Siipikonfiguraatio

Siipikonfiguraatio tarkoittaa lentokoneen siipien muotoa ja asettelua.

2000-luvulla lentokoneen siiven käsite on voinut näennäisesti hämärtyä, koska siipi ja runko voivat yhdentyä, esimerkiksi lentävä siipi tai lifting body -tyyppisissä lentokoneissa, mutta edelleen on olemassa suurimman osan ilma-aluksen nostovoimasta aerodynaamisesti tuottava rakenne. Siipi tuottaa nostovoiman kulkiessaan ilman lävitse pääasiassa aikaansaamalla alipaineen siiven yläpinnan etuosaan ja taittamalla ilmavirtaa (alastaite). Siksi siivellä on virtaviivainen muoto, siiven poikkileikkaus, siipiprofiili, määrää siiven aerodynaamiset ominaisuudet: nostovoiman, vastuksen ja sakkauksen eli virtauksen irtoamisen. Siiven tasomuoto vaikuttaa tähän nostovoiman riippuessa siipipinta-alasta. Siipi ja sen nostovoima tuottavat suuren osan lentokoneen vastuksesta. Siiven nostovoima on 1–2 kertalukua suurempi kuin vastus.

Pääartikkeli: Siipiprofiili

Siipiprofiilille olennaisia parametreja

• pyöreä etureuna, jonka alueelle syntyy patopiste, jossa virtaus pysähtyy
• yleensä terävä jättöreuna
• jänteen pituus
• profiilin paksuus ja etenkin profiilin paksuimman kohdan sijainti profiilin etureunasta taaksepäin mitaten vaikuttavat profiilin nostovoimaan, vastukseen, nokka-alas-momenttiin ja sakkaukseen eli virtauksen irtoamiseen suurilla kohtauskulmilla. Paksuusjakauma määrittelee profiilin ominaisuudet, esim. sen onko profiili perinteinen vai 1950-luvulla kehitetty laminaariprofiili. Eri profiilimuodot tunnetaan niiden kehittäjien mukaan muun muassa NACA-, Göttentigen ja Tsagi-profiileina.
• yleensä profiilin ja siiven yläpinta on kaarevampi kuin alapinta. Myös symmetrinen profiili käy muun muassa ohjainpintoihin – kuten sivuperäsin ja korkeusperäsin – ja taitolentokoneen siipiin.^[1] Siipiprofiilin suurempi kaarevuus kasvattaa siiven momenttia mutta myös maksiminostovoimaa.
• siiven pinnan tulee olla sileä, mutta virtauksen irtoamisen estämiseksi etureunan alavirrassa voidaan pintaan tehdä tahallisesti karheutta, joka muuttaa laminaarin virtauksen turbulentiksi. Laminaariprofiileissa on erityisen tärkeätä pitää siiven etureuna puhtaana, koska laminaari rajakerros ei kestä likaa jne. siiven pinnalla.

Siipiprofiilin tuottama nostovoima on verrannollinen virtauksen kohtauskulmaan siiven jänteen suhteen siihen asti, kun virtaus irtoaa sakkauskohtauskulmalla (tyypillisesti 15 astetta).

Siipien lukumäärä (siipi on tässä vasemman ja oikean siiven ja ns. välisiiven muodostama kokonaisuus)

• ”Ei siipiä”
  • Nostava runko – runko tuottaa nostovoiman, esimerkiksi X-24B ”Lentävä kivi” -sukkulan kehitystyössä 1960-luvulla.
  • Moottoriteholla lentäminen – esimerkiksi Harrier nousussaan, mutta tätä menetelmään käyttävää varsinaista siivetöntä ilma-alusta ei ole ollut kuin McDonnell-Douglasin Delta Clipper-sukkulaskenaarion koealus 1990-luvun alussa, joka sekin pystyi vain leijuntaan, ei esim. matkalentoon.
• Yksi siipi (engl. monoplane) – yleisin tapaus 1930-luvun jälkeen. Siipi voi olla rungon suhteen
  • alasiipi (engl. low wing) – rungon pohja ja siiven pohja samalla tasolla
  • keskisiipi (engl. mid wing) – siipi kiinnittyy korkeussuunnassa rungon puoliväliin
  • yläsiipi (engl. high wing) – siipi on rungon yläosassa
    • olkasiipi (engl. shoulder wing) – siipi kiinnitetty rungon yläosaan
  • Päivänvarjosiipi (engl. parasol wing) – siipi on rungon yläpuolella tukien varassa

Alasiipi

Keskisiipi

Yläsiipi

Päivänvarjosiipi

Siipiä on nykyisin päällekkäin vain yksi, mutta 1900-luvun alussa useitakin:

• kaksitaso – kaksi suunnilleen samankokoista siipeä päällekkäin – väistyi 1930-luvulla, kun lentokoneen rakenteet muuttuivat metallisiksi ja pyrittiin pienempään vastukseen
  • ”Sesquiplane” – alempi päällekkäisistä siivistä on paljon pienempi
• kolmitaso – kolme siipeä päällekkäin, ensimmäisessä maailmansodassa tällaiset koneet olivat osan aikaa sodasta liikehtimiskykyisempiä kuin 1- tai 2-tasoiset.
• nelitaso – neljä päällekkäistä siipeä
• monitaso – kokeilijat 1900-luvun alussa rakensivat tällaisia huonolla menestyksellä. 9-tasoinen Caproni Ca.60 lensi vain lyhyen matkaa ennen tuhoutumistaan.

Kaksitaso

1,5-taso

Kolmitaso

Monitaso

Tandem-siiveksi kutsutaan tilannetta, jossa lentokoneessa on kaksi peräkkäistä likimain samankokoista siipeä. Kaksitasoisissa koneissa ylempi siipi on usein hieman edempänä kuin alempi siipi. Tämä luo stabiilisuutta. Päinvastainen konfiguraatio on esimerkiksi Beechcraft Staggerwing -koneessa.

Siivet päällekkäin

Yläsiipi edempänä

Yläsiipi taaempana

Siipi tuetaan nykyisin siiven sisällä olevilla rakenteilla pieniä hitaita yleisilmailukoneita jne. lukuun ottamatta. Aikojen kuluessa siiven tuennassa on käytetty monenlaisia ratkaisuja:

• itsekantava siipi (engl. cantilever wing)
• tuettu (engl. braced) ulkoisten tukien avulla runkoon ja mahdolliseen toiseen jne. siipeen. Käytössä tukina on palkkeja, tankoja (engl. struts, esimerkiksi Cessna 150) ja vaijereita. Tuet vähentävät siiven rakennepainoa mutta lisäävät siiven vastusta.

Itsekantava siipi

Tuettu siipi

Vaijerijäykistys

Single-bay biplane

Two-bay biplane

• Suljettu siipi – siivet yhdistetty päistään rakenteen jäykistämiseksi
  • Box wing
  • Rhomboidal wing
  • rengasmainen siipi
    • tasomainen
    • sylinterimäinen, esimerkiksi SNECMA Coléoptère
    • muut versiot, esimerkiksi Blériot III

Box wing

Annular box wing

tasomainen rengasmainen siipi

sylinterimäinen siipi

Siipi voi olla

• jäykkä
• joustava – esimerkiksi painopisteohjatut ultrat

Siiven tasomuoto vaikuttaa vastukseen ja sakkausominaisuuksiin. Muuttuvan geometrian siipi on eräs ratkaisu hidaslennon ja nopean lennon vaatimuksiin siivelle.

Sivusuhde on siiven kärkivälin ja keskimääräisen siiven profiilin jänteen välinen suhde: ^[2]

• pieni – lyhyt siipi on rakenteellisesti luja ja koneen vastus suurille lentonopeuksilla pieni, mutta hidaslento on vaikeaa, esim. Lockheed F-104 Starfighter;
• keskisuuri – aliääninopeuksellinen lentokone, esimerkiksi Lockheed P-80 Shooting Star;
• korkea – esimerkiksi purjelentokoneet ja matkustajalentokoneet.

Pieni siipisuhde

Keskisuuri siipisuhde

Korkea siipisuhde

Pääartikkeli: Nuolisiipi

Siiven nuolikulma vähentää vastusta suurilla nopeuksilla. Sillä on vaikutusta stabiliteettiin ja painopisteen ja aerodynaamisen keskiön väliseen asemaan:

• suora siipi – luja rakenteellisesti, helppo valmistaa, sopii alisooniseen lentonopeusalueeseen;
• viistetty (engl. swept back) – siirtää tiivistysaaltojen syntyä;
• viistetty eteenpäin – sama vaikutus kuin taaksepäin viistämisellä, mutta rakenteellisesti paljon vaikeampi ratkaisu, esimerkiksi HFB-320 Hansa Jet.

Muuttuva geometria:

• muuttuva nuolikulma (engl. swing-wing), esimerkiksi General Dynamics F-111;
• kääntyvä siipi (engl. oblique wing), esimerkiksi NASA AD-1.

Suora siipi

Nuolikulmainen siipi

Negatiivinen nuolikulma

Muuttuva nuolikulma (swing-wing)

”Oblique wing”

Nuolikulma voi pysyä vakiona tai muuttua tyvestä siiven kärkeen

• Crescent – ulommalla alueella suurempi nuolikulma, Handley Page Victor.
• Cranked arrow, esimerkiksi General Dynamics F-16XL, myös jättöreuna kaventaa siipeä
• M-siipi – vain tutkielmien kohteena^[3][4]
• W-siipi – käänteinen M-siipi^[4], esimerkiksi Blohm & Voss P.188

Crescent

Cranked arrow

M-wing

W-wing

• Tasaleveä siipi, esimerkiksi Short Skyvan.^[5] Rakenteellisesti tasaleveä siipi on helpoin valmistaa, mutta sen rakenteen paino on suuri. Tasaleveän siiven etu on myös, että se on tyvisakkaaja.
• elliptinen siipi, esimerkiksi Supermarine Spitfire, tuottaa kohtauskulman kasvaessa ja virtauksen lopulta irrotessa sakkauksen, jossa kone ei kaadu, sakkaus alkaa leveästä tyvestä.
• kärkeä kohti lineaarisesti leveydeltään muuttuva siipi
  • kärkeä kohti kapeneva siipi, esimerkiksi LaGG-3. Siipi on kevyt, mutta se on kärkisakkaaja.
  • kärkeä kohti levenevä siipi – kokeiltu vain koekoneessa Republic XF-91 Thunderceptor
  • ensin levenevä ja sitten kapeneva siipi, esimerkiksi Westland Lysander
  • trapetsinen siipi kapenee kärkeä kohti. Usein etureuna on suora ja siiven jättöreuna tulee kärkeä kohden eteenpäin, esimerkiksi Lockheed F-22 Raptor ja Messerschmitt Bf 109.
• linnun siiven kaltainen siiven muoto oli 1900-luvun alussa kokeiltu versio, esimerkiksi Etrich Taube.
• ympyrämäinen – esimerkiksi Vought XF5U
  • lentävä lautanen, esimerkiksi kanadalainen Avrocar
  • rengasmainen – kokeiltu 1900-luvun alussa.^[6].

Suora siipi

Elliptinen siipi

Kapeneva siipi

Levenevä siipi

Levenevä ja kapeneva siipi

Trapetsinen siipi

Ympyrämäinen siipi

• deltasiipi
  • Korkeusvakaumeton deltasiipi, Dassault Mirage III
  • deltasiipi korkeusvakauttimella, esimerkiksi MiG-21
  • katkaistu delta – siiven kärjellä äärellinen leveys
  • tupladelta, esimerkiksi Saab Draken
  • viinilasi-delta (engl. ogival delta),esimerkiksi Tupolev Tu-144

Pyrstötön delta

Pyrstöllinen delta

Katkaistu delta

Tupla-delta

Ogival delta

Pyrstö

• perinteinen – erillinen korkeusvakautin”siipi” pyrstön perässä;
• canard – korkeusvakautin ja peräsin rungon etuosassa, yleinen 5. sukupolven hävittäjissä, esimerkiksi Saab Viggen;
• tandem – kaksi pääsiipeä, esimerkiksi Rutan Quickie;
• pyrstötön.

Perinteinen

Canard

Tandem

Kolmisiipinen tandem

Pyrstötön

V-kulma (siiven kärjen ja tyven välinen korkeusero) vaikuttaa lentokoneen stabiiliuuteen

• Positiivinen V-kulma, esimerkiksi Boeing 737
• Negatiivinen V-kulma, esimerkiksi Iljušin Il-76

Positiivinen V-kulma

Negatiivinen V-kulma

Niksatuissa siivissä V-kulma muuttuu matkalla tyvestä kärkeen

• Lokinsiipi, esimerkiksi PZL P.11, Polikarpov I-153 tai Göppingen Gö 3.
• Käänteinen lokinsiipi, esimerkiksi F4U Corsair tai Junkers Ju 87.

• Niksattu, esimerkiksi F-4 Phantom II.
• ”Channel wing” – Custer Channel Wing kokeilu.
• ”Ruptured duck”, esimerkiksi Northrop XP-56 Black Bullet.

Lokin siipi

Käänteinen lokin siipi

Cranked wing

Channel wing

Siipi ja runko voivat hoitaa toistensa tehtäviä tai olla erillisiä

• lentävä siipi, kuten häiveteknologialla suojattu B-2 Spirit ja A-12 Avenger II
• Blended body – runko, joka tuottaa nostovoimaa, esimerkiksi McDonnell XP-67 Bat
• nostava runko (engl. lifting body) – ei lainkaan siipiä, nostovoiman tuottaa vain runko

Lentävä siipi

Blended body

Lifting body

Pääartikkeli: Muuttuvageometrinen siipi

Muuttuvageometrisella siivellä tarkoitetaan lennon aikana muuttuvaa siipikonfiguraatiota. Lentokoneen varastointiin käytettävällä taittuvalla siivellä ei tarkoiteta samaa asiaa.

Muuttuva nuolikulma (swing-wing)

Kääntyvä siipi

Teleskooppinen siipi

Jatkettava siipi

Taittuva siipi, ei tässä tarkoita esimerkiksi tukialusten varastointia varten saranoituja siipiä

Siiven asetuskulma on siiven tyviprofiilin jänteen ja koneen pituusakselin välinen kulma. Sillä aikaansaadaan nostovoimaa, kun lentokone lentää vaakalentoa ja lentokoneen runko on tällöin vaakasuorassa sisällä olevien matkustajien jne. kannalta. Asetuskulma voi olla:

• Kiinteä tehtaalla asennuksessa määritetty. Tämä on yleisin tapaus.
• Muuttuvaa asetuskulmaa on lähinnä käytetty tukialuksilta operoiville hävittäjille. Esimerkiksi Vought F-8 Crusader käänsi siipeä suuremmalle asetuskulmalle (kohtauskulmalle) lentoonlähdössä.
• Siipiprofiilin vaihtuva kaarevuus (variable camber) aikaansaadaan nostovoimaa lisäävillä etu- ja jättöreunalaitteilla.

Vaihtuva asetuskulma

Vaihtuva kaarevuus

Hidaslennossa siiven nostovoimaa lisätään jättöreunaan liittyvillä laipoilla. Sekä hidaslennossa että liikehdinnässä etureunaan asennetut solakot lisäävät nostovoimaa ja siirtävät sakkausta korkeammalle kohtauskulmalle. Erittäin voimakkaassa liikehdinnässä pyörteittimet siiven etureunassa estävät virtauksen irtoamista. Siiven ylä- ja alapinnan paine-ero pyrkii tasoittumaan siten, että virtausta tapahtuu siiven tyvestä kärkeen muodostaen kärkipyörteen. Rajakerrosaidat siiven pinnalla vähentävät tätä virtausta ja sen aikaansaamaa häviötä. Winglet toimii samalla periaatteella siiven kärjessä.^[7]

Muut osat

• ”Chine” – siiven tyven ja rungon sovite, esimerkiksi Lockheed SR-71 Blackbird.
• ”Viiksi” – kiinteä canard, esimerkiksi Tupolev Tu-144.
• siipiaita (wing fence) – vähentää virtausta tyvestä kärkeen
• pyörteitin (turbulaattori), siiven epäjatkuvuuskohta
• fairing, muotokappaleet vastuksen vähentämiseksi

• [1]
• Kermode, A.C. (1972); Mechanics of Flight, Chapter 3 (Eighth (metric) edition). Sir Isaac Pitman and Sons Ltd, London. ISBN 0 273 31623 0
• Taylor, John W.R. The Lore of Flight, London: Universal Books Ltd., 1990. ISBN 0-9509620-15.
• What is it? Aircraft Characteristics That Aid The Spotter Flight, June 4, 1942
• How Wings Work - Holger Babinsky Physics Education 2003
• "Physics of flight - revisited" Weltner and Ingelman-Sundberg (Arkistoitu – Internet Archive)
• How Airplanes Fly: A Physical Description of Lift
• Demystifying the Science of Flight - Audio segment on NPR's Talk of the Nation Science Friday
• NASA's explanations and simulations (Arkistoitu – Internet Archive)
• Flight of the StyroHawk wing
• Evolution of flight (Arkistoitu – Internet Archive) in animals
• See How It Flies