Zweefvliegen

1. Constructie van het zweefvliegtuig

1.1. Romp De romp verbindt de dragende delen van het vliegtuig met de stuurorganen. De staartvlakken, vleugels worden eraan vastgekoppeld. Ook het onderstel en de starthaak zijn eraan bevestigd.

De romp bestaat uit drie delen: - Het voorste deel waar de piloot zit. - Het middelste deel waar zich de aansluitingen van de vleugels en de besturingsorganen bevinden. - Het achterste deel waar zich de staartvlakken en het staartwiel bevinden.

De romp kan op verschillende wijzen gebouwd worden. - Het geraamteontwerp, dat een ruimtelijk vakwerk vormt en meestal bestaat uit aan elkaar gelaste metalen buizen. - De schaalconstructie, waarbij de wand van de romp zelf het dragende element is. We onderscheiden hierbij een bouwwijze met spanten. Deze worden op zijn plaats gehouden door middel van latten en daarna wordt het geheel met triplex overtrokken. Een andere bouwwijze is de “sandwich”-bouwwijze. De romp bestaat hier enkel uit een dragende wand, zonder stutten of spanten. Bij zweefvliegtuigen bestaat de wand uit een binnen- en buitenwand uit GVK (glasvezel versterkte kunststof) met daartussen een soort schuimrubber.

1.2. Vleugels De vleugels hebben de opdracht de lift te produceren en het hele toestel te dragen. Hierbij is het vleugelprofiel van zeer groot belang, evenals de oppervlakte, de buig- en torsiestandvastigheid en zeker ook niet te vergeten de stevigheid van de bevestigingen aan de romp. De vleugels zijn gemaakt uit hout, metaal of GVK. Het hoofdelement van een vleugel is de hoofdligger. Deze strekt zich uit over de hele lengte van de vleugel en bevindt zich meestal op 1/3de van de aanvalsboord. Verder zijn de ribben ook zeer belangrijke onderdelen. Zij geven de gewenste profielvorm en vormen de verbinding tussen de hoofdligger en de huid. Ribben zijn enkel nog van toepassing in de houtbouw. Bij de bouw in GVK zijn er geen ribben meer.

1.2.1. De remkleppen De remkleppen zijn gewoonlijk op de extrados en/of intrados van de vleugels gemonteerd. Hoe meer ze naar de trailing edge liggen, hoe minder effectief ze zullen worden. Ze geven een grote toename van de weerstand bij een geringe afname van de draagkracht. De toename van weerstand is te verklaren doordat plaatselijk de profielweerstand sterk toeneemt. De draagkracht neemt slechts gering af omdat de remkleppen zich slechts over een klein deel van de spanwijdte uitstrekken.

1.2.2. Het profiel De dwarsdoorsnede van een vleugel heeft een kenmerkende vorm, van voren min of meer afgerond en van achteren spits toelopend. Deze doorsnede wordt het vleugelprofiel genoemd. Er bestaan verschillende soorten vleugelprofielen, met elk verschillende aërodynamische eigenschappen. Hierbij gaat men een onderscheid maken tussen symmetrische en asymmetrische profielen. De lijn die als basis wordt gebruikt voor het vastleggen van de afmetingen en de stand van een profiel noemt men de koorde van het profiel. Het is de rechte lijn verbonden tussen de uiterste punten van het profiel. De lijn die halverwege de profiel boven- en onderkant loopt noemt men de skeletlijn. De maximale afstand tussen de skeletlijn en de koorde noemt men de profielwelving. Een zeer belangrijke hoek is deze die wordt gevormd tussen de koorde en de aanstroomrichting van de lucht. Deze wordt de invalshoek genoemd, en bepaald in grote mate mee hoeveel lift er kan geproduceerd worden. Op deze tekening is de invalshoek overdreven groot. Normaal varieert hij tussen de –2° tot max. 16°

1.3. Constructiematerialen Men kan de bouw van zweefvliegtuigen indelen in verschillende groepen. Zo onderscheidt men houtbouw, metaalbouw, kunststofbouw en een gemengde bouwwijze. De meest opkomende is de kunststofbouw. Ook de gemengde bouwwijze wordt nog op grote schaal toegepast. Hieronder staan de belangrijkste constructiematerialen opgesomd.

1.3.1. Glasvezel Glas op zichzelf bezit geen bijzondere eigenschappen. Wanneer het echter tot “glasvezel” uitgerekt wordt, veranderen zijn spannings- en elastische eigenschappen om uiteindelijk een zeer grote oppervlaktespanning te bereiken. Glasvezel wordt vervaardigd uit E-glas met een zeer laag gehalte aan alkali-oxyde. Dit E-glas wordt gesmolten, daarna sterk uitgerekt, en dan plots afgekoeld. Het gebruik van glasvezel is vooral kostendrukkend.

1.3.2. Koolstofvezel Koolstofvezel of KVK wordt door pyrolyse (is een ontbinding door hoge temperatuur) tussen de 1200°C en 2800°C uit organische vezels vervaardigd. De stijfheidsgraad van C-vezels is veel hoger dan die van glasvezel. Koolstofvezels worden meer en meer gebruikt voor belangrijke delen in de constructie, bvb. de frame van een cockpitkap of de vleugelliggers.

1.3.3. Aramidevezel Aramidevezels bestaan uit polymide. Deze heeft een grotere stijfheid dan glasvezel, maar is brozer en de stijfheidsgraad neemt sterk af onder invloed van het licht. Deze stof wordt gebruikt voor de constructie van de cockpitkuip en de romponderkant. Aramidevezel bevordert de veiligheid.

1.3.4. Hout Hout is het belangrijkste basismateriaal in de hout- of gemengde bouwwijze. De bouw van volledig houten vliegtuigen is bijna totaal verdrongen. Toch heeft het zijn toepassingen in die moderne zweefvliegtuigbouw. Enkele voorbeelden zijn: - Dennenhout gebruikt voor gordingen en latjes, voor de bouw van de romp en vleugels. - Berkenhout gebruikt in de vorm van triplex. Triplex op zijn beurt wordt gebruikt voor het afdekken van de romp en de vleugels. - Balsahout is een erg lichte tropische houtsoort, gebruikt als ondersteuningsmateriaal voor dun triplex.

1.3.5. Plexiglas Cockpitkappen worden van dit heldere doorzichtige materiaal gemaakt. Het is erg kerfgevoelig. Plexiglas wordt snel aangetast door allerlei vloeistoffen en dampen. Zo mag een cockpit nooit gepoetst worden met oplosser of verdunner. Er ontstaan dan kleine barstjes, die de doorzichtigheid verminderen, maar ook tot grotere scheuren kunnen leiden.

2. Aërodynamica De aërodynamica is de wetenschap die zich bezig houdt met de beweging van gassen of fluïda, de algemene naam voor de vloeistof of gas. Wij bekijken ons fluïdum (lucht) altijd in de standaardatmosfeer.

2.1. Energie – Dynamische en statische druk Het begrip ‘druk’ moet men goed doorzien, om te kunnen begrijpen hoe een vliegtuig kan vliegen. Het zal blijken dat alles draait om drukverschillen. - Statische druk (Ps): in de atmosfeer is de lucht aan het aardoppervlak samengedrukt door het gewicht van de verschillende luchtlagen erboven. Naarmate men stijgt, wordt de lengte van deze kolom kleiner, zodat ook het gewicht ervan vermindert. Daardoor zal de druk ook gaan verminderen naarmate men stijgt. Dit noemt men de statische druk. Op zeeniveau bedraagt die druk 101320 Pa en hij daalt 1250 Pa per 100 meter. (deze afname wordt kleiner naarmate men meer stijgt) - Dynamische druk (Pd): dat is de druk die voortvloeit uit de energie die wordt opgewekt door het fluïdum dat in beweging is gebracht. (= kinetische energie) Men kan deze druk berekenen met volgende formule: De totale druk (Pt) die op een oppervlak wordt uitgeoefend: statische + dynamische druk

Voorbeeld: Stel een vliegtuig vliegt tegen een snelheid van 126 km/h (35 m/s) met een tegenwind van 36 km/h (10 m/s) op een hoogte van 500 meter boven zeeniveau, bij ideale omstandigheden? (r=1,225kg/m³)

- Ps= 101320 Pa bij 0 meter ® bij 500 m.: 101320 – (5.1250)= 95070 Pa - Pd= = = 750,31 Pa - Pt= Ps+Pd= 95820,31 Pa
De totale druk is 95820,31 Pa en is kleiner dan de druk op zeeniveau. Om een idee te krijgen van deze druk: 95820,31 Pa = 95820,31 N/m² = 958 gram per cm².

2.2. Continuïteitswet We veronderstellen dat een luchtstroom met een constante snelheid door een buis stroomt die geleidelijk kleiner wordt. Doordat de stroming stationair is, zal op elk moment éénzelfde bepaald volume lucht moeten stromen. Om dit te kunnen laten gelden, zal de snelheid moeten vergroten bij afnemende doorsnede. Hieruit volgt: A1.V1 = A2.V2 = Cte ® dit noemt de continuïteitsvergelijking

2.3. Wet van Bernouilli Bernouilli ging verder in op dit fenomeen. Wanneer lucht door een buis met afnemende doorsnede stroomt, wordt de snelheid groter. Er is een toename van energie in de vorm van snelheid. Deze zal ten koste van een andere energievorm moeten gaan. De enige mogelijke energievorm is de druk (vorm van potentiële energie). Bij toenemende snelheid concludeerde Bernouilli dat de druk ging afnemen en andersom. Hij bekwam de volgende formule: Pt = P + = constante
Hierbij is gelijk aan de stuwdruk.

2.4. Ontstaan van drukverschillen Een vleugelprofiel verdeelt als het ware de luchtstroom in twee delen. Als dit profiel onder een bepaalde hoek wordt geplaatst in de stroming, dan kan men volgende fenomenen zien: 1. het stuwpunt
2. minimum druk
3. omslagpunt
4. punt van turbulentie

1. De plaats waar de luchtstroming de voorkant van het profiel raakt, noemt men het stuwpunt. Daar is de snelheid gelijk aan nul. Ps (statische druk) zal daar dus het grootst zijn. 2. Tussen 1 & 2 gaat de snelheid verhogen (cont. wet) en de statische druk gaat dus dalen (Bernouilli). Waar de vleugel het dikst is, gaat de snelheid het grootst zijn, en daar wordt dus ook de laagste druk bereikt. 3. Tussen 2 & 3 gaat de snelheid afnemen. Ps verhoogt opnieuw, maar ze is toch nog kleiner dan in het begin. De grenslaag neemt toe in dikte. Punt 3, het omslagpunt, is het punt waar dat de grenslaag turbulent wordt. 4. Bij punt 4 komt de turbulente grenslaag los van het profiel. Hierdoor ontstaan wervelingen. De snelheid blijft verminderen en Ps neemt nog steeds toe. Aan de onderkant blijft de grenslaag laminair en wordt dikker naarmate ze naar achter schuift. - Al deze veranderingen van snelheid doen volgens Bernouilli verschillende drukken ontstaan rond het profiel.

2.5. Aërodynamische krachten Doordat er rond het profiel drukverschillen zijn, gaan er dus krachten ontstaan. Op figuur 2.5.1. / 2.5.1.1. zie je dat het profiel onder een bepaalde invalshoek is geplaatst, en daarom zal er een opwaartse kracht optreden. We zien dat er onderdrukken ontstaan aan de extrados en overdrukken aan de intrados. Het patroon van de extrados is groter en dus belangrijker. De som van alle aërodynamische krachten wordt voorgesteld door de vector R (resultante) die loodrecht op de koorde staat. Het aangrijpingspunt van deze kracht ligt op de koorde en noemt het drukpunt.

2.5.1. Lift (draagkracht) De resultante kan ontbonden worden in 2 componenten, nl. een horizontale component D (Drag) en een verticale component L (Lift). Zoals eerder besproken is de hoek tussen de koorde en de relatieve wind de invalshoek. De component van de lift staat hier loodrecht op. De lift is afhankelijk van verschillende factoren: - De snelheid van de relatieve luchtstroom V - Het vleugeloppervlak S - De luchtdichtheid r - De invalshoek a - En vooral de eigenschappen van de vleugel (Cl) Met de eigenschappen van het vleugel wordt vooral de vorm van het profiel bedoeld. De vorm van het profiel (welving en max. dikte) en de invalshoek bepalen de max. draagkracht die ontwikkeld kan worden. De invalshoek en de vorm van het profiel vormen samen de draagkrachtscoëfficiënt Cl. De vorm van het profiel wordt gekozen door de constructeur van het vliegtuig, dus de piloot kan enkel de draagkracht wijzigen door de invalshoek te veranderen. Op volgende grafiek zie je de draagkrachtscoëfficiënt afgebeeld in functie van de invalshoek. We gaan hierbij uit van een bepaald asymmetrisch profiel.

Enkele opmerkelijke punten: - Er bestaat reeds draagkracht bij een invalshoek van -2°. Dit is te verklaren doordat het profiel asymmetrisch is. - De grafiek verloopt nagenoeg evenredig tot aan een hoek van ongeveer 8°. Dit is te verklaren omdat de stroming tot dit punt laminair over het profiel blijft stromen. - De waarde van Cl verhoogt bij toenemende invalshoek, maar er zijn natuurlijk beperkingen. Wanneer de invalshoek zijn kritische waarde bereikt heeft (ongeveer 16° bij eender welk profiel), dan zal de hele extrados overtrokken zijn van turbulente stromingen. Het drukpunt ligt nu helemaal vooraan op de koorde. - Wanneer we de hoek nog vergroten, dan gaat men plotseling een verlies aan lift krijgen. Het drukpunt verplaatst zich ineens naar achteren. Het profiel is volledig overtrokken; men spreekt van stall.

Wiskundige berekening van de lift (in Newton) Neem dat je vliegt op een bepaald moment waarbij: r= 1,225 kg/m³ S= 16 m² V= 40 m/s (144km/h) Cl= 1,0

- De draagkracht is dan: L = . 1,225 . 16 . 40² . 1,0 = 15680 N

2.5.2. Drag (weerstand) De tweede component van de resultante is de weerstand. Elk lichaam dat in beweging is in een bepaald fluïdum, ondervindt weerstand. Deze weerstand vindt zijn oorsprong in: - De eigenschappen van het fluïdum. - De vorm en het oppervlak van het lichaam. De weerstand is nog afhankelijk van andere belangrijke factoren die in volgend schema staan uitgewerkt.

1. Geïnduceerde weerstand: is te wijten aan het bestaan van de draagkracht. Het verschil in druk aan de extrados en intrados doet aan de vleugeltippen de lucht overgaan van een hoger naar een lager drukveld. Hierdoor ontstaan er wervelingen die verantwoordelijk zijn voor een weerstand. De geïnduceerde weerstand is omgekeerd evenredig met de snelheid omdat in een horizontale vlucht de invalshoek vermindert ® de snelheid neemt toe, waardoor ook de geïnduceerde weerstand afneemt.

2. Parasitaire weerstand: is de som van de vorm- en wrijvingsweerstand. Deze is nooit nul omdat er altijd wrijving is. De parasitaire weerstand is recht evenredig met de invalshoek. Totale weerstand:

De som van alle weerstanden die de aërodynamische eigenschappen van het vleugelprofiel beïnvloeden, noemt men de totale weerstand. We kunnen de parasitaire en de geïnduceerde weerstand samen gaan voegen in een grafische voorstelling. Dit geeft volgend resultaat: - Cdtot : totale weerstand - Cdp : parasitaire weerstand - Cdi : geïnduceerde weerstand Er zijn twee opmerkelijke punten: V1 - Dit is de snelheid waarop de weerstand het kleinst is. Deze snelheid moet men vliegen om zo lang mogelijk in de lucht te blijven. V2 – Men bekomt deze snelheid door de tangentiële raaklijn te trekken vanuit de oorsprong. Bij deze snelheid heeft men de beste verhouding “snelheid/weerstand”. Deze snelheid zal men moeten vliegen om van op een bepaalde hoogte een zo groot mogelijke afstand af te leggen.

Wiskundige berekening van de weerstand (in Newton) Neem dat je vliegt op een bepaald moment waarbij: r= 1,225 kg/m³ S= 16 m² V= 40 m/s (144km/h) Cl= 0,1

De weerstand is dan: D = . 1,225 . 16 . 40² . 0,1 = 1568 N

2.5.3. De vleugelpolaire Proeven in windtunnels tonen ons nauwkeurig hoe verschillende aërodynamische krachten en momenten inwerken op vleugelprofielen. Deze waarden worden bepaald met aërodynamische meettoestellen. Ze worden opgeslagen in de vorm van grafieken of polaires.

2.5.3.1. Fijnheid De fijnheid is de verhouding tussen de coëfficiënten Cd (drag coëfficiënt) en Cl (lift coëfficiënt). Deze waarden kan men in een polaire gieten. Uit zo’n polaire kan men alle eigenschappen van het profiel halen. Bij de Cl/Cd verhouding noemt men die polaire een vleugelpolaire. Deze heeft een aantal opmerkelijke punten: 1. Draagkracht is onbestaande
2. Minimum weerstand
3. Maximum fijnheid
4. Maximum lift

Factoren die de fijnheid van een vleugel beïnvloeden: - De welving: Deze bepaalt de vorm van het profiel (zie 1.2.2 Profiel). Een vergroting van de welving betekent een verhoging van Cl max en Cd min. Waarom dan geen profielen met zeer sterke welving? Omdat er dan reeds bij kleine invalshoek turbulentie ontstaat. - De relatieve dikte: Is de verhouding tussen de maximum dikte van het profiel en zijn koorde. Wanneer de relatieve dikte vergroot, gaat Cl toenemen evenals Cd. Cd verhoogt recht evenredig met de relatieve dikte. - De slankheid: Is de verhouding tussen de spanwijdte en de gemiddelde koorde. Bij éénzelfde invalshoek, gaat bij toenemende spanwijdte Cl verhogen. - Laminaire profielen: De luchtweerstand is afhankelijk van de structuur van de grenslaag. De laminaire grenslaag geeft een kleinere wrijvingscoëfficiënt en het is zeer belangrijk om de grenslaag zo lang mogelijk laminair te houden. Dit resulteert in een betere drukverdeling en een betere Cl/Cd verhouding.

3. Controls De controls (roeren) zijn de organen aan de zwever die door de piloot bediend worden en het vliegtuig doen bewegen rond zijn drie inertieassen. Alle controls zijn principieel symmetrische of bi-convexe profielen. De controls zijn steeds zo ver mogelijk van het zwaartepunt geplaatst. Hierdoor wordt de krachtarm groter en moet de piloot maar een kleine kracht uitoefenen op de stick of rudder om het vliegtuig in de gewenste richting te laten bewegen.

3.1. Werking van de controls Door een druk van de piloot op een stuurorgaan zal het corresponderende roer uitslaan naar de gekozen richting. Daardoor neemt de koorde van het profiel een andere stand in t.o.v. de relatieve luchtstroming, waardoor het een supplementaire draagkracht zal ontwikkelen: het vliegtuig zal zich in de nieuwe richting plaatsen. Eens het vliegtuig de gewenste stand bereikt heeft, moet de piloot deze supplementaire draagkracht neutraliseren door de roeren in hun beginstand te zetten: het vliegtuig zal nu de nieuwe richting behouden.

3.2. De aileron of rolroer - Primair effect: Het rolroer zorgt voor een beweging rond de langsas. Het vliegtuig neemt een helling naar links of naar rechts. - Secundair effect: Als de piloot een helling geeft zal het een bocht uitvoeren. De buitenste vleugel (A) krijgt hierdoor initieel meer draagkracht, maar automatisch ook meer weerstand. De weerstandsfactor kan in het begin zo groot zijn dat de vleugel afgeremd wordt. Hierdoor gaat vleugel B sneller verplaatsen dan vleugel A. De neus gaat dus tegengesteld bewegen aan de richting waarin we willen draaien. Dit fenomeen noemt men het tegengesteld haakeffect.

3.3. De rudder of richtingsroer - Primair effect: Het richtingsroer zorgt voor een beweging om de topas. De neus van het vliegtuig gaat naar links of rechts bewegen. - Secundair effect: Indien de piloot om de één of andere reden zijn voetenstuur intrapt, zal het vliegtuig gaan slippen in een bepaalde richting. Doordat de neus van vliegrichting afwijkt, zal de buitenste vleugel A een groter snelheid krijgen, waardoor hij meer draagkracht ontwikkelt. Het vliegtuig wil een helling gaan nemen naar de richting van het ingetrapte richtingsroer. Dit fenomeen noemt men dan de geïnduceerde helling.

3.4. De elevator of hoogteroer - Primair effect: Het hoogteroer zorgt voor een beweging rond de dwarsas. De neus van de zwever gaat omhoog of omlaag gaan. - Secundair effect: Deze control heeft geen secundaire effecten, behalve dat de snelheid afneemt als het vliegtuig stijgt, en afneemt als het daalt.

4.2. De lierkabel De lierkabel moet een zodanige lengte hebben om een zweefvliegtuig op een hoogte van 500 meter te brengen. Daarom zijn de kabels gebruikelijk minstens 1200 meter lang (±1500m). Hij bestaat uit kruisgeslagen kabeldraad met een doorsnede van ongeveer 4,2 mm. Je kan dus rekenen dat zo’n kabel, voor een lengte van meer dan 1km, al vlug tussen de 100 en 200 kg weegt. Aan het uiteinde van de kabel (overgang van kabel naar vliegtuig) bevinden zich verschillende onderdelen:

4.2.1. Het kabelvalscherm Het kabelvalscherm (1) dient om na het ontkoppelen, de vallende kabel in zijn snelheid te beperken, zodat het ontstaan van kinken in de kabel voorkomen wordt. Het zorgt er dus mee voor dat de kabel strak opgewonden kan worden. Tijdens het optrekken zal de parachute gesloten blijven door de spanning op de kabel. Er moet steeds een zekere afstand (ongeveer 30cm) zitten tussen de parachute en de ontkoppelhaak. Dit verkrijgt men door een voorloopstuk (2). Dit zorgt ervoor dat de parachute bij onregelmatig lieren niet blijft haken achter de zwever.

4.2.2. Het breukstuk Natuurlijk werken er op het vliegtuig behoorlijke trekkrachten in, tengevolge van de kabel. Deze krachten mogen niet te groot worden, of het vliegtuig wordt beschadigd. Daarom dat men gebruikt maakt van breukstukken. Zo’n breukstuk (3) bevindt zich tussen het voorloopstuk en de ontkoppelhaak. Het is een stukje staalplaat, waarin opzettelijk een vernauwing in is aangebracht, zodanig dat het een bepaalde trekkracht aankan. Wanneer die overschreden wordt breekt het stukje, en valt dus de trekkracht weg. Om een idee te krijgen, welk breukstuk men wanneer gebruikt: men neemt 1,3x het maximale gewicht van het vliegtuig:

Voorbeeld: Voor een vliegtuig van 650 kg -> 1,3 x 650 = 845 kg = 8450 N -> bruin breukstuk
Er is natuurlijk ook een maximale grens voor de breuksterkte ->1,2 x de berekende waarde -> 1,2 x 8450 = 10140 N

4.3. De starthaak (Ontkoppelhaak) De meest gebruikte starthaak is het model Tost, zoals op de tekening. Dit is de uitvoering als zwaartepuntshaak.

- Werking
De haak zelf kan draaien om punt 4, maar wordt tegengehouden door de schalm 2-3, die de ontkoppelingsarm met schijf tegen de bevestigingsbout A drukt. Bij het ontkoppelen wordt de schijf linksom gedraaid, zodat punt 2 naar achter beweegt. Hierdoor beweegt de starthaak eerst iets linksom, totdat de draaipunten 1,2 en 3 op één lijn liggen, d.w.z. de centerpositie. Hierna komt punt 2 rechts van lijn door 1 en 3. De drukkracht die in schalm 2-3 wordt opgewekt door de kabelkracht laat de ontkoppelschijf nu vanzelf linksom draaien, zodat de haak ongehinderd openspringt. Zijdelingse belasting op de haak zou het soepel ontkoppelen kunnen bemoeilijken. Daarom is een steunring aangebracht waartegen de kabelring aanligt bij scheef oplieren. Bij zwaartepuntshaken kan de steunring ook scharnieren om punt 4, maar dan tegen de druk in van de spiraalveer om bout C. Bij weigering van het ontkoppelmechanisme kan de kabel de steunring naar achter wegtrekken, waardoor de kabelring van de haak kan schieten.