aerodynamiikka

Boeing esitteli omituisen lentokoneen siiven – mistä oikein on kyse?

To, 01/10/2019 - 13:36 Jari Mäkinen
Boeingin koekone tuulitunnelissa

Suomessakin on ihmetelty viime päivinä lentokoneenvalmistaja Boeingin esittelemää uudenlaista siipeä. Kyseessä on itse asiassa vanha idea, jonka on peräisin hankkeesta nimeltä SUGAR (Subsonic Ultra Green Aircraft Research).

San Diegossa on meneillään Amerikkalaisen aerodynamiikan ja astronautiikan instituutin kokous, ja teemansa mukaisesti siellä keskustellaan kaikenlaisista lentämiseen niin ilmakehässä kuin sen ulkopuolellakin liittyvistä asioista.

Boeing esitteli siellä luonnoksensa uudenlaisella, hyvin hoikalla siivellä varustetusta matkustajalentokoneesta. Tässä koneessa oleva "transsoonisen alueen puomilla vahvistettu" siipi (Transonic Truss-Braced Wing, eli TTBW) on niin hento, että nimensä mukaisesti se pitää tukea, jotta se ei taipuisi liikaa ja rikkoontuisi. Tuki sinällään toimii myös siipenä – eli tietyssä mielessä kyse on kaksitasosta.

Konkreettisempaa esikuvaa ei täydy etsiä kuitenkaan 1950-lukua kauempaa historiasta.

Ranskalainen Maurice Hurel kehitti silloin rahti- ja matkustajakoneita, joissa oli suuriaspektinen (pitkä ja hoikka) siipi sekä sitä tukeva puomi. Tuloksena syntynyt Hurel-Dubois HD.31 on eräs monista ilmailuhistorian hyvin kiinnostavista, mutta kaupallisesti totaalisesti flopanneista lentokoneista.

Voi olla, että tämä Boeingin siipikonsepti on lopulta myös liian hankala rutiinikäyttöön.

Yleisesti ottaen liikennelentokoneiden siipiä on kehitetty viime vuosikymmeninä yhä tehokkaammiksi, ja ne ovatkin muuttuneet koko ajan kapeammiksi ja pitemmiksi. Pian ensilentonsa tekevässä, uudessa Boeing 777X -liikennekoneessa siivet ovat jo niin pitkät, että ne täytyy taittaa päistään lentotukialuksilla olevien hävittäjien siipien tapaan, jotta koneet mahtuisivat nykyisille lentokentille.

Boeingin nyt esittelemässä konehahmotelmassa tilanne on sama. Boeing 737:n (ja Airbus A320:n) kokoisen koneen siipi olisi kärkiväliltään noin 52 metriä, kun nykyisin näiden koneiden siipien kärkiväli on noin 35 metriä.

Koneen matkalentonopeus olisi Mach 0.8, eli samaa luokkaa kuin nykyisillä liikennelentokoneilla. Siipikonseptin aikaisemmissa versioissa lentonopeus olisi ollut hieman matalampi.

Piirroksia Boeingin koneesta

Tämän nimenomaisen hankkeen juuret ovat vuodessa 2010, jolloin Boeing ja NASA aloittivat yhteishankkeen uudenlaisen ympäristöystävällisen lentokoneen tekniikan tutkimiseksi. Tämä SUGAR-projekti (Subsonic Ultra Green Aircraft Research) pohti, millainen voisi olla erittäin tehokkaasti uutta tekniikkaa ja uudenlaista aerodynamiikkaa käyttävä keskikokoinen matkustajakone, joka voisi tulla liikenteeseen joskus vuoden 2035 tienoilla.

Simulaatioiden mukaan aerodynaamisesti tehokas, pitkä puomilla vahvistettu siipi auttaa uutta konetta olemaan 8 % polttoainepihimpi verrattuna nykyisenkaltaisilla siivillä varustettuihin koneisiin.

Nyt Boeingin esittelemissä kuvissa (yllä olevan kuvan pikkukuva) lentokone on varustettu suihkumoottoreilla, mutta yhtä lailla voimanlähteinä voivat olla potkuriturbiinit tai hybridimoottorit, jolloin lentonopeus on tosin hieman pienempi.

Lentokonesuunnitelma

Mukana tutkimushankkeessa olleen Virginia Techin kuvissa siiven pituus näkyy hyvin. Samoin piirros näyttää hyvin sen, miten hyvin pienillä muutoksilla siipi saadaan joko hieman polttoainetaloudellisemmaksi tai mahdollistamaan hieman suuremman lentoonlähtömassan.

Olennaista ovat myös siiven tuet, tukien tuet, sekä se, mistä kohtaa runkoa ne lähtevät ja mihin kohtaan siipeä ne kiinnittyvät.

Liikennelentokoneissa suurin osa polttoaineesta sijaitsee siiven sisällä olevissa tankeissa. Ohuempi siipi ei välttämättä pysty kätkemään sisäänsä kovin paljoa polttoainetta, mutta sitä toisaalta tarvitaan pienemmän polttoaineenkulutuksen ansiosta vähemmän. Siiven ulko-osissa ei ole tankkeja, vaikka se voisi olla siiven taipumisen hillitsemiseksi kätevää. Tärkeämpää on tehdä siivistä taittuvat.

Muutamissa hahmotelmissa ajattelua on vielä viety pitemmälle, jolloin korkeusvakaajakin on otettu mukaan siipitukihässäkkään.

Luonnos Boeingin koneesta

Lisätietoa asiasta enemmän kiinnostuneille: TBW-siivestä oli vuoden 2015 AIAA:n kokouksessa erinomainen esitys Optimization for Load Alleviation of Truss-Braced Wing Aircraft With Variable Camber Continuous Trailing Edge Flap.

Nyt se tiedetään: näin nelikopteri oikeasti lentää (video)

Periaatteessa se, miten nelikopteri lentää, tiedetään varsin hyvin: sen vaakatasossa olevat, pyörivät potkurit saavat aikaan nostovoimaa ja puhaltavat ilmaa alaspäin. Mutta miten ilma tarkalleen ottaen liikkuu, on ollut arvoitus.

Nyt Nasan Piilaaksossa sijaitseva tutkimuskeskus, Amesin tutkimuskeskus, on tuottanut tämän simulaation, joka näyttää miten homma oikeasti toimii. Keskuksen tutkijat käyttävät normaalisti supertietokoneita ja ilman virtausanalyysiä lentokoneiden ja muiden ilma-alusten aerodynamiikan määrittelyyn, mutta samat luonnonlait pätevät myös pieneen DJI Phantom 3 -nelikopteriin.

Monien harrastajien suosimaa kopteria on tässä hieman muunneltu, mutta periaate on täsmälleen sama kuin Suomenkin taivaalla viuhuvissa laitteissa.

Erityisen kiinnostavaksi nelikopterin tekee sen ristimäinen muoto: ilma kiertää alas liikkuessaan rungon ja muodostaa varsin monimutkaisen, osin kaoottisen virtauskuvion.

Animaatiossa nelikopteri on ikään kuin lennossa, eli maa tai mikään lähellä oleva pinta ei häiritse ilman virtausta. Ilmavirrat ovat animaatiossa viivoina ja paine-erot näkyvät eri väreinä siten, että keskimääräistä korkeampi paine on punaista ja matalampi sinistä.

Pienen akkukäyttöisen lelun tutkiminen auttaa parantamaan myös isompien nelikopterien ja niiden roottorisysteemien hyötysuhdetta, sillä tutkijat onnistuivat parantamaan roottorien tuottamaa nostovoimaa pienien, simulaation pohjalta tehtyjen muutosten avulla lähes kaksinkertaiseksi.

Samankaltaista virtausdynamiikan simulointia tehdään myös Suomessa mm. CSC Tieteen tietotekniikan keskuksen supertietokoneilla – ja yhä useammin myös kannettavilla tietokoneilla, joiden tehot vastaavat hyvin ammoisia supertietokoneita.

Video: NASA Ames Research Center/NASA Advanced Supercomputing Division/Tim Sandstrom

Kuvasarja: näin kissa putoaa aina jaloilleen

La, 08/08/2015 - 14:20 Jari Mäkinen
Kuvasarja putoavasta kissasta

Päivän kuvaTänään vietetään kansainvälistä kissapäivää. Nämä erilaiset merkki- ja muistopäivät alkavat olla jo yksi kirous, sillä tänään on erilaisten tahojen päättämänä myös "kirjojen ystävien päivä", "Maailman alkuperäiskansojen päivä" ja myös "Piilota kesäkurpitsa naapurisi kuistille" -päivä, mutta me kiinnitämme huomiota vain tähän vuonna 2002 Maailman eläinhyvinvointirahaston perustamaan kissapäivään – pääasiassa siksi, että kissakuvat ovat aina kivoja ja tämä on hyvä tekosyy kissakuvan julkaisemiselle päivän kuvana.

Siksi siis kuva putoavasta kissasta. Kuten tiedetään, kissa putoaa aina jaloilleen. Mutta miksi?

Tätäkin on tutkittu, ja kuvasarja näyttää miten kissa tekee temppunsa.

Kissan kehon pinta-ala on varsin suuri suhteessa sen painoon, joten pudotessaan alas ja osuessaan pintaan on isku suhteellisesti ottaen kevyempi kuin esimerkiksi ihmisellä. Lisäksi putoamisen aikana kissa pystyy ohjaamaan kehollaan asentoaan erinomaisesti, koska sillä on tassut ja kohtalaisen paljon ihoa tassujen ja keskikehon välissä, jolloin kissa voi paitsi raajansa laajalle levittäessään melkeinpä lentää. Joka tapauksessa se voi käyttää itseään kuin laskuvarjona, joka hidastaa ilmanvastuksen avulla putoamisvauhtia. Eläinlääkärit Wayne Whitney ja Cheryl Mehlhaff ovat laskeneet, että siinä missä ihmisen vapaa putoamisnopeus ilmassa on 193 km/h, on kissalla se "vain" 97 km/h.

Kissoilla on myös etunaan sopeutuminen: kissaeläimet ovat historian hämystä alkaen jahdanneet lintuja, hiirulaisia ja muita pikkueläimiä korkealla olevissa paikoissa ja puissa, ja niinpä kissat ovat putoilleet varsin usein alas. Niinpä evoluutio on kehittänyt kissan sellaiseksi, että sen ruumiinrakenne ja aistit toimivat hyvin putoamisissa. 

Eikä vain putoamisessa: yhtä olennaista on osuminen pintaan. Kissa hahmottaa erinomaisesti suunnat ja osaa kääntää ilmavirran avulla itsensä asentoon, missä jalas osuvat ensin maahan. Kun jalat ovat notkeat ja pintaan osumisen aikaan keskusjousitusmaisesti levällään, ja kun kissa osaa vielä joustaa lihaksillaan juuri sopivalla tavalla oikeaan aikaan, kissa selviää lähes uskomattomista putoamisista.

Vuonna 1987 New Yorkissa tutkittiin kissojen putoamistapauksia ja havaittiin, että korkeista rakennuksista pudonneista kissoista 90% selviytyi putoamisesta hyvin ja vain 37% tarvitsivat hoitoa putoamisen jälkeen. Hurjimmassa tapauksessa 32 kerrosta pudonneelta kissalta halkesi hammas ja keuhkot litistyivät, mutta kissa oli kunnossa kahden päivän lepäämisen jälkeen.

Tässä yhteydessä emme kerro kuitenkaan enempää siitä, kuinka paljon kissat verottavat pikkulintukantaa ja millaisia pikku petolaisia ne myös osaavat olla, sillä näin juhlapäivänä saa vain ihailla tätä kehräävää eläintä.

Aerodynaamiset kintut

La, 07/12/2014 - 13:29 Jari Mäkinen
Pyöräilijöiden jalkoja

Jalkapallon maailmanmestaruuskisojen lisäksi toinen maailmalla urheilu-uutisvirtaa valtaava tapahtuma on parhaillaan Tour de France. Pyöräilyn klassikkokisa alkoi viikko sitten ja on edennyt tapahtumarikkaasti aina siihen saakka, että ajajat pääsevät tänään ensimmäistä kertaa ajamaan kunnolla ylämäkeen. Varsinaiset vuoristo-osuudet ovat vielä edessä, mutta nyt Ranskan itäosissa Vosgeesien huipuilla noustaan jo liki kilometrin korkeuteen.

Kisaa seuratessa monet ovat katselleet ajajien jalkoja. Ne on ajeltu huolellisesti karvattomiksi – mutta miksi? Tuleeko niistä todellakin niin paljon aerodynaamisempia, että ajelu kannattaa?

Amerikkalaisen polkupyörävalmistaja Specializedin tekemän tutkimuksen mukaan kannattaa. Koe tehtiin alun perin hieman huumorimielessä, mutta tulos oli yllättävän selvä: jopa harrastaja-ajaja saa 40 kilometrin ajomatkalla reippaasti polkiessaan 82 sekunnin eron aikaiseksi, kun vertailukohtana ovat sileät ja karvaiset jalat. Mitä suuremmalla nopeudella ajetaan, sitä olennaisemmaksi ero tulee.

Kun kilpailussa joskus sekunnitkin ratkaisevat, on tässä todellakin vaikutusta!

Tour de Francen historiassakin on useita sekuntipeliksi menneitä voittoja, mutta tässä mielessä huippu on vuosi 1989, jolloin Greg LeMond voitti koko kolmiviikkoisen kisan parin tuhannen ajokilometrin jälkeen vain kahdeksalla sekunnilla.

Aerodynamiikan lisäksi on toki muitakin syitä jalkain sheivaukseen. Yksi olennainen ja konkreettinen syy on hieronta, joka onnistuu päivittäin etapin jälkeen paremmin ihon ollessa sileä. Toinen – tässäkin kisassa jo paljon valitettavasti todettu – syy on se, että kaatumistapauksissa haavan tai asfaltti-ihottuman hoito on helpompaa, kun karvoja ei ole.

Ja vielä kenties se tärkein syy: trimmatut lihakset näkyvät paremmin, kun karvat eivät ole näkymää pilaamassa.  Niinpä ajelusta on tullut vuosikymmenien saatossa tapa, ja nyt, ellet muuten nyt shortsihousuaikaan tunnista pyöräilyä (enemmän tai vähemmän kilpailumielessä) harrastavaa, sen huomaa yleensä huolellisesti ajelluista jaloista.

Alla olevassa videossa kerrotaan tutkimuksesta hieman tarkemmin: