Flight dynamics

Aerodynamik: Luftmodstand & opdrift

Kræfterne der påvirker et fly i luften

Når et flyvende legeme bevæger sig gennem luften, bliver det udsat for en friktionskraft (drag) mellem legemet og luften, som afhænger af

  • luftens densitet
  • flyvemaskinens effektive overfladeareal
  • en drag-koefficient CD bestemt af flyets form
  • flyvemaskinens hastighed kvadreret

Dette kaldes parasitisk drag.

For at holde et fly i luften er en flyvinge er konstrueret, så der skabes et undertryk på oversiden, når den bevæges gennem luften.

Liftkraft

Undertrykker skaber en opadrettet kraft (lift) på vingen, som afhænger af

  • luftens densitet
  • det effektive vingeareal
  • en lift-koefficient CL bestemt af vingens tværsnitform; for at få opdrift skal en flyvinge være krum (camber)

Vingetværsnit uden lift (øverst) og med lift (nederst)

  • flyvemaskinens vandrette hastighed kvadreret

Jo større vægt et fly har, jo større liftkraft skal der til for at opveje tyngdekraften på flyet og holde det i luften.

Den opadrettede liftkraft kommer ikke gratis, så ud over den parasitiske friktion mellem flyet og luften, kommer der en ekstra modstand kaldet induceret drag rettet mod flyets bevægelse.

Lift medfører drag

Den inducerede modstand afhænger af

  • luftens densitet
  • det effektive vingeareal
  • en induceret drag-koefficient CDi som afhænger af
    • aspekt ratio – det effektive forhold mellem vingens længde og bredde; lo længere og smallere jo bedre; man kan skabe en virtuelt længere vinge ved at sætte vingtips i forskellige faconer på vingerne
    • formfaktor, en elliptisk vinge er optimal (tænk WW2 Spitfire), men ikke hensigtsmæssig for et jetflys tilbagesvungne vinger, som er nødvendige ved høje hastigheder for at undgå chokbølger over vingerne
  • flyvemaskinens hastighed kvadreret

Induceret drag er større end parasitisk drag ved lave hastigheder – ved høje hastigheder er det omvendt.

Parasitisk og induceret drag som funktion af hastigheden

Motorkraften fra en turbine-motor afhænger af

  • hvor mange kg gas motoren kan sende bagud pr. tid
  • med hvilken hastighed motoren kan sende gassen ud

dvs. hvor meget gas med hvilken hastighed den kan levere

Motorkraften fra en jetmotor på et fly afhænger dog af ikke af udstødningsgassens absolutte hastighed men af forskellen mellem gassens hastighed og flyvemaskinens hastighed, jo hurtigere flyet flyver jo mindre bliver motorkraften indtil kraften ville blive nul, hvis flyet kunne opnå samme hastighed som udstødningsgassen, hvilket ikke vil ske pga. friktionen. Derfor er der en maksimal hastighed et fly kan opnå.

Der er også en minimumshastighed for et fly. Hvis hastigheden kommer herunder, bliver liftkraften, som afhænger af hastigheden, for lille og flyet mister opdrift (staller). Et fly kan lettere stalle, hvis det stiger i en for stor vinkel, da vingernes bæreevne derved bliver mindre.

Vingerne på et fly er normalt placeret lidt bag ved flyets massemidtpunkt.

Halerorets virkning

Da tyngdekraften kan antages at angribe flyets i dets massemidtpunkt, vil den opadrette kraft på vingen give et kraftmoment som vil få flyet til at dykke nedad med næsen. For at forhindre dette giver haleplanet en nedadrette kraft.

Jo længere afstanden er fra massemidtpunktet til haleplanet, jo kraftigere drejningsmoment yder haleplanet.

Luftens densitet aftager med højden. Jo højere et fly flyver, jo mindre bliver friktionen, da den afhænger af luftens densitet. Derfor er det en fordel af flyve højt. Men lift og motorkraft afhænger også af luftens densitet. Jo højere et fly flyver, jo mindre bliver lift og motorkraft. Derfor er der en maksimal højde et fly kan flyve i.

Man skal også tage højde for trykforskellen mellem trykket inde i kabinen og udenfor; et fly er kun designet til en given trykforskel. For at mindske trykforskellen holdes trykket i kabinen mindre end det tryk vi er vant til ved havets overflade. Det er derfor især små børn får ondt i ørerne, når flyet er på vej ned, og trykket i kabinen stiger igen. I en højde på ca. 3 km kan man begynde at mærke iltmangel. I et aluminiumsfly svarer trykket i kabinen derfor til en højde på ca. 2½ km, men i moderne plasticfly, som er mere elastiske, er trykket højere svarende til en højde på kun ca. 2 km, hvilket er mere behageligt.

Et passagerfly flyver normalt i en højde på mellem 10 og 12 km.

Flykontrol: Pitch, roll & Yaw

Et fly kan i luften dreje om tre akser

  • Pitch – næsen op og ned
  • Roll – venstre vinge ned og højre op eller omvendt
  • Yaw – næsen til venstre eller til højre

De 3 bevægelsesmuligheder

Flyvehøjden for et fly ændres ved at ændre pitch, som ændres ved at ændre det moment som haleplanet yder ved at dreje nogle bevægelige paneler på haleplanet eller dreje hele haleplanet.

Flyveretningen ændres ikke med yaw, som reguleres med haleroret, men ved at gøre lift forskellig på de to vinger, så flyet drejer om roll aksen (bank) hvilket medfører, at flyet svinger til den side, hvor vingen går ned. Dette opnås ved at dreje ailerons, som normalt sidder yders bagpå vingerne, hver sin vej.

Roll og dermed ændring af flyveretning bestemmes med ailerons

Længere inde på vingerne sidder normalt flaps, som ved langsom flyvning bruges til at øge lift ved at øge camber så flyet ikke staller.

Paneler til forøgelse af vingernes camber ved langsom flyvning

Foran på vingen kan også være slats, som kan forøge camber yderligere.

Og oven på vingerne sidder ofte nogle plader, der kan løftes så drag-koefficienten øges dramatisk for at bremse flyet – især på jorden ved landing.

Luftbremser på vinge (med flaps udfoldet)

På mange motorer sidder også luftbremser, som kan sende luftstrømmen fra motoren fremad i stedet for bagud.

Aktiveret motorluftbremse

Haleroret bruges primært til at holde næsen fremad – fx ved landing i kraftig sidevind.