Määritelmä

Kohtauskulma on lentokonettä ympäröivän vapaan virtauksen kulman johonkin lentokoneen referenssitasoon. Kätevin referenssitaso on lentokoneen pituusakseli (tai siiven jänne). Jolloin kohtauskulmalla 0 astetta lentokone etenee ilmaan nähden referenssi viivan suuntaan.

Nostovoiman ja kohtauskulman välinen yhteys

Varmaan jokainen muistaa lentokurssilta oheisen graafin. Vaaka-akselilla kohtauskulma ja pystyakselilla nostovoimakerroin. Nostovoimakerroin on siiven nostovoimaa kuvaava lukuarvo. Lentokonetta pitää ilmassa nostovoima, joka on suorassa suhteessa nostovoimakertoimeen (ja siiven pinta-alaan ja ilman tiheyteen). Nostovoima on suhteessa nopeuden neliöön. Eli kun nopeus hidastuu, vaakalennon ylläpitämiseksi nostovoimakertoimen on kasvettava. Eli kohtauskulmaa on kasvatettava.

Matkalennossa kevyt lentokone (ultra, C150 tapaiset lentokoneet) tarvitsee noin nostovoimakertoimen 0,4. Lähestyttäessä laskua varten (tai nousussa) lähestymisnopeudella nostovoimakerroin on noin 1,0 luokkaa.

Sakkaus nopeudella nostovoimakerroin on suurimmillaan. Sakkaus on määrittelyn mukaan se pienin nopeus, jolla kone pystyy lentämään (vaakalentoa). Jos koneen nostovoimakerroin muuttuu yllä olevan käyrän mukaan, vaakalentoa lennetään kohtauskulmalla 1 aste. Lähestyminen tehdään kohtauskulmalla 6 astetta. Ja kone sakkaa kohtauskulmalla 12,5 astetta.

Sakkaus tapahtuu aina samalla kohtauskulmalla! Riippumatta koneen massasta, lentosuunnasta, kuormituskertoimesta, kallistuksesta jne. Sakkausnopeus taas voi olla mitä tahansa riippuen noista asioista.

Sakkausnopeus kerrotaan nopeusmittarissa, maksimilentomassalla, kuormituskertoimella 1 g, vaakalennossa. Otetaan tässä esimerkiksi kone, jonka Vs massalla 450 kg olisi 70 km/h. Sakkausnopeus muuttuu lentomassan ja kallistuskulman mukaan seuraavasti:

Sitten tämän päälle "g" kertoimen vaikutus ja lentoradan suunnan vaikutus. Lentokokemus tuo ohjaajalle käsityksen miten nämä vaikuttavat. Sitä kutsutaan perstuntumaksi.

Mutta kaikissa tapauksissa sakkauskohtauskulma on sama! Sama kohtauskulmariippuvuus on myös parhaan nousunopeuden ja parhaan liitonopeuden kanssa. Ne ovat aina samalla kohtauskulmalla, mutta suurella nopeusvaihteluvälillä.

Olisi siis aika yksinkertaista, jos lentokoneessa olisi mittari, joka kertoisi kohtauskulman. Sen avulla nousu ja lasku sekä liikehdintä suurilla kohtauskulmilla voitaisiin tehdä yksinkertaisemmin. Seuraten vain kohtauskulmaa ja lentäminen tapahtuisi aina tällä parhaalla mahdollisella kohtauskulmalla ja turvaväli sakkaukseen pysyisi samana. Riippumatta massasta, kallistuksesta tai lentoradasta.

Lentonopeus suhteessa kohtauskulmaan

Tällä on suoraan merkitystä vain vaakalennossa, mutta tämä kertoo hyvin, miksi kohtauskulma mittari on erinomainen väline nimenomaan pienillä nopeuksilla. Graafi on tyypillisen ultran mitoilla, vaakalentonopeus (pystyakseli) eri kohtauskulmilla (vaaka-akseli). Nostovoimakertoimen riippuvuus on sama kuin ylempänä. Matkalentonopeudella yhden asteen muutos kohtauskulmassa vastaa 23 km/h nopeuseroa. Lähestymisnopeudella yhden asteen muutos kohtauskulmassa vastaa noin 8 km/h nopeuseroa.

Mutta kun lähestytään sakkauskohtauskulmaa, nopeudenmuutos pienenee kulmamuutokseen nähden. 75 km/h nopeudella asteen kulmanmuutos vastaa enään 3 km/h nopeuseroa. Kohtauskulmamittari on siis herkimmillään pienillä nopeuksilla, jolloin taas nopeusmittarin hyödyllisyys vähenee ja sakkauksen lähellä se on käytännössä merkityksetön mittari. Nopeudesta 72 km/h nopeuteen 69 km/h, nopeusero siis 3 km/h, lähes lukematon paikka normaalissa nopeusmittarissa. Mutta kohtauskulmassa ero 3 astetta, selvästi luettavissa. Nopeusmittarin virheet ovat myös suurimmillaan sakkaunopeuden tienoolla.

Mitä muuta?

Kaikki oleelliset aerodynaamiset suureet riippuvat ensisijaisesti kohtauskulmasta. Esimerkiksi lentokoneen parhaan liitosuhteen nopeus on oikeasti parhaan liitosuhteen kohtauskulma. Nopeus riippuu lentopainosta, kallistuksesta, g-voimasta. Kohtauskulmamittarin avulla voit lentää tarkasti parasta liitosuhteen nopeutta riippumatta painosta, kallistuksista jne. Sama kohtauskulma antaa myös nousun aikana parhaan kohoamisnopeuden. Saati siis kaikki irti koneestasi.

Virtaus lentokoneen ympärillä

Siipi muodostaa nostovoimaa kääntämällä ilman virtaussuuntaa. Tämä näkyy sekä siiven edessä että sen takana. Kaikki virtaus väistää lentokoneen kaikkia osia, mistä helpoiten se onnistuu. Potkuri kiihdyttää virtausta, ja pakottaa sen potkurin takana taaksepäin ja kierteiseksi. Ja tämä on tehosta riippuvaa. Mistä siis löytyy se vapaa virtaus josta kohtauskulman saisi mitattua?

Kelvollista

Potkurin takana on kiihtyneen ja potkurista kääntyneen virtauksen alue. Myös alue heti potkurin etupuolella on potkurin vaikutusalueessa. Eivät toimi.

Siipi toimiessaan kääntää virtausta. Ja luonteensa mukaisesti lähellä siipeä virtaus on siiven pinnan suuntainen. Tämän takia Piper tyyppisesti pitot putki on siiven jänteen puolivälissä, koska siinä virtaussuunta on aina hyvin tarkkaan siiven pinnan suuntainen. Mutta koska juuri siiven kohtauskulma on tavoitteena, se on se mistä se helpoiten saadaan tavallisessa potkurikoneessa.

Siiven alueella virtaus kääntyilee kohtauskulma mukana seuraavan kuvan mukaisesti. Kuvat järjestyksessä; matkalentotilanne, parhaan liitoluvun tienoolla, sakkauksen rajoilla.

Kuvasta voidaan todeta, että siiven etuosassa riittävän kaukana pinnasta (oikeastaan mihin suuntaan tahansa) virtauksen kääntyminen seuraa kaukana olevaa tilannetta.

Olemassa olevia ratkaisuja

Maailmalla on kolmea tyyppiä kohtauskulma antureita ja mittausjärjestelmiä tarjolla:

• Patopisteen paikan tunnistus
• Etureunan paine-ero mittaukseen perustuvia
• Tuuliviiri anturi

Patopisteen paikan tunnistus

Tämä on useimmiten vain sakkausvaroittimena toimiva mittaus. Sillä saadaan selville, kun kohtauskulman muuttuessa siiven etureunassa olevan patopisteen paikka siirtyy. Näkyy yllä olevassa animaatiossa kohtana, johon virtaviiva osuu etureunassa kohtisuoraan. Tyypillinen asennus:

Cessnassa on alipaineella toimiva vastaava sakkausvaroitin. Sähköisesti toteutettuna lippa käyttää mikrokytkintä joka siirtyy tilasta toiseen kun patopiste siirtyy sen ohi. Samalla idealla on toteutettavissa myös kohtauskulman mittaus, joista yksi sovellus alla.

Ratkaisun hankalin ominaisuus on sen vaatima tila siiven johtoreunassa. Yllä olevien osien käyttö merkitsee siiven rakenteeseen tehtävää aukkoa. Se jos mikä on suuri muutostyö!

Etureunan paine-ero mittaukseen perustuva

Näitä ovat lähes kaikissa EFIS laitteissa oleva kohtauskulma mittaus anturit. Etureunaan tai erillisellä pitotputken näköisellä anturilla kerätään painetietoa eri puolilta patopistettä. Näistä painetiedoista sitten lasketaan missä kulmassa virtaus saapuu. King Bendix KLR11 edustaa tätä rarkaisua

Ratkaisua käyttää myös useissa tyyppihyväksyissä STC kiteissä, jossa paine mittaus tehdää siiven etureunassa ylä ja alapinnasta.

Paine-ero mittauksen suurin miinus on siinä olevat aukot. Pienet aukot, joita tarvitaan mittausta varten. Oli ne sitten erillisessä anturissa tai siiven pinnassa ne ovat alttiina vesiroiskeille. Ja jos järjestelmään menee vesipisara, järjestelmän luotettava toiminta pysyhtyy siihen. Eräissä ratkaisuissa on erilliset vedenpoistoventtiilit veden poistamiseksi järjestelmästä. Vesilentotoiminnassa on aina roisketta, joten tämä ratkaisu on hankala saada toimimaan luotettavasti.

Tuuliviiri

Tämä on klassisin ratkaisu ja se voidaan nähdä lähes kaikissa liikennekoneluokan koneissa eturungon kyljessä. Sekä sotilaskoneissa.

Tästä ratkaisusta on myös tehty useita kevytkoneisiin soveltuvia sarjoja.

Tuuliviiri asettuu lennolla ilmavirran suuntaan ja sen akselilla oleva anturi muuttaa asennon signaaliksi, jota sitten ohjaamossa oleva mittari näyttää. Hyvin yksinkertainen ja varmatoiminen laite. Ei ole arka vesiroiskeille, mikä on vesilentotoiminnassa suuri plussa. Tämän kaltainen laite voidaan myös asentaa siten, että lentokoneen rakenteeseen ei kosketa millään tavoin.

Mikä on hyvä?

Saatavilla olevista ratkaisuista hyvin selvästi sopivin tuuliviirimittari. Se ei edellytä lentokoneen rakenteeseen tehtäviä aukkoja tai reikiä. Asennus vastaa uuden mittarin asennusta mittaritauluun. Se kestää vesiroiskeita lähes rajattomasti ilman toiminta ongelmia. Ainoa haittatekijä on että anturi on liikkuva osa, joka on koneen ulkopuolella ja siten alttiina vaurioitumiselle. Mutta onhan siellä pitotputkikin, joka on myös arka likaantumiselle ja samalla tavalla suojeltava kohde.

Sakkausvaroitin

Lentokoneella voi olla luonnollinen sakkausvaroitus, tärinä kun kohtauskulma lähestyy sakkausta. Tai se voi olla keinotekoinen. Jolloin se on kohtauskulmamittauksen sivutuote. Se on samanlainen raja-arvo kuin vaikka keltainen viiva nopeusmittarissa. Kun se ohitetaan (nopeudessa), lentokoneen rajoitukset muuttuvat. Samalla lailla lentokone ei lopeta lentämistä, vaikka kohtauskulma muuttuu jonkin määritellyn sakkausvaroitus kohdan ohi. Sakkausvaroituksella on tarkoitettu sitä että kohtauskulman kasvaessa tietyn rajan yli, jokin varoittaa ohjaajaa tästä. On se sitten mittarin näyttö, valo, pilli, täristin. Määritelmän mukaan riittää kun se on selvä.

Mutta miksi tyytyä vain varoitukseen, koska kohtauskulmamittarista saa paljon lisäarvoa lentämiseen.

Aiheeseen liittyviä linkkejä

• NACA TN-4351
• http://www.av8n.com/how/htm/aoa.html