kommer ikke uden omkostninger. Det ser vi på i næste opslag.