FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE U ZAGREBU

STUDIJ ZRAKOPLOVSTVA

SEMINARSKI RAD IZ KOLEGIJA

“JEDRILICE I ZMAJEVI”

Siniša Galušić 35971362 ZRAK – 1

Veljača, 2003. Siječanj, 2003. Rujan, 2002.

Siniša Galušić

Sadržaj: 1. JEDRILICE I ENERGIJA..................................................................................................2 2. AERODINAMIKA JEDRILICE – DVIJE VRSTE OTPORA ..........................................5 3. AERODINAMIKA JEDRILICE – DIZAJN KRILA.........................................................6 4. UTJECAJ TEŽINE I PRIMJENA BALASTA ..................................................................9 5. METEOROLOŠKI UVJETI I NAČIN JEDRENJA ........................................................11

5.1. Termalni stupovi zraka .............................................................................................11 5.2. Padinski uzgon..........................................................................................................12 5.3. Jedrenje ispred olujne fronte.....................................................................................12 5.4. Zračni valovi.............................................................................................................13

6. LITERATURA:................................................................................................................13

1

Siniša Galušić

1. JEDRILICE I ENERGIJA

Svi zrakoplovi koriste energiju za let kroz atmosferu, zbog trenja, otpora oblika i dr., koji nastaju kao posljedica gibanja zrakoplova kroz zračni medij. Taj gubitak energije se predaje atmosferi u obliku topline. Kod pogonjenih zrakoplova energiju proizvode motori konverzijom kemijske energiju sadržane u gorivu u mehaničku, i tako omogućuju let zrakoplovu na konstantnoj visini. Za jedrilice energija za održavanje leta je u formi potencijalne energije, odnosno visine iznad zemlje. Jedrilica polagano iskorištava svoju potencijalnu energiju dok ponire prema zemlji. Dva oblika energije koji upravljaju letom jedrilice su potencijalna energija (povezana sa visinom) i kinetička energija (povezana sa brzinom). Potencijalna energija (PE) PE = W x h, gdje je; W-težina (N) h-visina (m) Kinetička energija (KE) KE = W x v²/2g gdje je; W-težina (N) v-brzina (m/s) g-gravitacijsko ubrzanje (9.81 m/s²). Vremenski dijagram jednog tipičnog leta jedrilice (bez termalnih stupova) je prikazan na slici 1.

Slika 1: Vremenski dijagram, let bez termalnih stupova

2

Siniša Galušić

Slika 2 prikazuje isti let ali sa brzinom i visinom pretvorenim u kinetičku i potencijalnu energiju u ft.-lbs. Na početku leta, avion vuče jedrilicu pri čemu se povećava njena kinetička energija.To uzrokuje penjanje jedrilice konstantnom brzinom pri čemu raste njena potencijalna energija. Nakon otpuštanja sa aviona, jedrilica lagano počinje ponirati konstantnom brzinom, smanjujući svoju potencijalnu energiju u svrhu održavanja brzine. Kada se potencijalna energija jedrilice potroši (slijetanje na nultoj visini), preostali dio kinetičke energije se istroši u trenju između kotača i piste pri zaustavljanju jedrilice.

Slika 2: Vremenski dijagram, let sa 3 termalna stupa Jedrilica nakon otpuštanja sa tegljača nema nikakvu pogonsku energiju, pa će neminovni gubitci energije usljed trenja i otpora konstantno smanjivati energiju jedrilice (primarno njenu potencijalnu energiju). Let bi brzo završio ako se ne bi pronašao neki prirodni izvor energije u obliku uzlaznog strujanja zraka (Slika 3).

Slika 3: Vremenski dijagram uspinjajućeg leta, 3 termalna stupa

3

Siniša Galušić

Kako sunce zagrijava Zemljinu površinu, pravi različite vremenske uvjete i uzrokuje uzlazno i nizlazno strujanje zraka u obliku termalnih stupova i zračnih struja. Pilot jedrilice pri letu traži to uzlazno strujanje zraka i koristi ga za povećanje potencijalne energije jedrilice (Slika 4). Visina, odnosno potencijalna energija je ono što pogoni jedrilicu i zamjenjuje gorivo kod pogonjenih zrakoplova. Ako jedrilica može ostvariti velike visine (veliku potencijalnu energiju), i ako se gubitci uslijed trenja i otpora učine što manjim, može se ostvariti let na velike udaljenosti. Obično o vještini pilota najviše ovisi dolet jedrilice, i o njegovoj sposobnosti da pronađe uzlazno strujanje zraka i obnovi energiju jedrilice. Očigledno je da će visoko efikasne jedrilice (visoki odnos L/D) iskorisiti svoju potencijalnu energiju mnogo bolje, jer poniru kroz atmosferu sa vrlo malom vertikalnom brzinom.

Slika 4: Energijsko – vremenski dijagram leta sa 3 termalna stupa Istu tehniku koriste i ptice, kao što su orlovi i sokoli, za prelazak velikih udaljenosti bez mahanja krilima. Na početku leta, avion omogućuje jedrilici početnu visinu koju će koristiti kao energiju (obično 2000 stopa), a pilot mora locirati uzdižuću masu zraka prije nego se ta energija potroši, ako želi nastaviti let.

4

Siniša Galušić

2. AERODINAMIKA JEDRILICE – DVIJE VRSTE OTPORA Iz aerodinamike je poznato da svaki zrakoplov proizvodi dvije vrste otpora. Jedan je otpor oblika i posljedica je trenja između vanjske površine zrakoplova i molekula zraka kroz koje se zrakoplov giba. Veličina otpora oblika je obično povezana sa oplakivanom površinom zrakoplova (ukupna površina oplate koja je u kontaktu sa zrakom) i sa ukupnom glatkoćom površine, što predstavlja broj elemenata koji strše sa površine i kvare glatko opstrujavanje zraka. Otpor oblika je proporcionalan kvadratu brzine (parabolna ovisnost), što je prikazano na slici 5.

Druga vrsta otpora je inducirani otpor i on je povezan sa veličinom uzgona koju proizvodi krilo za održiv let. Kako se brzina smanjuje krilo se mora postavljati pod većim napadnim kutom da bi održalo konstantan uzgon, a veći napadni kut uzrokuje i veći inducirani otpor. Iz toga slijedi da je inducirani otpor najveći pri malim brzinama. Ako superponiramo ova dva otpora dobijemo krivulju ukupnog otpora koji ovisi o brzini leta na način kako je prikazano na slici 5. Za bolje razumijevanje koncepta uzgona treba razmotriti fizikalni princip količine gibanja koji je definiran kao produkt mase i brzine gibanja, jer krilo u letu uzrokuje promjenu količine gibanja mase zraka koja je jednaka težini jedrilice. Velike brzine leta rezultiraju manjim napadnim kutevima jer oko krila opstrujava veća količina zraka u jedinici vremena. Male brzine zahtijevaju veliki napadni kut jer je manji protok zraka oko krila, pa se strujnice trebaju više zakrenuti da bi se ostvarila zahtijevana promjena količine gibanja.

5

Siniša Galušić

3. AERODINAMIKA JEDRILICE – DIZAJN KRILA Prema aerodinamičkoj teoriji, dokazanoj u zračnim tunelima i testnim letovima, postoje dvije karakteristične veličine koje su primarne za performanse sa velikim uzgonom i malima otporom (velikim omjerom L/D): (1) aerodinamički profil krila (poprečni presjek, slika 7a) o kojem ovise uzgon i otpor oblika, i (2) vitkost krila (slika 7b) koja utječe na inducirani otpor.

Slika 7a: Aeroprofil krila

Slika 7b: Vitkost krila

6

Siniša Galušić

Oblikovanje aerodinamičkog profila krila je kompleksni proces koji uključuje komplicirane matematičke proračune koje prate dokazna testiranja u aero tunelima. Danas se za oblikovanje aeroprofila koriste računala kojima se optimiraju uzgon i otpor za specifične uvjete leta. Na primjer, jedan aeroprofil jedrilice može biti dizajniran za postizanje velikog L/D omjera za jednu brzinu leta, dok drugi može postići razmjerno velik L/D ali za širok raspon brzina leta. Vitkost krila bitno manje utječe na L/D. Teorija i praksa su pokazali da je najefikasnije krilo jedrilice ono koje je vrlo dugačko i usko (velika vitkost). Konstrukcija dugačkog, uskog krila koje će nositi uzgonska opterećenja u letu, a biti s druge strane lagano, je veoma težak i izazovan zadatak. Kompozitni materijali (sandwich struktura sa staklenim ili ugljičnim vlaknima) su pokazali mnogo prednosti u strukturalnoj efikasnosti krila jedrilice. Vrijednosti omjera L/D danas se približavaju vrijednosti od 60 za kategoriju sportskih jedrilica. Ovisnost uzgona i otpora za cijelu jedrilicu se obično predstavlja u bezdimenzionalnom obliku zvanom polara jedrilice. Polara je krivulja koja pokazuje ovisnost Cl i Cd sa napadnim kutom α kao parametrom. To znači da se za svaki α sa dijagrama može očitati par točaka, odnsosno Cl i Cd. Kako se koeficijent uzgona povećava (vertikalna os), koeficijent otpora raste po paraboličnom zakonu (koeficijent otpora je približno proporcionalan kvadratu koeficijenta uzgona). Tako se vrijednost L/D lako izračunava za bilo koju točku krivulje očitavanjem vrijednosti sa obije osi i njihovim dijeljnjem. Također treba primijetiti da se maksimalna vrijednost L/D (najstrmiji dio dijagrama) ostvaruje u točki na krivulji koja je tangencijalna na liniju iz ishodišta.

Vrijednosti L/D dobijene sa slike 8 mogu se prikazati i u ovisnosti o brzini leta jedrilice kao što se to vidi na slici 9. Ovaj dijagram daje ovisnost L/D o brzini leta za određenu jedrilicu.

7

Siniša Galušić

Koeficijenti uzgona i otpora mogu biti zamijenjeni horizontalnom i vertikalnom brzinom (slika 10). (Postoji dodatno matematičko objašnjenje ove konverzije obzirom na bezdimenzionalnu prirodu ovih koeficijenata, tako da krivulje nisu egzaktno istog oblika). Ovaj dijagram pokazuje pilotu jedrilice koliku finesu može očekivati za odabranu brzinu leta u mirujućem zraku (nema vjetra). Taj dijagram je jedinstven za pojedini tip jedrilice. Slika 10 pokazuje dvije brzine koje su najkorisnije pilotu jedrilice: - Brzina najbolje finese (najvećeg doleta) koja odgovara točki na krivulji koju tangira linija iz ishodišta (54 čvorova na slici 10), i - Brzina minimalnog propadanja koja odgovara najvišoj točki na krivulji propadanja (49 čvorova na slici 4). Brzina najbolje finese je karakteristična za pravocrtni let npr. između termalnih stupova, dok je brzina minimalnog propadanja karakeristična za let, odnosno penjanje u termalnom stupu.

8

Siniša Galušić

4. UTJECAJ TEŽINE I PRIMJENA BALASTA Kada se bezdimenzionalni koeficijenti kroz odgovarajuće matematičke jednadžbe konvertiraju u brzine leta potrebno je uključiti u proračun i težinu letjelice. Lake jedrilice mogu ostvariti svoj maksimalni L/D omjer pri malim brzinama leta, dok teže jedrilice moraju letjeti većim brzinama da bi ostvarile isti L/D. Npr. teška jedrilica leteći brzinom od 61 mph (26,84 m/s) će ponirati sa istom finesom (30:1) kao i laka jedrilica leteći 54 mph (23,76 m/s). Povećanje horizontalne brzine leta uslijed povećanja mase rezultira proporcionalnim povećanjem propadanja. Na primjeru iz slike 11 vidljivo je da dodavanjem balasta ista jedrilica uz povećanje mase može imati jednaku finesu, ali da se u tom slučaju brzina najmanjeg propadanja povećava. Za težu jedrilicu brzina najmanjeg propadanja je približno 56mph (24,64 m/s) i najmanje propadanje 2 mph (0,88 m/s). Za lakšu jedrilicu brzina najmanjeg propadanja je približno 48 mph (21,12 m/s) i najmanje propadanje približno 1,8 mph (0,792 m/s). To znači da će teža letjelica trebati jači termalni stup od lake jedrilice. Također, teža letjelica leteći brže neće biti u stanju napraviti oštri zaokret kao laka, i neće se moći održati u termalnom stupu malog promjera. Prednost teških jedrilica se može vidjeti na usporedbi krivulja koja je dana na slici 12, pri brzinama većim od brzine za maksimalni L/D. Laka jedrilica može postići L/D = 20 leteći 80 mph (finesa 20:1), dok teška jedrilica može postići istu finesu pri 90 mph, što je značajno poboljšanje ako se pilot utrkuje. Natjecateljske jedrilice obično nose vodu u spremnicima u krilu koja im omogućuje dodatnu brzinu u jakim termalnim uvjetima. Pilot vodu može ispustiti ako jakost termalnog stupa oslabi.

9

Siniša Galušić

10

Siniša Galušić

5. METEOROLOŠKI UVJETI I NAČIN JEDRENJA Postoje četiri vremenske značajke koje stvaraju područja zračnog strujanja i prema tome četiri karakteristična načina jedrenja. To su: Jedrenje u termičkim stupovima, Jedrenje na padini, Jedrenje na zračnim valovima i Jedrenje ispred olujne fronte.

5.1. Termalni stupovi zraka Najčešći izvor uzlaznostrujećeg zraka su termalni stupovi. Kada se malo područje površine, koje ima tendenciju upijanja topline, zagrije sunčevim zračenjem, zrak neposredno iznad tla je također zagrijan. Kako je taj zrak topliji od svoje okoline započet će ekspanziju i podizat će se prema gore, dok će se hladniji zrak kretati prema dolje. Taj hladniji zrak u blizini površine će se zagrijati i proces se nastavlja. Eventualno se može pojaviti stabilna struja balona koji formiraju stup uzdižućeg zraka (slika 13). Baloni će nastaviti rasti, ekspandirat će i hladit će se dok ne dosegnu visinu gdje je temperatura okolnog zraka jednaka temparaturi balona. Baloni će se stabilizirati na toj visini i počet će se bočno širiti. Ako za vrijeme tog procesa temperatura balona dostigne vrijednost ispod točke rosišta, počet će kondenzacija vlage iz zraka i formirat će se oblak. Većina termalnih stupova se stabilizira prije dostizanja točke kondenzacije, tako da neće svi termalni stupovi proizvoditi kumulusne oblake. Ipak, tipična indikacija termalnog stupa je prisutnost malih, gustih kumulusnih oblaka na nebu. Druga vizualna indikacija termalnog stupa može biti prisustvo malih zračnih vrtloga pri zemljinoj površini. Jakost termalnih stupova ovisi o mnogo faktora, ali jaki termalni izvori često prave stupove uzlaznostrujećeg zraka koji imaju brzinu i do 17 mph (7,48 m/s) koja je značajno veća od brzine poniranja tipične jedrilice (1.5 – 2 mph). Ako jedrilica leti u krug u jakom termalnom stupu može dosegnuti vertikalnu brzinu penjanja i od 15 mph (6,6 m/s). Najjači termalni stupovi su iznad visokih terena (brda i planine). Jedrilice najčešće lete u termalnim stupovima do visina od približno 17000 stopa u Australiji i Novom Zelandu (u Hrvatskoj od 2500 – 3000 m), za što su moderne jedrilice opremljene kisikom.

11

Siniša Galušić

5.2. Padinski uzgon Još jedan izvor uzlaznostrujećeg zraka je vjetar koji struji preko grebena ili planine. Zrak koji se približava grebenu mora se kretati prema vrhu grebena, pa jedrilica mora letjeti uzstrujno od grebena da bi iskoristila prednost ovakvog strujanja (slika 14). Ako je greben dugačak i okomit na pravac strujanja vjetra pilot jedrilice može preletjeti velike udaljenosti i jedriti dugo vremena zbog uzgona dobijenog na ovakav način.

5.3. Jedrenje ispred olujne fronte Poprečno strujanje nastaje kada se spoje dvije različite mase zraka pod određenim kutem. U primjeru na slici 15 vjetar puše oko planine prema konvergentnoj ciklonalnoj dolini. Kada se zračne mase susretnu javlja se područje slabog uzlaznog strujanja zraka koje se može iskoristiti za povećanje visine jedrilice. Druga vrsta poprečnih linija se formira kada područje toplog suhog pustinjskog zraka puše prema području hladnog, vlažnog, morskog zraka.Topli pustinjski zrak će se uzdignuti iznad hladnog morskog duž konvergentne zone.

12

Siniša Galušić

5.4. Zračni valovi Valna aktivnost je rezultat vrlo kompleksnih vremenskih procesa, ali se manifestira u nekoliko velikih područja naglo uzdižućeg zraka. Valni uzgon je sličan grebenskom uzgonu po tome što vjetar puše preko planinskog vrha. Ako se brzina vjetra povećava sa povećanjem visine (što je obično slučaj kada je zračna struja prisutna u višim slojevima atmosfere), uzgon uzvodno od grebena je povećan na većim visinama (slika 16).

Brzine zračne struje često dostižu i 100 mph (44 m/s) na 35000 stopa visine, dok brzine vjetra mogu biti samo 15 mph (6,6 m/s) na 5000 stopa. Pod ovim uvjetima stabilni uzgon od preko 1000 fpm može se pojaviti na visinama između 5000 i 35000 stopa. Valovi se obično indiciraju preko lenikularnih (lećastih) oblaka na velikim visinama, a na malim visinama preko rotor (vrtložnih) oblaka. Uzdižući zrak u valovima je izrazito miran. Kako je brzina vjetra obično bliska brzini jedrilice, efekt nastao kombinacijom mirnog zraka i smanjenog gibanja relativno prema površini stvara kod pilota dojam o negibanju. Vrtložni zrak u rotor oblaku je izrazito turbulentan i može izazvati turbulentna opterećenja na jedrilici u letu. Zračni valovi mogu podići jedrilice na vrlo velike visine, gdje je neophodna maska sa kisikom. Trenutni visinski rekord za jedrilice iznosi preko 49000 stopa .

6. LITERATURA: http://www.patprojects.org/glider/aovt/tutintro.htm Slobodan Janković: Mehanika leta zrakoplova

13