5.1.3 DE WEERSTAND
Voor een wedstrijd wordt er lang op een zweefvliegtuig gepoetst. Heel nauwkeurig wordt het vliegtuig afgeplakt. Ontwerpers van zweefvliegtuigen doen er van alles aan om de weerstand zo klein mogelijk te maken. Een vliegtuig krijgt draagkracht door lucht naar beneden af te buigen. Hierbij ondervindt het vliegtuig weerstand waardoor het afremt. In dit hoofdstuk gaat het over de weerstand die een zweefvliegtuig tijdens het vliegen ondervindt en wat er gedaan kan worden om die zo klein mogelijk te maken.
De weerstand, die een vliegtuig tijdens het vliegen ondervindt, is naar achteren gericht. Het is een remmende kracht precies tegenovergesteld aan de vliegrichting. Op de afbeelding hieronder wordt dat weergegeven met de letter W. W is de totale weerstand die een vliegtuig ondervindt.
De totale weerstand die een vliegtuig ondervindt, wordt verdeeld in vleugelweerstand en schadelijke weerstand.
De vleugelweerstand is opgebouwd uit:
|
} profielweerstand |
De drukweerstand en de wrijvingsweerstand vormen samen de profielweerstand. De vleugelweerstand bestaat dus uit profielweerstand en geïnduceerde weerstand.
De delen van het vliegtuig die geen lift op leveren veroorzaken de schadelijke weerstand. In een schema ziet het er zo uit.
Met schadelijk weerstand bedoelen we de weerstand die ontstaat door het wiel, de romp en het verticale staartstuk. Dus alle onderdelen van het vliegtuig die niet bijdragen aan de draagkracht. Het wordt ook wel parasitaire weerstand genoemd. Door een intrekbaar wiel, gladde oppervlakten, het afplakken van naden en een aerodynamische vorm kan de schadelijke weerstand verkleind worden. Uit windtunnelproeven blijkt dat de druppelvorm (bolle voorzijde en spitse achterkant) de meest gunstige vorm is. Bij het maken van een zweefvliegtuig wordt veel gedaan om de schadelijke weerstand te beperken.
Er blijkt ook weerstand te ontstaan door de onderlinge beïnvloeding van de luchtstromingen. Dit wordt interferentie-weerstand genoemd. Bijvoorbeeld de invloed van de romp op de weerstand van het begin van de vleugel. Omdat lekken bij de overgang van de romp naar de vleugel de stroming en de interferentieweerstand negatief beïnvloeden, moeten die overgang met tape afgeplakt worden.
De restweerstand bestaat uit de druk- en wrijvingsweerstand van alle onderdelen van het vliegtuig behalve de vleugels.
De restweerstand en de profielweerstand bestaan beide uit drukweerstand en wrijvingsweerstand.
DRUKWEERSTAND
De drukweerstand wordt ook wel de vormweerstand genoemd. Het is de remmende kracht die veroorzaakt wordt doordat de aanstromende lucht tegen een onderdeel van het vliegtuig botst. Op de afbeelding hieronder zie je dat de lucht tegen een voorwerp aankomt. Een voorwerp dat door de lucht vliegt, moet de lucht voor het voorwerp in tweeën splitsen. Er ontstaat aan de voorkant een hogere druk en aan de achterzijde een lagere.
(Afb. overgenomen uit: FAA Glider Flying Handbook 2013)
De grootte van de drukweerstand is net als bij de liftformule afhankelijk van:
- de grootte van het aanstromingsvlak. Een twee keer zo'n dikke vleugel ondervindt een twee keer zo'n grote drukweerstand.
- de luchtsnelheid (V) De drukweerstand neemt in het kwadraat toe met de luchtsnelheid, dus twee keer zo snel vliegen veroorzaakt vier keer zoveel drukweerstand.
- de luchtdichtheid (ρ) Bij toenemende hoogte neemt de luchtdichtheid af en daardoor ook de drukweerstand, maar door de temperatuurdaling minder snel dan de afname van de luchtdruk.
- de vorm van het onderdeel van het vliegtuig. De druppelvorm geeft de minste drukweerstand.
- de hoek die het voorwerp maakt met de aanstromende lucht. Hoe groter de hoek met de aanstromende lucht hoe groter de drukweerstand. Zodra de luchtstroom los laat, neemt de weerstand erg toe.
1. Een twee keer zo'n groot aanstromingsvlak ondervindt een twee keer zo'n grote drukweerstand.
2. Twee keer zo snel vliegen veroorzaakt vier keer zoveel drukweerstand.
3. Twee keer zo'n hoge luchtdichtheid geeft bij dezelfde temperatuur twee keer zo'n hoge drukweerstand.
4. De druppelvorm geeft de minste drukweerstand
5. Hoe groter de hoek met de aanstromende lucht hoe groter de drukweerstand. Zodra de luchtstroming loslaat, neemt de weerstand erg toe.
WRIJWINGSWEERSTAND
De weerstand die veroorzaakt wordt door het afremmen van de luchtdeeltjes die langs de vleugels, de romp en het stabilo glijden wordt wrijvingsweerstand genoemd.
De wrijvingskracht hangt af van:
- de stromingsvorm in de grenslaag (laminair of turbulent)
- de oppervlakteruwheid
- de luchtdichtheid
- de luchtsnelheid
(Afb. FAA Glider Flying Handbook 2013)
1. Stromingsvorm in de grenslaag (laminair of turbulent) Hierboven zie je dat de luchtdeeltjes die langs de vleugel wrijven door de oppervlakteruwheid van de vleugel en door de vorm van de vleugel worden afgeremd. Vlak aan het oppervlak is de snelheid van de stroming gelijk aan nul. Buiten de grenslaag (de laag waarin de luchtdeeltjes langzamer stromen dan daarboven in de ongestoorde lucht) is de snelheid van de luchtdeeltjes gelijk aan de aanstromende lucht. Op deze afbeeldingen is de grenslaag centimeters dik getekend, in werkelijkheid is de grenslaag erg dun. Aan het begin van de vleugel vaak dunner dan 1 mm en verder naar achteren meerdere milimeters.
(Bron: FAA Glider Flying Handbook 2013)
Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee verschillende stromingsvormen:
- laminaire stromingen
- turbulente stromingen
Zolang de luchtdeeltjes keurig naast elkaar stromen is er sprake van een laminaire stroming. Laminair betekent gelaagd. Bij een laminaire stroming liggen de lagen met toenemende snelheid vlak boven elkaar. In de laminaire stromingen bewegen de luchtdeeltjes zich naast elkaar langs de stroomlijnen zonder zich onderling te vermengen. Een laminaire grenslaag veroorzaakt veel minder weerstand dan een turbulente grenslaag. Naarmate de stroming verder langs het oppervlak van de vleugel gaat, worden steeds meer luchtdeeltjes afgeremd. De grenslaag wordt dikker en het snelheidsverschil tussen de lagen wordt minder groot.
Je ziet boven op deze afbeelding dat de laminaire stroming bij de neus van de vleugel begint. Daar is de grenslaag het dunst. Verder van de voorrand van de vleugel af is de snelheid van de luchtstroming groter en neemt de dikte van de grenslaag toe.
Omslagpunt Bij het omslagpunt gaat de laminaire stroming over in een turbulente stroming. In plaats van langs stroomlijnen bewegen de luchtdeeltjes zich vanaf dat punt op een grillige, kronkelige, chaotische, manier. Sneller bewegende luchtdeeltjes vermengen zich met luchtdeeltjes vlak aan het oppervlak waardoor daar de snelheid van de luchtdeeltjes toeneemt. De grenslaag wordt dikker en dit veroorzaakt vanaf die plaats meer weerstand. Een turbulente grenslaag veroorzaakt 5 tot 10 keer zoveel wrijvingsweerstand dan een laminaire grenslaag. Daarom wordt de grenslaag het liefst zo lang mogelijk laminair gehouden. De omslag van de stroming van laminair naar turbulent vindt plotseling plaats.
(Bron: FAA Glider Flying Handbook 2013)
Hier zie je dat de stroming rondom dit profiel heel lang laminair blijft, maar op een bepaald punt, het omslagpunt, van laminair overgaat naar turbulent.
De plaats van het omslagpunt hangt af van:
- de luchtsnelheid
- de lichaamsvorm
- de oppervlakteruwheid
- de stand van het profiel in de stroming
De vorm van de vleugel zorgt ervoor dat de lucht aan de bovenkant, daar waar de vleugel dikker wordt, steeds sneller stroomt. Hier aan de voorkant van de vleugel is de grenslaag dun en de stroming laminair. Na het dikste punt gaat de lucht geleidelijk langzamer stromen en neemt de luchtdruk iets toe. De langzamere snelheid en de oppervlakteruwheid zijn hier in staat om een turbulente stroming te veroorzaken. Een laminaire grenslaag heeft moeite met een drukstijging en zal daarom sneller los laten dan een turbulente grenslaag. Loslating ontstaat vooral doordat de lucht van relatief hogere druk aan de achterkant van het profiel terug probeert te stromen naar de lage druk bij het dikste punt van het vleugelprofiel. Vandaar ook altijd een scherpe vleugelachterrand.
Het omslagpunt is niet hetzelfde als het loslaatpunt. Bij het omslagpunt wordt de stroming turbulent maar laat nog niet los. Bij het loslaatpunt kan de stroming het profiel niet meer volgen. Loslating probeer je dus te voorkomen of te beperken.
Door de vorm van de vleugel proberen we zolang mogelijk de stroming laminair te houden. Een laminair profiel heeft de grootste dikte van de vleugel op zo'n 40 á 50% van de koorde (gemeten vanaf de voorkant van de vleugel). Het voordeel van laminaire profielen is de lagere weerstand, een nadeel is dat een laminaire stroming makkelijker, lees sneller en abrupter loslaat. Een wedstrijdzweefvliegtuig heeft een laminair profiel. Een ASK-21 heeft geen laminair profiel
2. Oppervlakteruwheid Niet alleen de vorm van de vleugel heeft invloed op de plaats van het ontstaan van een turbulente grenslaag, ook de oppervlakteruwheid speelt een rol. Een zweefvliegvleugel lijkt glad maar onder een microscoop lijkt hij behoorlijk ruw. Door de ruwheid komt een laagje luchtmoleculen dicht tegen de huid van de vleugel tot stilstand en die erboven worden iets afgeremd. Zo ontstaat de grenslaag.
(Bron: FAA Glider Flying Handbook 2013)
Hier zie je turbulente stroming. Soms is het verstandig om zelf op een bepaald punt onder de vleugel of op een roer die stroming turbulent te laten worden. Dit doen we d.m.v. turbulatortape.
Twee keer zoveel snelheid veroorzaakt vier keer zoveel wrijvingskracht want, de wrijvingsweerstand is recht evenredig met het kwadraat van de luchtsnelheid.
GEÏNDUCEERDE WEERSTAND
Geïnduceerde weerstand wordt veroorzaakt door het weglekken van het lucht van de onderzijde van het vleugelprofiel naar de bovenzijde. Induceren betekent veroorzaken, teweegbrengen, op gang brengen. Door de vorm van de vleugel ontstaat er aan de onderkant een overdruk (plaatselijk maximum) en aan de bovenkant een onderdruk (plaatselijk minimum).
De lucht wil altijd van een maximum druk naar een minimum druk. Het maximum van onder de vleugel probeert naar de onderdruk van boven de vleugel te stromen. Daardoor ontstaat er onder de vleugel een stroming naar de tip en boven de vleugel een stroming naar de romp.
(Bron: FAA Glider Flying Handbook 2013)
De stroming aan de bovenkant van de vleugel buigt iets af naar de romp en onder de vleugel iets naar de tip. Zo ontstaat er bij de tip een spiraalvormige wervelende luchtstroming die zich naar achteren voort zet. Dit wordt ook wel zog turbulentie of vortex genoemd. Hoe groter de invalshoek, hoe groter het drukverschil en daardoor meer zog turbulentie.
Daar waar de stroomlijnen aan de vleugelachterrand bij elkaar komen wordt een draaibeweging ingezet, er vormen zich wervels die als twee kurketrekkers achter de vleugel aflopen.
Vortex (bron NASA)
Bij het vliegen achter grote vliegtuigen moet je deze zog turbulentie altijd vermijden.
De zog turbulentie is niet na een paar tellen verdwenen, maar kan wel een paar minuten in de lucht blijven staan.
Bij zweefvliegtuigen is de geïnduceerde weerstand een behoorlijk deel (tot ongeveer 50%) van de totale weerstand. Hoe groter de invalshoek hoe groter de geïnduceerde weerstand. Geïnduceerde weerstand is de tol die we voor het produceren van lift moeten betalen (lift induced drag).
Vliegen zonder geïnduceerde weerstand is niet mogelijk, maar we kunnen de geïnduceerde weerstand wel verlagen door:
- een grotere spanwijdte
- het gebruik van winglets
- een grote vleugelslankheid
Nimbus 4 met 26,5 m spanwijdte
- Een grotere spanwijdte Als de spanwijdte toeneemt, dan wordt de lucht over een breder gebied en onder een kleinere hoek afgebogen. De luchtstroom zal meer afstand moeten afleggen om weg te lekken van de onderkant naar de bovenkant van het vleugelprofiel. Uit proeven blijkt dat de geïnduceerde weerstand omgekeerd evenredig is met de spanwijdte. Een grotere spanwijdte heeft dus een behoorlijk effect op de geïnduceerde weerstand. Het vergroten van de spanwijdte heeft ook weer z'n grenzen. Hoe groter de spanwijdte hoe groter het gewicht, de wendbaarheid neemt af en de vervorming van de vleugel begint dan een rol te spelen.
- Het gebruik van winglets Het gebruik van winglets helpt om het lekken van de lucht, die om de vleugeltip naar de bovenkant wil, te verminderen.
- Een grotere vleugelslankheid zorgt voor een meer ellipsvormige opbouw van de onderdruk boven de vleugel. Een ellipsvormige opbouw vermindert de geïnduceerde weerstand.
Op deze snelheidspolaire (een uitleg over de snelheidspolaire staat bij 5.2 Vliegmechanica) is globaal de geïnduceerde weerstand, de profielweerstand en de schadelijk weerstand weergegeven. Op de horizontale lijn staat de vliegsnelheid en op de verticale lijn de daalsnelheid. Bij lage snelheden is de invalshoek groot en de geïnduceerde weerstand groot. Bij hoge snelheden is de invalshoek klein en de geïnduceerde weerstand klein. Met het toenemen van de snelheid neemt de geïnduceerde weerstand af en nemen de profielweerstand en de schadelijk weerstand toe.
