Om aanhetluchtverkeerdeeltenemen,iseengedegentheore scheondergrondnoodzakelijkom inde prak jkveiligtekunnenvliegen.deserieppl-theorievoorvliegtuigenhelikopterbiedtdezetheore sche ondergrond.deinhoudvanelkdeelisvoledigafgestemdopdeeisenvandeverschilendeppl-examens. DitboekbereidtvoorophetPPL-examenPrinciplesofFlight,Mas&BalanceenPerformance.Hetboek begintmetdebasisvandeaerodynamica,geïlustreerdmetprak schevoorbeelden.hiernawordtdespecifiekeaerodynamischeaspectenvanvliegtuigenenhelikoptersendeperformanceaspectendiedaarbij vanbelangzijnbesproken.hetlaatstedeelvanhetboekgaatinopdeaspectendiesamenhangenmethet zwaartepuntvanhetluchtvaartuigenhetbijbehorendeevenwicht.hiermeewordtnietaleentheore sch inzichtverkregenindeaerodynamicaenwatdaarmeesamenhangtmaarwordthetookprak schhanteerbaaropppl-niveau. Detekstisrijkelijkaangevuldmeta eeldingenwaardoordemateriesneltotlevenkomtengemakkelijkop tenemenis.eenlijstmeta or ngen,glosarium eneenuitgebreidregistercomplementerendeinhoud toteeneffec efleerboek. ReinoudvanWijkkwam voorheteerstinaanrakingmetdeluchtvaartalsofficierbijde KoninklijkeMarine.Hetvliegenhee hem sindsdiennietmeerlosgelaten.opbasisvan decpl/atpl-theoriehee hijhetcplvoorhelikoptersbehaaldenhetcplmetinstrumentra ngvoorvliegtuigen.daarnaasthee hijvelejarenervaringmethetgevenvan theorielesenenhetontwikkelenvanlesmateriaalvoordeluchtvaartopleiding.hierbij maakthijdankbaargebruikvanzijnjuridischeenmedischeachtergrond.vanwijkis tevensverbondenaanhetcbrvoorhetontwikkelenenbeoordelenvanppl-leerdoelen enenexamenopgaven.
Inhoud 1 Krachten... 7 1.1 Krachtenevenwicht... 7 1.2 Belasting... 8 1.3 Snelheden... 8 1.4 Stabiliteit... 9 2 Atmosfeer... 11 3 Basis Aerodynamica... 13 3.1 Lift... 13 3.2 Weerstand... 17 3.3 Coëfficiënten... 20 3.4 Performance... 21 3.5 Klimmen en V x / V y... 22 4 (A) Vliegtuig aerodynamica & performance... 23 4.1 Weerstand en vermogen... 23 4.2 Propeller... 24 4.3 Overtrek... 26 4.4 Liftvergroting... 28 4.5 Take-off... 29 4.6 Klimmen... 31 4.7 Enroute... 32 4.8 Dalen en landing... 34 4.9 Spin... 37 4.10 Spiral dive... 37 5 (H) Helikopter aerodynamica & performance... 38 5.1 Weerstand en vermogen... 38 5.2 Start... 39 5.3 Hover / Standvlucht... 40 5.4 Take-off... 42 5.5 Reversed flow... 43 5.6 Translatielift... 44 5.7 Transverse Flow Effect (Inflow Roll)... 44 5.8 Flappen of Klappen... 44 5.9 Dissymmetry of lift... 45 5.10 Blowback (Flapback)... 45 5.11 Lead and Lag of zwaaien en jagen... 45 5.12 Retreating blade stall... 45 5.13 Klimmen... 46 5.14 Enroute... 48 5.15 Dalen en landing... 49 5.16 Bijzondere situaties... 53 5.17 Helikopter Performance... 56 6 Massa en zwaartepunt... 58 6.1 Massa definities... 58 6.2 Effect van gewicht... 59 6.3 Wegen... 59 6.4 Massa conversie... 59 6.5 Zwaartepunt... 61 6.6 (H) Zwaartepunt*... 63 Afkortingen... 67 Glossarium... 69 Register... 71 v
Aerodynamica mag worden verwacht. Luchtdeeltjes die over het profiel heen gaan krijgen een veel hogere snelheid dan nodig is om aan de achterzijde gelijk uit te komen met de luchtdeeltjes die via de onderzijde passeren. Van twee luchtdeeltjes die samen aankomen aan de voorzijde van het profiel, waarvan de een bovenlangs en de ander onderlangs het profiel gaat, zal het luchtdeeltje dat bovenlangs gaat dus al verder achter het profiel zijn op het moment dat het luchtdeeltje dat onderlangs is gegaan de achterzijde van het profiel bereikt. Het blijkt dat de afbuiging van de luchtstroom de voornaamste bron van lift is. Bij deze afbuiging speelt de bolle bovenkant van het profiel de belangrijkste rol. Het idee dat de lucht aan de onderzijde wordt afgebogen is van minder belang. In het vervolg wordt de term "aerodynamische kracht" gebruikt zonder acht te slaan op de ontstaanswijze. Samengevat kan gesteld worden dat als een luchtstroom door een profiel wordt afgebogen, er een kracht zal ontstaan die we lift noemen. In het voorgaande werd aangenomen dat de luchtstroom recht over het profiel heen ging. Echter het profiel heeft naast een voor- en achterkant ook twee zijkanten. De ene kant is meestal verbonden met de romp of bij een helikopter met de rotorkop, de andere kant is vrij eindigend. Nu in een luchtstroom de druk onder het profiel hoger is dan er boven zal de lucht langs de zijkant naar de bovenzijde van het profiel willen stromen. Aerodynamisch profiel Profielen zijn er in soorten en maten en afhankelijk van de stand in de luchtstroom zal er wel of geen lift worden opgewekt. In het vervolg bedoelen we met profiel een aerodynamisch profiel dat de potentie bezit lift op te wekken. In een dwarsdoorsnede hebben profielen een voor- en achterrand, respectievelijk de leading edge en de trailing edge. De rechte lijn die de verbinding tussen de leading en trailing edge vormt heet de koorde (chord). Aan de onder-zijkant zal dus lucht verdwijnen waardoor de lucht aan de onderzijde naar buiten wordt afgebogen (de ontstane vortex versterkt de downwash achter de tip). Terwijl aan de bovenzijde van het profiel, vanaf de zijkant er juist lucht bij zal komen (upwash) met als gevolg dat de lucht juist naar binnen zal worden afgebogen. 15
Vliegtuig Aerodynamica Door de propeller in de vaanstand te zetten worden de bladen in de vliegrichting verdraaid waarin ze zo min mogelijk weerstand opleveren. Deze mogelijkheid is altijd aanwezig op meermotorige propellervliegtuigen. het doel waarvoor het vliegtuig gebruikt gaat worden. Met een variable pitch propeller kan tijdens de vlucht de bladhoek en daarmee de spoed versteld worden. Zo kan in elke vluchtfase de optimale bladinstelling gekozen worden. Doordat het propellerblad bij de tip een veel hogere snelheid heeft dan bij de wortel van het blad, zal bij voorwaartse snelheid de invalshoek verschillend zijn. Om een zo gelijkmatig mogelijke verdeling van de trekkracht over het het blad te verkrijgen wordt bladwrong toegepast. Zodanig dat de bladhoek (instelhoek) aan de tip kleiner zal zijn dan bij de wortel. Afhankelijk van het gewenste toerental en de gewenste voorwaarts snelheid zal de fabrikant het optimale blad samenstellen. De trekkracht (thrust) zal met de toenemende voorwaarts snelheid afnemen terwijl het beschikbare vermogen nog toeneemt. Houdt hierbij in de gaten dat thrust de kracht is, terwijl het vermogen deze kracht maal de airspeed is. Er moet rekening mee worden gehouden dat verontreiniging van de bladen, bijvoorbeeld met ijs, een sterk negatief effect op de efficiency zal hebben. Bij maximaal vermogen zal het toerental teruglopen vanwege de hogere weerstand. Andersom geldt natuurlijk ook dat, als de piloot de spoed naar fijn verandert, er minder weerstand zal zijn en het toerental zal oplopen. Voor alle propellers geldt dat een high aspect ratio van het blad (smal en lang) efficiënter is dan een kort, dik en breed blad. Echter een blad mag onder verschillende omstandigheden de grond niet raken en bij een lang blad kan de tipsnelheid te hoog worden. Efficiency Asymmetrisch slipstream-effect Hieronder wordt verstaan de mate waarin de propeller het motorvermogen in beschikbaar vermogen kan omzetten. Elk propellerblad zal bij een bepaald toerental en voorwaartse snelheid zijn maximale vermogen leveren. Zo zal een propeller met een grove spoed veel vermogen bij hoge voorwaartse snelheid leveren (kruissnelheid). Echter een propeller met een fijne spoed zal bij een lagere snelheid (klimmen) het meeste vermogen leveren. Met een fixed pitch propeller (vaste bladhoekinstelling) zal de fabrikant dus een propeller moeten kiezen die het best aansluit bij 25
POF & Performance zal een tweede vortex ontstaan aan de binnenzijde van de tip vortex. Door extra vermogen (power) toe te voegen zullen er steeds meer vortices opgewekt worden. De helikopter zal nu in zijn eigen downwash opereren en die steeds verder versnellen. Een volledige settling with power-situatie wordt gekenmerkt door een onstabiele situatie met onverwachte bewegingen in alle richtingen, vrijwel geen effect van cyclic, ernstige vibraties en een daalsnelheid die kan oplopen tot 6000 ft per minuut. Om uit een settling with power- situatie te komen zal de collective geheel afgedrukt moeten worden teneinde in een verticale autorotatie te komen waarbij weer controle over de cyclic wordt verkregen. Door nu met de cyclic voorwaartse snelheid op te bouwen wordt de controle over de helikopter herkregen. Het risico in een vortex ring-state te komen doet zich vooral voor bij een horizontale snelheid die lager ligt dan die waarop effectieve translatielift ontstaat. Gecombineerd meet een verticale of bijna verticale daling van 300 ft per minuut of meer, en het rotorsysteem zal tussen de 20% en 100% van het beschikbare motorvermogen moeten gebruiken. Dynamic rollover Indien een skid of wiel aan een zijde meer wrijving ondervindt (ruwer oppervlak, modder) dan aan de andere zijde kan die kant als kantelpunt voor de helikopter dienen. Bij het oppakken van de helikopter waarbij één zijde blijft hangen of bij zijwaarts hoveren waar een skid of wiel blijft haken, zal de rolbeweging in gang worden gezet. Als eenmaal de kritische rollover hoek is bereikt zal de hoofdrotor thrust de kanteling in stand houden en is herstel onmogelijk geworden, de helikopter zal dus op zijn zijde terecht komen. Het kantelen gebeurt onder invloed van motorvermogen en wordt om die reden dynamisch genoemd. Het afdrukken van de collective is de meest effectieve wijze om een beginnende rollover te stoppen. De cyclic heeft dan al te weinig invloed om de kanteling van de hoofdrotor tegen te gaan. In het bovenstaande figuur is de meest kritische situatie voor een helikopter met een counter-clock wise draaiende hoofdrotor weergegeven. De rechter skid of wiel blijft hangen, het zwaartepunt ligt rechts, wind van links en links voeten wat de werking van de tailrotor versterkt. Bij starten en landen op hellingen kan door gebruik van veel cyclic gemakkelijk een dynamic 54
Mass & Balance Om de verschillende eenheden naar elkaar te kunnen omrekenen kan gebruikt worden gemaakt van de Navigatie-rekenschijf (Flight Computer). Deze rekenschijf heeft 2 verschillende zijden. Eén voor navigatie berekeningen (zie verder bij navigatie), en de andere zijde als eenvoudige computer voor diverse berekeningen. Massa s kunnen naar andere eenheden geconverteerd worden door de merktekens van de te converteren eenheden tegenover elkaar te plaatsen, waarna de massa in de gewenste eenheid afgelezen kan worden. Op dezelfde wijze kunnen Imperial Gallons en US Gallons (USG) in elkaar omgerekend worden. Zet de bijbehorende witte en zwarte pijltjes tegenover elkaar en er valt af te lezen dat 10 Imperial Gallons overeenkomt met 12 US Gallons. Op deze manier kunnen ook liters en US Gallons omgerekend worden, zet de pijltjes tegenover elkaar en lees af dat 1 USG bijna 3,8 liter is (exact is het 3,785 liter). Zo is ook snel te zien dat 12 USG 45,5 liter is. Om Imperial Gallons naar liters, en omgekeerd, om te rekenen, wordt het zwarte pijltje boven "LITERS" tegenover het witte pijltje onder "IMP GAL" geplaatst door de binnenste schijf te draaien (pijltjes geaccentueerd door blauwe pijlen). De hoeveelheden in de ene schaal komen overeen met de hoeveelheden in de andere schaal. Hetzelfde werkt het voor de omzetting van kilo s in pounds (lb) en omgekeerd. Eén pound is 0,454 kilo. Op de volgende afbeelding is te zien dat 40 lb ongeveer 18,2 kilo is. 60