Kuidas hüdrofoil vee all töötab

Mis tegelikult toimub

Tiib ei "lükka vett alla" ainult altpoolt. Suurema osa tõstejõust teeb ülemine pind. Tiib sunnib vee oma ümber kõverale teele; kõverjoonelisel liikumisel peab olema kesktõmbekiirendus, mille tekitab rõhu erinevus. Tiiva peal langeb rõhk, all tõuseb. Tüüpiliselt tuleb ~⅔ tõstejõust ülemise pinna alarõhust.

Ringlus ja Kutta tingimus. Vool ei suuda teravast tagaservast ümber pöörata. Selle asemel tekib tiiva ümber "ringlus" (Γ), mis nihutab tagumise seisupunkti täpselt tagaservale. Tõstejõud on siis L = ρ · U · Γ. Ringlus kasvab ründenurgaga — sellepärast tähendab suurem nurk suuremat tõstejõudu.

Nulltõste nurk on negatiivne. Kumera profiili puhul tekib tõstejõud juba siis, kui kõõl on voolusuunaga paralleelne. See tiib annab nulli alles umbes −2,9° juures. Sellepärast lendad kiirel sõidul tegelikult veidi negatiivse geomeetrilise nurgaga.

Vesi on ~830× tihedam kui õhk. Sellepärast piisab hüdrofoilil tiiba, mis on kümneid kordi väiksem kui lennukil, ja sellepärast piisab starditõusuks 12–18 km/h.

Miks kaks tiiba

Esitiib on kandevõime. Tagatiib (stabilisaator) töötab enamasti negatiivse ründenurgaga ja surub alla — see hoiab süsteemi pikitasapinnas tasakaalus. Esitiiva tõstepunkt on raskuskeskmest ees, mis tekitaks nina-üles pöörde; stabilisaatori allasurve tasakaalustab selle. Mida kaugemal (pikem fuselage), seda rahulikum ja aeglasemalt reageeriv foil.

Mida iga muutuja teeb

Numbrid all on arvutatud sinu komplektiga: 100,9 kg, 1100 cm² esitiib, 236 cm² stab, 92 cm mast, 16 sõlme tuult ja 9 m² lohe. L/D on mõõdetud 18 km/h juures, sest just seal — starditõusul ja pumpamisel — muutuvad erinevused nähtavaks.

Esitiiva pindala

Suurim üksik hoob, mis sul on. Pindala kahekordistamine langetab stardikiirust kolmandiku võrra ja maksab tippkiiruses umbes 8%. Pane tähele, et L/D on parim keskel, mitte servades: liiga väike tiib peab töötama liiga kõrge tõsteteguriga ja indutseeritud takistus sööb ta ära, liiga suur tiib kannab lihtsalt üleliigset märgpinda.

Külgsuhe (AR)

Muudab liugu, mitte kiirust. AR 5-lt 11-le tõstab L/D 44% võrra, aga kruiisikiirust praktiliselt ei liiguta. Põhjus on see, et lohega sõites on esitiiva tõstetegur kruiisil kõigest ~0,15 ja indutseeritud takistust polegi peaaegu midagi. Külgsuhe maksab end ära seal, kus tõstetegur on kõrge: start, pumpamine, lahja tuul, tihedad pöörded. Hind on habras tiivaots, aeglasem rullipööre ja karmim käitumine, kui ots vett läbistab.

Profiili paksus

Uus liugur esimesel vahekaardil. Vahemik 7,8–14,2% on see, mida päris tiibadel kasutatakse.

Õhem on kiirem, aga ainult natuke — profiilitakistus langeb 14%-lt 8%-le liikudes umbes viiendiku võrra, mis kogutakistuses tähendab paari protsenti. Tähtsam on see, mida paksus muidu teeb: paksem profiil annab kõrgema maksimaalse tõsteteguri ja andestavama irdumise, ja on oluliselt jäigem — painde jäikus kasvab paksuse kuubis, nii et 12%-line tiib on sama materjali juures ligi kolm korda jäigem kui 8%-line. Õhuke tiib vajab rohkem süsinikku, et mitte väänduda.

Vaata ka min rõhk C_p näitu, kui paksust muudad. Õhem profiil tekitab kõrgel ründenurgal teravama alarõhu tipu esiserva juures — see on koht, kust kavitatsioon algab. Sellepärast ei ole tippkiirustiivad lõputult õhukesed.

Kuju plaanivaates

Seda mudel ei arvuta — see on kahemõõtmeline lõige pluss külgsuhte parandus. Aga kuju loeb ja tasub teada, mis suunas:

Tagasipainutatud (swept) tiib irdub aeglasemalt ja järk-järgult, sest ots lakkab tööst enne juurt. Annab andestavama iseloomu ja rahulikuma kaldestabiilsuse, aga reageerib pumpamisele loiumalt. Sirge, elliptilise jaotusega tiib annab parima teoreetilise L/D ja teravama pumbatunde, aga irdub järsemalt. Allapoole kaardunud otsad (anhedral) hoiavad pööretes ots vees ja summutavad rullimist; see on põhjus, miks su tiival need üldse on.

Stabilisaator

Odav muutuja. 160-lt 400 cm²-le maksab poolteist km/h tippkiirust. Stabi valik käib kaldestabiilsuse ja pöörlemiskiiruse, mitte kiiruse järgi. Suurem stab tähendab rahulikumat, andestavamat foili; väiksem tähendab kiiremat reageerimist ja tundlikumat jalgade tööd. Sinu 21,5% suhe on selgelt rahulikus pooles.

Shim

Peenhäälestus, mitte ümberehitus. Kogu vahemik liigutab kiirust alla ühe km/h. Aga see, mida shim tunde järgi muudab, on suurem kui numbrid näitavad: rohkem allasurvet tähendab, et esitiib peab kõvemini tööd tegema, mis muudab foili kaldes stabiilsemaks ja andestavamaks, aga loiumaks. Vähem allasurvet annab vabama, kiirema ja tundlikuma foili.

Kontrolli märki. Tootjad ei ole ühel nõul, kumbapidi shim mõjub. Siin tähendab positiivne alati rohkem allasurvet. Sinu shimidel võib see olla vastupidi — vaata, kummale poole tagaserv liigub, mitte mis numbrile on peale kirjutatud.

Mast

Puhas kaotus, mille eest sa maksad meelega. Mast ei anna midagi peale sügavuse — ja sügavus on see, mis hoiab tiiba lainepõhjas vees ja õhku masti mööda alla pääsemast. 70 cm mast annaks 1 km/h juurde ja üksjagu rohkem ventilatsiooni.

Kaks piiri, mida vesi seab

Kavitatsioon: kui rõhk tiiva peal langeb alla vee aururõhu (~2,3 kPa), keeb vesi külmalt — tekivad mullid, tõstejõud kaob rebimisi. Praktikas juhtub see kiirustel üle ~50 km/h või liiga suure koormusega õhukesel tiival.

Ventilatsioon: õhk pääseb pinnalt mööda masti alla tiivale. Tulemus on sama — tõstejõud kaob. Sellepärast on mastid õhukesed ja teravaservalised ning sellepärast läheb liiga kõrgel sõites "puuduks".

Vooluväli on kahemõõtmeline lõige; näidatud C_L ja jõud on korrigeeritud reaalse, ~7 siruulatussuhtega tiiva jaoks (parandustegur 0,76 — puhas 2D lõige annaks ~30% liiga palju). Vool ise on hõõrdumiseta: mudel ei näita irdumist (stall), tiivaotsa keeriseid ega takistust. Kuni ~10–11° on pilt reaalsusele lähedane.