Lennokin suunnittelu

RC-Suomi
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Lennokkien ja lentävien laitteiden suunnittelu on kaikessa hienoudessaan loputon suo, jossa voi aina parantaa kaikkea. Artikkelin tavoite ei ole antaa valmiuksia piirtää 500-paikkaista matkustajakonetta, joka lentää nelinkertaisella äänennopeudella pisaralla kerosiinia, vaan tarkoituksena on esitellä perusteet yksinkertaisen puistolennokin suunnitteluun, joita voi soveltaa myös muihinkin lennokkiprojekteihin.

Yleinen kokoluokka

Kun mietitään minkälaista teho- ja kokoluokkaa lennokille haetaan, pitää ottaa huomioon lennätyspaikan rajoitukset, rakennustilojen rajoitukset, sekä tietenkin oman lompakon rajoitukset. Hyvä lähtökohta puistolennokille on eräänlainen kolminaisuus: metri, puoli kiloa, 150W. Kannattaa katsoa myös Potkurin, sähkömoottorin ja akun mitoitus -artikkeli.

Kyseessä on siis metrin kärkivälin kone, jonka painoluokka on n. 500 g, moottoritehon ollessa noin 150 W. Tämmöisillä spesifikaatioilla varustettu lennokki on taipuvainen myös taitolentoon, jos suunnitteluprosessi on muuten ollut järjellinen. Lennokin suunnittelu ja rakentaminen ei onneksi ihan avaruustiedettä joudu olemaan, joten kaiken ei tarvitse onnistua täydellisesti--ei etenkään ensimmäisellä kerralla. Metrin kärkivälin kone voi tosin painaa, tyypistä riippuen, jopa niinkin vähän kuin 150 g ja yläpään ääritilanteessa yli kilon. Trainer-käyttöön pyritään 20-30g/dm^2 siipikuormaan, eli kantopintakuormitukseen.

Siipi

Siivessä on muutamia muuttujia, jotka pitää huomioida suunnitteluprosessissa. Siiven kärkiväli pitää päättää, siiven jänne (siiven päädyn leveys), siiven profiili tai profiilit (tyviprofiili voi olla eri kuin kärkiprofiili), mahdollinen V-kulma, yleinen geometria (trapetsisuus, nuolimuoto). Tässä esimerkkitapauksessa pitäydytään helpossa rakennettavuudessa, eli siipenä on suora, vakioprofiilinen taso.

Siipiprofiili

Tiedosto:Clark y small.png
Clark Y siipiprofiili
Tiedosto:S3012 small.png
Selig 3021 siipiprofiili
Tiedosto:SD7037 small.png
SD7037 siipiprofiili

Siipiprofiili, tai yleensä lyhyemmin profiili, vaikuttaa koneen lento-ominaisuuksiin monella tavalla. Tästä aiheesta löytyy monenlaista väitettä ja RaHi-/Stetson -menetelmän kannattajia, mutta voitaneen todeta että olemassa on muutamia ns. "luottoprofiileja", jotka toimivat lähestulkoon koneessa kuin koneessa. Alla lista näistä yleisistä profiileista:

  • Clark Y (ja eri versiot)
  • Eppler 205
  • Selig 3021 (tunnetaan myös nimellä S3021)
  • SD 7037

Profiilin mitta ilmoitetaan seuraavasti, esimerkiksi tässä metrin kärkivälin koneessa: 200 mm 10 % SD 7037. Tässä tapauksessa profiiligeometriaksi on valittu SD 7037, profiilin pituudeksi 200 mm (eli siiven yläkuvannon koko on 1000 × 200 mm) ja profiilin paksuudeksi 10 % profiilin pituudesta, eli siiven paksuin kohta on 20 mm paksu. 10 % paksuus on normaalitilanteessa hyvä lähtökohta trainer-tyyppisille lennokeille, sillä sopiva paksuus ja järkevä profiilivalinta tuottaa lennokin, jolla on hyvät sakkaus- ja hidaslento-ominaisuudet sekä toimii ilmassa johdonmukaisesti.

Siipiprofiileja koordinaatteineen löytyy mm. UIUC Airfoil Coordinates Databasesta. Lentävien siipien profiileja voi puolestaan etsiä esimerkiksi Saksalaiselta Aerodesign sivustolta. Eikä pidä unohtaa Profili2-ohjelmaa, siitä saa mm. tulostettua profiileja. Pro-versiolla voi suunnitella koko siipipaneelin. Näppärä ohjelma melko mitättömään(10 €) hintaan.

Siipigeometria

Siipigeometria määrää monenlaisia ominaisuuksia yhdessä muiden aspektien kera, mutta lennokkikäytössä tyypillisin käytösero löytyy siitä miten lennokki, tai oikeammin sen siipi, sakkaa. Kun suora, vakioprofiilinen siipi normaalisti sakkaa suhteellisen tasaisesti eteenpäin (olettaen, että se on rakennettu riittävän suoraksi, oikeanlaisella wash-outilla), sakkaa voimakkaan trapetsinen, ja/tai nuolimuotoinen siipi yleensä jommalle kummalle siivelle, melko voimakkaasti. Hyviä lennokkitason esimerkkejä ovat toisen maailmansodan aikaiset hävittäjämallit, kuten vaikkapa Spitfire, Messerschmitt Bf 109-G, ym.

Siipigeometrian toinen näkyvä osa on siiven sivusuhteen valinta. Hyväksi lähtökohdaksi ns. yleiskoneelle on havaittu 1:5..1:6 sivusuhde, eli siiven kärkiväli on 5-6 kertaa siiven jänteen mittainen. Esimerkkikoneessa on sivusuhde 1:5, kun siiven jänne on 200 mm ja kärkiväli 1000 mm. Sivusuhde määrää merkittävissä osin mm. lennokin liito-ominaisuudet: suuri sivusuhde tuottaa pienemmän indusoidun vastuksen ja tuottaa normaalisti pitkään liitävän lennokin. Varjopuolena on mm. vaativampi rakennustekniikka, kun pitkä, kapea ja ohut siipi on vaikeampi saada jäykäksi kuin lyhyempi ja leveämpi. Liidokeissa ja sähköpuolen nopeuskoneissa (F5D) on tämä suuren sivusuhteen hyötyajattelu ollut tiedossa jo pitkään. Sivusuhteen käytännön alarajaa ei ole, sillä jopa neliömäisellä siivellä voi lentää - joskin se on pituusakselin suhteen hieman epävakaa ja vaatii sen suhteen muuta vakautusta.

Siiven kierto, eli wash-out

Siiven sakkausominaisuuksiin pitää saada jonkinlainen ote, ettei rakentaminen ole siiven osalta kovaa arvailua silloin, kun siipi ei toimi kunnolla. Siiven sakkaus johtuu nostovoiman katoamisesta, joka taas johtuu tarvittavan ilmavirran irtoamisesta siiven yläpinnasta. Virtauksen irtoamisen on tarkoitus tapahtua hallitusti ja sitä on voitava jossain määrin ennustaa, ettei jokainen sakkaus tule yllätyksenä. Siiven kohtauskulman kasvaessa tapahtuu sakkaus ennen pitkää, jolloin olisi kannattavaa pyrkiä siihen, että siiven keskialue sakkaa ensimmäisenä, eikä missään nimessä jompi kumpi siiven kärki, jolloin sakkaus tapahtuu suhteellisen tasaisesti eteenpäin, eikä äkillisesti jommalle kummalle siivelle. Tähän sakkausominaisuuteen päästään siten, että rakennetaan siipeen sopivasti kiertoa. Normaalisti kiertoa voi kuvata siten, että kärjissä siiven johtoreuna on hieman jättöreunan alapuolella, kun tyvessä siipi on vaakatasossa, eli kohtauskulma on suurempi.

Tähän voisi kehitellä kuvan geometrisesta kierrosta.

Peräsimet

Perinteisen mallin mukaisessa lennokissa rungon takaosasta löytyy korkeus- ja sivuvakaimet, sekä -peräsimet. Vakaimet ovat siis ne kiinteät osat peräsimistä ja liikkuvat ohjainpinnat ovat itse peräsimet. Puhekielessä kuitenkin viitataan korkeus- tai sivuperäsimeen kokonaisuutena, eli tästä edespäin teen tekstissä samoin.

Korkeusvakaimen ja -peräsimen mitoitus

Korkeusperäsimen suunnittelussa on monta aspektia, jotka tulee huomioida kun suunnittelee lennokkia. Korkeusperäsimen pinta-ala tulisi ehdottomasti olla vähintään 10% siiven pinta-alasta, mieluummin vielä hieman enemmän, noin 15-20% siipipinta-alasta.

Esimerkkikoneessamme on siiven pinta-ala 2 dm x 10 dm = 20 dm^2, eli korkeusperäsimen pinta-alaksi olisi hyvä saada vaikkapa 0,15 x 20 dm^2 = 3 dm^2.

Korkeusperäsimen muoto

Korkeusperäsimen muoto on normaalisti (yksinkertaistaen) suorakaide, mutta sivusuhteesta puhutaan kohtalaisen harvoin. Empiiriset kokeet ovat osoittaneet, että sopiva sivusuhde peräsimelle on noin 1:3. Esimerkkitapauksen 3 dm^2 peräsimen voi kätevästi mitoittaa kokoon 10 cm x 30 cm, josta 30 cm on luonnollisesti kärkiväli ja 10 cm on jänne.

Korkeusperäsimen ohjainpinnan pinta-ala

Kun puhutaan itse ohjainpinnan pinta-alan suhteesta koko korkeusperäsimeen, voidaan tässäkin nojautua empiirisiin tietoihin ja löytää kokeilemalla se paras vaihtoehto. Esimerkkitapauksen koneessa voisi järkevänkokoinen "suikale" korkeusperäsimen perästä olla 15-30 % jänteestä, riippuen siitä, kuinka voimakkaan ohjauksen haluaa. Taitolentoon kykenevässä koneessa kertoo lennokin nopeusalue ohjainpinnan kokotarpeen. Jos lennetään hitaasti, leijutellen ja muutenkin alle sakkausnopeuksilla "nokka pystyssä", tarvitaan perään loogisesti suuret ohjainpinnat, jolloin itse ohjainpinta voi olla jopa 50 % koko korkeusperäsimen koosta ja vastaavasti nopeassa koneessa riittää pienempi ohjainpinta-ala. Valitaan esimerkkikoneeseen kompromissina 300 mm x 20 mm suikale ohjainpinnaksi.

Korkeusperäsimen liikerata

Ohjainpinnan liikerata on toinen aspekti, joka pitää miettiä, mutta senkin sopivan liikeradan löytää kokeilemalla. Ohjainpintojen liikettä voi mitata millimetreinä ohjainpinnan vapaasta reunasta, suhteessa keskiasentoon tai sitä voidaan mitata asteina. Kun ohjainliikkeet ovat konservatiiviset, käytetään 9 kertaa 10:stä millimetrejä. Hyvänä lähtökohtana esimerkkikoneeseen voisi olla +/- 8 mm suuntaansa täysillä liikkeillä ja +/- 5 mm puolittajien kanssa.

Sivuvakaimen ja -peräsimen mitoitus

Sivuvakain ja -peräsin, yleisesti tunnetaan nimellä "sivari" lennokkiväen keskuudessa, jolloin viitataan kokonaisuuteen, joka sisältää sekä vakaimen, että ohjainpinnan. Muotoilun voi tehdä melko yksinkertaisesti siten, että leikkaa sopivan suorakaiteen, josta viistetään etupuolelle jäävä, alunperin pystysuora osa. Loput saa jättää melkolailla suoriin kulmiin, mitä nyt muutamia pyöristyksiä voi tehdä ihan ulkonäön parantamiseksi.

Pinta-alat

Sivuvakaimen ja -peräsimen kokonaispinta-ala on normaalisti n. 30-50 % korkeusvakaimen ja -peräsimen kokonaispinta-alasta. "Sivarin" kokonaispinta-alasta on itse ohjaimen pinta-ala normaalisti 20-40 % kokonaispinta-alasta, hieman riippuen lennokin ohjausperiaatteista. Mikäli lennokkia ohjataan vain peräsimillä, pitää sivuperäsimen olla riittävän kokoinen, mielellään luokkaa 40 % kokonaispinta-alasta. Esimerkkitapauksen koneeseen valitaan ohjainpinnan pinta-alaksi 30 % sivuvakaimen ja -peräsimen kokonaispinta-alasta.

Sivuperäsimen liikerata

Liikerataa saa sivuperäsimessä normaalisti olla reilusti, että ohjaus toimii sekä rullatessa maalla, pienissä nopeuksissa, sekä ilmassa. Ohjainpinnan takaosasta mitattuna liikerata sopisi tässä esimerkkikoneessa olla ainakin +/- 20 mm.

Lähteet: http://www.uoguelph.ca/~antoon/hobby/pmdesign.htm