4.6.1 Krachten in bochten #

Als een vliegtuig werd bekeken in straight-and-level vlucht vanaf het front [Figure 4-28], en als de krachten die op het vliegtuig inwerken

te zien, lift en gewicht zouden duidelijk zijn: twee krachten. Als het vliegtuig zich in een bank zou bevinden, zou het duidelijk zijn dat lift niet direct tegengesteld aan het gewicht werkte, maar dat het nu in de richting van de bank werkt. Een fundamentele waarheid over beurten: wanneer de vliegtuigen banken, lift naar binnen naar het midden van de bocht, evenals naar boven.

De eerste bewegingswet van Newton, de wet van de traagheid, stelt dat een object in rust of in een rechte lijn beweegt in rust blijft of in een rechte lijn blijft bewegen totdat deze door een andere kracht wordt geacteerd. Een vliegtuig, zoals elk bewegend object, vereist een zijwaartse kracht om het te laten draaien. In een normale bocht wordt deze kracht geleverd door het vliegtuig zo te storten dat de lift zowel naar binnen als naar boven wordt uitgeoefend. De kracht van de lift tijdens een bocht wordt onder een rechte hoek ten opzichte van elkaar in twee componenten gescheiden. Een component, die verticaal en tegengesteld werkt aan het gewicht (zwaartekracht), wordt de ‘verticale component van lift’ genoemd. De andere, die horizontaal in de richting van het midden van de bocht werkt, wordt de ‘horizontale component van lift’ of centripetale kracht genoemd. De horizontale component van de lift is de kracht die het vliegtuig uit een recht vliegpad trekt om het te laten draaien. Centrifugaalkracht is de “gelijke en tegengestelde reactie” van het vliegtuig op de richtingsverandering en werkt gelijk en tegenover de horizontale component van de lift. Dit verklaart waarom, in een correct uitgevoerde bocht, de kracht die het vliegtuig draait niet wordt geleverd door het roer. Het roer wordt gebruikt om elke afwijking tussen het rechte spoor van de neus en staart van het vliegtuig te corrigeren. Een goede bocht is er een waarbij de neus en staart van het vliegtuig langs hetzelfde pad volgen. Als er geen roer in een bocht wordt gebruikt, slingert de neus van het vliegtuig naar de buitenkant van de bocht. Het roer wordt gebruikt om de neus weer in lijn te brengen met de relatieve wind.

Een vliegtuig wordt niet gestuurd zoals een boot of een auto. Om een vliegtuig te laten draaien, moet het worden gebankt. Als het niet gebankt is, is er geen kracht beschikbaar om ervoor te zorgen dat het afwijkt van een rechte vluchtroute. Omgekeerd, wanneer een vliegtuig wordt gestort, draait het, op voorwaarde dat het niet naar de binnenkant van de bocht glijdt.

Goede directionele controle is gebaseerd op het feit dat het vliegtuig probeert te draaien wanneer het wordt gebankt. Piloten moeten dit feit in gedachten houden bij het proberen om het vliegtuig in een rechte lijn te houden.

Alleen al het in een bocht brengen van het vliegtuig in een bocht, levert geen verandering op in de totale hoeveelheid ontwikkelde lift. Aangezien de lift tijdens de oever is verdeeld in verticale en horizontale componenten, wordt de hoeveelheid lift die tegen de zwaartekracht en het ondersteunen van het gewicht van het vliegtuig wordt verminderd. Bijgevolg verliest het vliegtuig hoogte, tenzij er extra lift wordt gecreëerd. Dit wordt gedaan door de AOA te verhogen totdat de verticale component van de lift weer gelijk is aan het gewicht. Aangezien de verticale component van de lift afneemt naarmate de hellingshoek toeneemt, moet de AOA geleidelijk worden verhoogd om voldoende verticale lift te produceren om het gewicht van het vliegtuig te ondersteunen. Een belangrijk feit voor piloten om te onthouden bij het maken van constante hoogteverschillen, is dat de verticale component van de lift gelijk moet zijn aan het gewicht om de hoogte te behouden.

Bij een bepaalde luchtsnelheid hangt de snelheid waarmee een vliegtuig draait af van de grootte van de horizontale component van de lift. Het is gebleken dat de horizontale component van de lift evenredig is met de hoek van de oever, dat wil zeggen, het neemt respectievelijk toe of af naarmate de hoek van de oever toeneemt of afneemt. Naarmate de hoek van de oever wordt vergroot, neemt de horizontale component van de lift toe, waardoor het rot wordt vergroot. Bijgevolg kan bij een bepaalde luchtsnelheid de rot worden geregeld door de hoek van de oever aan te passen.

Om een verticaal onderdeel van de lift voldoende te bieden om de hoogte in een vlakke bocht vast te houden, is een verhoging van de AOA vereist. Aangezien de weerstand van het vleugelprofiel recht evenredig is met zijn AOA, neemt de geïnduceerde weerstand toe naarmate de lift toeneemt. Dit veroorzaakt op zijn beurt een verlies van luchtsnelheid in verhouding tot de hoek van de oever. Een kleine bankhoek resulteert in een kleine vermindering van de luchtsnelheid, terwijl een grote hoek van de bank resulteert in een grote vermindering van de luchtsnelheid. Extra stuwkracht (stroom) moet zijn

toegepast om een vermindering van de luchtsnelheid in vlakke bochten te voorkomen. De vereiste hoeveelheid extra stuwkracht is evenredig met de hoek van de oever.

Om de toegevoegde lift te compenseren, wat zou resulteren als de luchtsnelheid tijdens een bocht zou worden verhoogd, moet de AOA worden verkleind of moet de hoek van de oever worden verhoogd, als een constante hoogte moet worden gehandhaafd. Als de hoek van de oever constant wordt gehouden en de AOA afneemt, neemt de rot af. Om een constante rotatie te behouden naarmate de luchtsnelheid wordt verhoogd, moet de AOA constant blijven en de hoek van de oever toenemen.

Een toename van de luchtsnelheid resulteert in een toename van de draaicirkel, en de centrifugale kracht is recht evenredig met de straal van de bocht. In een correct uitgevoerde bocht moet de horizontale component van de lift exact gelijk en tegengesteld zijn aan de middelpuntvliedende kracht. Naarmate de luchtsnelheid in een constante snelheidssnelheid wordt verhoogd, neemt de straal van de bocht toe. Deze toename van de draaistraal veroorzaakt een toename van de centrifugale kracht, die moet worden gecompenseerd door een toename van de horizontale component van de lift, die alleen kan worden vergroot door de hoek van de oever te vergroten.

In een uitglijdende bocht draait het vliegtuig niet tegen de snelheid die geschikt is voor de bank die wordt gebruikt, omdat het vliegtuig naar de buitenkant van het draaiende vliegpad wordt gewiegd. Het vliegtuig wordt te veel gestort voor de rot, dus de horizontale liftcomponent is groter dan de centrifugale kracht. [Figure 4-29] Evenwicht tussen de horizontale liftcomponent en de centrifugale kracht wordt hersteld door ofwel de oever te verminderen, de rot te vergroten of een combinatie van de twee veranderingen.

Een slippende bocht is het gevolg van een overmaat aan centrifugale kracht over de horizontale liftcomponent, waardoor het vliegtuig naar de buitenkant van de bocht wordt getrokken. De rot is te groot voor de hoek van de oever. Correctie van een slippende bocht houdt dus een vermindering van de rot, een toename van de oever of een combinatie van de twee veranderingen in.

Om een bepaalde rot te behouden, moet de hoek van de oever worden gevarieerd met de luchtsnelheid. Dit wordt vooral belangrijk in hogesnelheidsvliegtuigen. Bijvoorbeeld, met 400 mijl per uur (mph), moet een vliegtuig ongeveer 44° worden gestort om een standaardsnelheid (3° per seconde) uit te voeren. Onder deze hoek van de oever omvat slechts ongeveer 79 procent van de lift van het vliegtuig de verticale component van de lift. Dit veroorzaakt een hoogteverlies, tenzij de AOA voldoende wordt verhoogd om het verlies van verticale lift te compenseren.

4.6.2 Krachten in beklimmingen #

Voor alle praktische doeleinden is de Wings Lift in een stabiele normale klim op dezelfde manier als in een stabiele vlucht met dezelfde luchtsnelheid. Hoewel het vliegpad van het vliegtuig veranderde toen de klim werd vastgesteld, keert de AOA van de vleugel ten opzichte van het hellende vliegpad terug naar vrijwel dezelfde waarden als de lift. Er is een eerste tijdelijke verandering zoals weergegeven in figuur 4-30. Tijdens de overgang van straight-and-level vlucht naar een klim, vindt een verandering in de lift plaats wanneer de druk van de ruglift voor het eerst wordt uitgeoefend. Het verhogen van de neus van het vliegtuig verhoogt de AOA en verhoogt de lift even. Lift op dit moment is nu groter dan het gewicht en start het klimmen van het vliegtuig. Nadat het vliegpad op de opwaartse helling is gestabiliseerd, keert de AOA en de lift weer terug naar ongeveer de niveauvluchtwaarden.

Als de beklimming wordt ingevoerd zonder verandering in vermogensinstelling, neemt de luchtsnelheid geleidelijk af omdat de stuwkracht die nodig is om een bepaalde luchtsnelheid in een vlakke vlucht te behouden, onvoldoende is om dezelfde luchtsnelheid tijdens een klim te behouden. Wanneer het vliegpad naar boven helt, werkt een onderdeel van het gewicht van het vliegtuig in dezelfde richting als, en parallel aan, de totale weerstand van het vliegtuig, waardoor de totale effectieve weerstand toeneemt. Bijgevolg is de totale weerstand groter dan het vermogen en neemt de luchtsnelheid af. De vermindering van de luchtsnelheid resulteert geleidelijk in een overeenkomstige afname van de luchtweerstand totdat de totale weerstand (inclusief het component van het gewicht dat in dezelfde richting werkt) gelijk is aan de stuwkracht. [Figure 4-31] Vanwege het momentum is de verandering in luchtsnelheid geleidelijk, variërend aanzienlijk met verschillen in vliegtuiggrootte, gewicht, totale weerstand en andere factoren. Bijgevolg is de totale weerstand groter dan de stuwkracht en neemt de luchtsnelheid af.

Over het algemeen worden de krachten van stuwkracht en sleep, en lift en gewicht, opnieuw in evenwicht wanneer de luchtsnelheid zich stabiliseert, maar op een waarde die lager is dan bij een rechte en niveauvlucht bij dezelfde vermogensinstelling. Aangezien het gewicht van het vliegtuig niet alleen naar beneden werkt, maar ook naar achteren met weerstand tijdens een klim, is extra kracht nodig om dezelfde luchtsnelheid te behouden als in een vlakke vlucht. De hoeveelheid vermogen hangt af van de hoek van de klim. Wanneer de beklimming zo steil is dat er onvoldoende vermogen beschikbaar is, ontstaat er een langzamere snelheid.

De stuwkracht die nodig is voor een gestabiliseerde klim is gelijk aan weerstand plus een gewichtspercentage dat afhankelijk is van de hoek van de klim. Een beklimming van 10° zou bijvoorbeeld stuwkracht vereisen om gelijk te trekken plus 17 procent van het gewicht. Om recht omhoog te klimmen, zou stuwkracht nodig zijn om alle gewicht en weerstand te evenaren. Daarom is de klimhoek voor klimprestaties afhankelijk van de hoeveelheid overtollige kracht die beschikbaar is om een deel van het gewicht te overwinnen. Merk op dat vliegtuigen in staat zijn om een klim vol te houden vanwege overmatige stuwkracht. Wanneer de overtollige stuwkracht is verdwenen, kan het vliegtuig niet meer klimmen. Op dit punt heeft het vliegtuig zijn “absoluut plafond” bereikt.

4.6.3 Krachten bij afdalingen #

Net als bij beklimmingen, verandert de krachten die op het vliegtuig inwerken, wanneer een afdaling wordt ingevoerd vanaf de straight- en level vlucht. Voor het volgende voorbeeld daalt het vliegtuig af met hetzelfde vermogen als gebruikt in straight-and-level vlucht.

Als voorwaartse druk wordt uitgeoefend op het stuurjuk om de afdaling te starten, wordt de AOA even verminderd. Aanvankelijk zorgt het momentum van het vliegtuig ervoor dat het vliegtuig kort verder gaat langs hetzelfde vliegpad. Op dit moment neemt de AOA af, waardoor de totale lift afneemt. Nu het gewicht nu groter is dan lift, begint het vliegtuig af te dalen. Tegelijkertijd gaat het vliegpad van niveau naar een aflopend vliegpad. Verwar een vermindering van de lift niet met het onvermogen om voldoende lift te genereren om de vlucht te behouden. Het vliegpad wordt gemanipuleerd met beschikbare stuwkracht in reserve en met de lift.

Om met dezelfde luchtsnelheid te dalen als gebruikt in straight-and-level vlucht, moet het vermogen worden verminderd als de afdaling wordt ingevoerd. De component van het gewicht die naar voren werkt langs het vliegpad neemt toe naarmate de afdalingshoek toeneemt en omgekeerd afneemt naarmate de afdalingshoek afneemt. De component van het gewicht die naar voren werkt langs het vliegpad neemt toe naarmate de afdalingshoek toeneemt en omgekeerd afneemt naarmate de afdalingshoek afneemt.