Mehitamata õhusõiduki lennukarakteristika

Aerodünaamilised jõud

Iga õhusõiduk vajab raskusjõu kompenseerimiseks mingit teist jõudu. Õhust kergemate õhusõidukite puhul on selleks atmosfääri üleslükkejõud, õhust raskemate õhusõidukite puhul tuleb selleks aga kasutada kas aerodünaamilisi jõudusid või/ja õhusõiduki jõuallikaid. Vaatleme lähemalt aerodünaamiliste jõudude olemust. 

     

Igale õhus liikuvale kehale mõjub liikumise tagajärjel aerodünaamiline kogujõud, mis üldjuhul ei ole samasihiline keha liikumise suunaga õhus. Selle jõu suurus ja suund sõltuvad keha kujust ja asendist õhuvoolu suhtes, samuti ka kiirusest. Kokkuleppeliselt jagatakse see aerodünaamiline kogujõud kaheks komponendiks – tõstejõuks ja takistusjõuks, kusjuures koordinaadistiku määrab õhuvoolu suund enne kehaga kohtumist (Joonis 1)


Joonis 1. Kehale mõjuv aerodünaamiline kogujõud R ja selle komponendid- tõstejõud L ja takistusjõud D.

Aerodünaamiline kogujõud, seega siis ka tõste- ja takistusjõud saavad tekkida vaid siis, kui keha õhus liigub. Tõstejõud on aerodünaamilise kogujõu komponent, mis mõjub õhuvooluga risti ja takistusjõud on komponent, mis mõjub liikumisele vastassuunas. Olgu kohe öeldud, et vaatamata oma nimetusele ei tõsta tõstejõud kunagi mitte midagi, st. ei saa näiteks suurendada õhusõiduki kõrgust. See on nii tänu asjaolule, et tõstejõud defineeritakse alati risti õhuvooluga (keha liikumisega) olevana ja ükski jõud ei saa teha tööd risti keha liikumisega. Küll aga saab tõstejõudu kasutada nii raskusjõu kompenseerimiseks kui ka kesktõmbekiirenduse andmiseks (nt. tsentrifugaaljõu kompenseerimiseks õhusõiduki manöövritel). 

Õhusõiduki kõrguse suurendamine on võimalik vaid kas õhusõiduki jõuallika abil või väliste jõudude toimel (näiteks tõusvad õhuvoolud). Kõige lihtsama mudeli kohaselt vaadeldakse õhusõidukile mõjuvatena nelja põhijõudu – raskusjõudu, tõstejõudu, takistusjõudu ja tõmmet. Lihtsaimas mudelis rakenduvad kõik need jõud ühte punkti – õhusõiduki raskuskeskmesse. Vaatleme neid jõudusid lähemalt:

Raskusjõud on teiste sõnadega Maa gravitatsioonijõud, mis on alati suunatud maakera tsentri poole ja on võrdne keha (õhusõiduki) massi ja raskuskiirenduse korrutisega. Seda korrutist võib nimetada ka kaaluks, kuid kaal avaldub vaid juhul, kui raskusjõud on mõne teise jõu poolt kompenseeritud. Kui kompensatsiooni pole, siis tekib vaba langemine ja kaaluta olek.

Tõstejõud, mis tegelikult on aerodünaamilise kogujõu üks komponent, leiab sageli kasutamist raskusjõu tasakaalustajana lennunduses. Siit ei tohi aga teha järeldust, nagu peaks tõstejõud alati mõjuma ülespoole või olema risti maapinnaga. Tõstejõud mõjub risti õhuvooluga ja selle suunal pole iseenesest midagi ühist ei raskusjõu suuna maapinnaga. Sobivas konfiguratsioonis on tõstejõud aga võimas vahend raskusjõu kompenseerimiseks.

Takistusjõud tekib keha liikumisel läbi õhu ja selle jõu esmaseks põhjuseks on õhu hõõrdumine vastu keha, kuigi hõõrdumine pole kaugeltki kõige suurem takistuse komponent. Kogutakistus sisaldab palju komponente ja selle tekkimine on keerukas. Võib küll väita, et suurt rolli keha takistuses määravad selle keha poolt tekitatud õhukeerised.

Tõmme on jõud, mida tekitab õhusõiduki jõuallikas. Jõuallikas võib tõmmet tekitada mitut moodi – propelleriga, ventilaatoriga või reaktiivjoaga. Oluline ühine joon on seejuures, et jõuallikas paneb õhu liikuma ühes suunas ja selle tagajärjel tekib vastassuunaline jõud, mis võib ka tööd teha ükskõik millises suunas, kui tõmbe tekitaja suunda muuta.

Järgnevalt vaatleme mehitamata õhusõidukite põhitüüpe ja põhijõudude jaotust nende tüüpide erinevate lennurežiimide korral.

Erinevad mehitamata õhusõidukite tüübid

Jäigatiivaline tüüp

Seda tüüpi võib nimetada ka klassikalise lennuki tüüpi õhusõidukiks. Sellel tüübil on statsionaarne tiib, mis nagu lennukilgi avaldab liikumisel tõstejõudu, mida kasutatakse raskusjõu kompenseerimiseks (Joonis. 2). Horisontaallennus peabki tõstejõud olema võrdne lennuki raskusjõuga ja mootori tõmme peab kompenseerima takistusjõu.

 

Joonis 2. Jõudude jaotus jäigatiivalise õhusõiduki horisontaallennul

Kui taoline õhusõiduk peaks kõrgust võtma, siis tuleb arvestada, et tööd saab teha vaid tõmme, seega peab tõmme olema takistusjõust suurem raskusjõu komponendi G2 võrra (Joonis 3). Tõstejõud aga, nagu jooniselt näha, on hoopis väiksem sellest, mis ta on horisontaallennus, sest see peab kompenseerima vaid raskusjõu komponendi G1, mitte aga tervet raskusjõudu. Jäigatiivalise tüübi puuduseks on nagu lennukilgi asjaolu, et see nõuab stardiks ja maandumiseks teatavat pikemat teekonda ja ei ole suuteline sooritama ripplendu.


Joonis 3. Jõudude jaotus jäigatiivalisel õhusõidukil kõrgust kogudes

Pöördtiivaline tüüp

Seda tüüpi võib nimetada ka helikopteri tüübiks ja enamik tsiviilkäibes kasutatavaid mehitamata õhusõidukeid on just seda tüüpi. Selle tüübi puhul kasutatakse raskusjõu kompenseerimiseks jõuallika poolt tekitatud tõmmet, mida tekitatakse ühe või mitme horisontaaltasandis pöörleva propelleri (rootori) abil. 

Põhiliseks erinevuseks eelmise tüübiga on asjaolu, et sellisel juhul on võimalik raskusjõudu kompenseerida ka paigalseisus (st. ripplennus) ja ka vertikaalsel tõusul ning laskumisel, sest jõuallika tõmbe tekitamine ei vaja õhusõiduki liikumist õhus. Ripplennus ei mõjugi õhusõidukile muid jõudusid kui vaid raskusjõud ja tõmme, mis peavad olema omavahel võrdsed (Joonis 4a)

 

Joonis 4. a- pöördtiivaline tüüp ripplennus ja b- horisontaallennus.

Horisontaallennu sooritamiseks tuleb tõmmet liikumise suunas kallutada, et sellele tekiks liikumissuunaline komponent, mis võiks teha tööd takistusjõu vastu (Joonis 4b). See saavutatakse kas rootori(te) või terve õhusõiduki kallutamisega liikumise suunas. Pöördtiivalise tüübi eeliseks on vertikaalse stardi ning maandumise ja ripplennu võimekus, puuduseks aga väiksem horisontaallennu kiirus, väiksem õkonoomsus ja lennuulatus.

Hübriid-konfiguratsioon

Selles tüübis on püütud ühendada mõlema eelneva tüübi positiivseid omadusi – ühest küljest ripplennu võimekust ja teisest küljest suuremat horisontaallenu kiirust ja lennuulatust. Selle tüübi esindajateks suures lennunduses võib pidada konvertiplaane ( näit.Osprey) ja ka vertikaalstardiga reaktiivhävitajaid (näit. Harrier ja F-35B). Sellise tüübi puhul on õhusõidukil olemas nii tiib tõstejõu tekitamiseks kui ka võimas jõuallikas, mille tõmbe suunda saab suures ulatuses muuta (võivad ka olla eraldi jõuallikad erinevate suundade kohta). Seega saavutatakse sellise tüübi puhul start ja maandumine nagu helikopterilgi, kuid horisontaallennus kasutatakse kogu tõmme ära takistuse ületamiseks ja õhusõiduk lendab nagu tavaline lennuk. Kõige keerukamaks lennuetapiks kujuneb aga üleminekurežiim, mille jõudude jaotus on kujutatud joonisel 5.

 

Joonis 5. Hübriid-konfiguratsioonis õhusõiduki üleminekurežiim.

Üleminekurežiimis kompenseerivad raskusjõudu nii tõmbekomponent T1 kui ka tõstejõud, mis väikese kiiruse tõttu pole veel küllaldane ise raskusjõudu kompenseerima. Takistusjõu kompenseerib aga tõmbekomponent T2, mis aga ei suuda õhusõidukit veel nii kiiresti liigutada kui täielikul horisontaallennul, kus kogu tõmbe võib rakendada takistusjõu vastu. Hübriid-konfiguratsiooni eeliseks on tõepoolest mõlema eelnevalt vaadeldud lihttüübi heade omaduste kooslus (st.horisontaallennu kiirus ja ripplennu võimekus), kuid puuduseks on nii mehaanika kui ka juhtimissüsteemi oluliselt suurem keerukus ja sellest tulenevalt ka oluliselt kõrgem hind.

Selleks, et sooritada edukat lendu, on vaja jälgida mitmeid olulisi tingimusi. Igal õhusõidukil on oma lõplik jõuallikate võimekus ja sellest tulenevalt on igal õhusõidukil ka mingi maksimaalne lennukaal, millega on lennu sooritamine võimalik. See määrab omakorda maksimaalse kasuliku lasti suuruse, mida on antud õhusõidukiga võimalik transportida. Ka lubatud lennukaalu raames peab arvestama, et mida suurem on õhusõiduki mass, seda väiksem on selle maksimaalne lennukaugus ja ka manööverdamise võimekus. Maksimaalne lennukaal määratakse üldjuhul õhusõiduki tootja poolt. Kasuliku lasti suurus pole aga ainus oluline parameeter, mida õhusõiduki lastimisel peab arvestama. Kõigi õhusõidukite puhul on oluline ka lasti paigutus (jaotus) õhusõidukil, sest õhusõiduki raskuskese peab lennu edukaks sooritamiseks jääma teatud piiridesse. See on oluline õhusõiduki tasakaalu, püsivuse ja juhitavuse kindlustamise seisukohast.