Állásszög

Az állásszög vagy megfúvási szög ( ${\textstyle \alpha }$ ) az aerodinamikában azt a szöget jelenti, amit egy áramlásba helyezett testen kijelölt referenciavonal és a körülötte áramló közeg e testhez viszonyított sebességének iránya bezár. Legelterjedtebben a repülésben alkalmazzák, ahol egy repülőgépszárny vagy szárnyprofil belépőélét és kilépőélét összekötő szakasz (húr) és a körülötte áramló levegő áramlási iránya által bezárt szöget jelent. Ez a szócikk az állásszög repülésben való alkalmazásáról szól.

Állásszöge van a vízszintes és függőleges vezérsíknak, a légcsavartollaknak, a gázturbina kompresszorlapátjainak, szárnyashajók hordfelületének, valamint a hajócsavartollaknak is. Légcsavarnál, hajócsavarnál és turbinák lapátjainál az állásszög a forgó és az előre haladó mozgás eredőjének a lapát/toll húrjával bezárt szöge. Ha az állásszög olyan nagyra nő, hogy az áramló levegő nem tudja örvénymentesen körüláramlani, akkor bekövetkezik az átesés.

Meghatározása

Az egyik probléma a meghatározásban a szárny csavarodása, ami miatt a húr fogalma nem mindig egyértelműen meghatározható, mivel az a szárnytőtől való távolság függvényében különbözhet, ilyenkor a szárnytő húrja, vagy a gép hossztengelye lehet a viszonyítási vonal.

A másik probléma az áramlás irányának meghatározása, mivel az különbözik a belépőél előtt és a kilépőél mögött, mert a szárny lefelé téríti ki a körülötte áramló légtömeget. Ennek függvényében kétféle állásszöget különböztetünk meg:

Geometriai állásszög az a szög, amelyet a szárny által még el nem térített levegő szárnyhoz képesti relatív sebességének iránya és a húr bezár.
Effektív állásszög az a szög, amelyet a szárny által már eltérített levegő szárnyhoz képesti relatív sebességének iránya és a húr bezár.
A geometriai és effektív állásszögek különbsége az Indukált állásszög.

{\displaystyle \alpha _{geom}} — A húr (kék) és az el nem térített levegő iránya (zöld) által bezárt szög a geometriai állásszög ( $\alpha _{geom}$ ), a húr és az eltérített levegő iránya (sárga) által bezárt szög az effektív állásszög ( $\alpha _{eff}$ ). Az el nem térített és az eltérített áramlásra rendre merőlegesek az $F_{y\,geom}$ és $F_{y\,eff}$ felhajtóerők, melyeknek különbsége az indukált ellenállás ( $F_{xi}$ ).

Amikor általánosságban állásszögről beszélünk, általában a geometriai állásszöget értjük.

A szárnyon ébredő eredő erőnek az el nem térített áramlás irányára merőleges komponense és az eltérített áramlás irányára merőleges komponense közötti (vektoriális) különbség megadja az indukált ellenállást. Vagyis minél kisebb a különbség a geometriai és az effektív állásszög között, azaz minél kevésbé téríti el a szárny az őt körüláramló légtömeget, annál kisebb az indukált ellenállás. Az indukált ellenállás az alábbi képlettel írható le:

F_{xi}=C_{xi}\,{\frac {\rho }{2}}\,v^{2}\,A=C_{xi}\,p_{d}\,A

ahol:

$C_{xi}$ az indukáltellenállás-tényező,
$\rho$ a közeg sűrűsége,
$v$ a közeg sebessége,
$A$ a felület,
${\frac {\rho }{2}}\,v^{2}=p_{d}$ a dinamikus nyomás.

Az indukáltellenállás-tényező az alábbi egyenlettel írható le:

C_{xi}={\frac {C_{y}^{2}}{\pi \,\lambda }}k

ahol:

$C_{y}$ a felhajtóerő-tényező,
$\lambda ={\frac {b^{2}}{A}}={\frac {b}{h}}$ az oldalviszony, ahol:
- $b$ a fesztáv,
- $A$ a szárnyfelület vízszintes vetülete,
- $h$ az átlagos húrhossz,
$k$ egy tényező, ellipszis alaprajzú szárnyaknál 1, nem ellipszis alaprajzú szárnyaknál 1-nél nagyobb.

Kapcsolata a felhajtóerővel és a légellenállással

A Lilienthal-féle polárdiagram a különböző alfa állásszöghöz tartozó felhajtóerő-tényezőt ábrázolja a légellenállás-tényező függvényében. — A Lilienthal-féle polárdiagram a különböző ${\textstyle \alpha }$ állásszöghöz tartozó ${\textstyle C_{y}}$ tényezőt ábrázolja $C_{x}$ függvényében.

A Lilienthal-féle polárdiagram a különböző ${\textstyle \alpha }$ állásszöghöz tartozó ${\textstyle C_{y}}$ tényezőt ábrázolja $C_{x}$ függvényében.

Szárnyprofil felhajtóerő- és légellenállás-tényezője az állásszög függvényében. — Szárnyprofil felhajtóerő- (piros) és légellenállás-tényezője (kék) az állásszög függvényében.

Egy szárnyon vagy szárnyprofilon ébredő felhajtóerő és légellenállás függ a felhajtóerő- és légellenállás-tényezőtől, melyeket a szárnyprofil alakja határoz meg. Ugyanazon szárnyprofil más-más állásszögnél eltérő nagyságú felhajtóerőt és légellenállást termel, vagyis ezen tényezőket meghatározza az állásszög. A szög növelésével a nyomáskülönbség a szárny nyomott és szívott oldala között egyre nagyobb lesz, a felhajtóerő egy bizonyos pontig nő, eléri a maximális értéket, majd újra csökken. Ezt ábrázolják az adott szárnyprofilhoz tartozó polárdiagramok is.

Szimmetrikus szárnyon nem ébred felhajtóerő 0° állásszögnél. Aszimmetrikus (ívelt) szárny még kis negatív állásszögnél is képes felhajtóerőt termelni. Egy szárny szokásos állásszöge 0-3° között van. A vezérsíkok állásszöge (ha külön magassági kormány is van) hasonló. Ha külön magassági kormány nincsen, hanem a vízszintes vezérsík a magassági kormány feladatát is ellátja, akkor az állásszög -15° – +35° között van, de lehet nagyobb is.

Állítható légcsavarnál a szokásos állásszög a tollak végén a levegőhöz képest 5-15° között van, a repülőgép kereszttengelyével típustól függően 5°–20°-ot zár be. Ugyanez teljes sebességnél a tollak végén a legnagyobb sebesség környékén 20°-65° között lehet. Légcsavarnál a kereszttengellyel bezárt szög a tengelytől távolodva csökken, mert az adott pont kerületi sebessége kifelé növekszik, az előrehaladás viszont egyforma. Ezzel az elcsavarással lehet biztosítani, hogy a légcsavar tollainak állásszöge minden pontban közel azonos legyen. (Az első érték kis sebességű repülőgépnél alkalmazott szög, a 65° a második világháborús P–51 Mustang légcsavartoll-végeinek a legnagyobb beállítási szöge.)

Kapcsolata a sebességgel

Motor nélküli repülésnél a helyzeti energia alakul át mozgási energiává (vagyis a magasság sebességgé). A sebesség itt csak a szárny állásszögének változtatásával szabályozható, ellentétben a motoros repüléssel, ahol a motor teljesítményével és a légcsavartollak állásszögével is. Nagyobb állásszöghöz kisebb sebesség tartozik, és fordítva, az állásszög csökkentésével a repülőgép gyorsul. Adott állásszöghöz tartozó sebesség megállapításához ismernünk kell többek között a gép aktuális tömegét – tehát ugyanaz a repülőgép különböző tömegű pilótákkal ugyanakkora állásszöggel más sebességgel repül ( ami szokatlan lehet azon kisgépes pilóták számára, akik először repülnek oktató nélkül), valamint a terhelési többest és a gép súlypontját. Egy adott állásszög felvétele után szükség van rövid időre ahhoz, hogy a gép felvegye a hozzá tartozó sebességet. Ennek figyelmen kívül hagyása túlkorrigáláshoz, a sebességtartás hiányához vezet.

Átesés

Az átesés akkor következik be, ha az állásszög elér egy olyan kritikus értéket, hogy az áramlás már nem tudja laminárisan körüláramlani a szárnyat, hanem turbulenssé válik és leválik a szárnyról. Ez megtörténhet túl nagy állásszögnél (a legtöbb szárnyprofilnál ez 15°–20°), ilyenkor az áramlás a szárny szívott oldaláról válik le, valamint túl kicsi (negatív) állásszögnél, ilyenkor pedig a nyomott oldalról. Vagyis az átesés nem a sebességtől, hanem az állásszögtől függ. Azt a két állásszöget, ahol ez bekövetkezik, kritikus állásszögeknek ( ${\textstyle \alpha _{kritikus}}$ ) nevezzük. Az átesési sebesség megállapításához ugyanazokra az adatokra van szükség, mint egy adott állásszöghöz tartozó sebesség megállapításához (lásd feljebb).

Egy előre- vagy hátranyilazott szárnyú repülőgépnek az állásszög-tartománya (azaz a két kritikus állásszög közötti távolsága) nagyobb. A szárny hosszanti elcsavarásával is bővíthető ez a tartomány, mert ha a szárny egyik része már átlépte a kritikus állásszöget, az elcsavarás miatt a másik része még képes felhajtóerőt termelni.

Alkalmazása a kormányoknál

A repülőgépeken található legtöbb kormányszerv a hozzá tartozó kormányfelületek, vezérsíkok állásszöget változtatja, így éri el a kellő erőeloszlás-változást a mozgásirány, sebesség, stb. megváltoztatásához.

A magassági kormány például a kereszttengely körül forgatja el a gépet a vízszintes vezérsík kilépőélének emelésével vagy süllyesztésével (néha az egész vezérsík forgatásával) megváltoztatja a vezérsík húrját, így az állásszögét is, ami miatt annak felhajtóerő-tényezője is megváltozik (a légellenállás-tényező megváltozása számunkra figyelmen kívül hagyható). Ez a rajta ébredő felhajtóerő nagyságának megváltozásával, és ezáltal a gép hosszanti stabilitásának (a rajta ébredő erők hosszanti eloszlásának) változásával jár, ami miatt a gép kereszttengelye mentén elfordul (bólintó mozgást végez). Emiatt viszont a szárnyak állásszöge, felhajtóerő-tényezője, és (ha van a gépnek sebessége, akkor) a rajta ébredő felhajtóerő is megváltozik, amely a teljes repülőgép emelkedéséhez vagy süllyedéséhez vezet.

A vízszintes vezérsík akkor is termel felhajtóerőt, ha a magassági kormány semleges helyzetben van, hogy a repülőgép kereszttengelyére a szárny és a gép tömege által ható forgatónyomatékokat kiegyenlítse.

Az oldalkormány a függőleges tengely körül forgatja el a gépet a függőleges vezérsík állásszögének változtatásával. Működésének elve megegyezik a magassági kormányéval, viszont a függőleges vezérsík 0°-os állásszögnél nem termel az áramlás irányára merőleges "oldalirányú felhajtóerőt".

A csűrőkormány a gép hossztengely körüli forgatását teszi lehetővé. Ennek a kormánynak a kormányfelülete, a csűrőlap, a szárnyak kilépőélén, a szárnyak vége felé helyezkedik el, hogy minél nagyobb erőkaron fejtsen ki forgatónyomatékot a gépre. A két kormányfelület ellentétesen tér ki, így az egyik szárnyon csökken, a másikon nő a felhajtóerő.

Az ívelőlap és a fékszárny a szárny íveltségét, az azon ébredő felhajtóerőt és légellenállást hivatott megváltoztatni. A szárnytőnél helyezkedik el (mindkét oldalon).

A féklap nem változtatja meg a szárny állásszögét, csak a felhajtóerő- és légellenállás tényezőjét.

Hasonlóan a szárnyhoz, egy kormányfelület is át tud esni. Ha például a szárny nagy állásszöggel repül, és hirtelen kitérítjük a csűrőt, a kitérítéssel ellenkező oldalon lévő csűrőlap állásszöge annyira megnő, hogy átesik, emiatt viszont az ezoldali szárny kevesebb felhajtóerőt termel és a gép a kitérítéssel ellenkező irányba dől be.

Kapcsolódó szócikkek

Források

Kezdő vitorlázórepülő oktatási segédlet (Budapest, 2008, KoLiFánt Kft., ISBN 978-963-87838-0-6)
Középfokú vitorlázórepülő oktatási segédlet (Budapest, 1999, KoLiFánt Kft., ISBN 963-03-6550-2)

További információk

https://web.archive.org/web/20160310174645/http://flyaway.hu/index.php/aerodinamika-fizika/515-allasszoeg-leger-sebesseg
https://web.archive.org/web/20160311180220/http://www.ulhdv.hu/index.php/dokumentumok/112-a-repueles-alapelvei-a-felhajtoer-keletkezese