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