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 siin on ainult üks tiib

Esimene vahekaart on esitiiva ristlõige, mitte kogu komplekt. Põhjus on mudelis: Joukowski potentsiaalivool lahendab täpselt ühe profiili ümbruse. Kaks tiiba üksteise järel tähendaks, et stab lendab esitiiva allavoolus — see nõuab hoopis teist mudelit ja lahendus ei oleks enam täpne, vaid ligikaudne. Eelistasin ühte asja, mis on päriselt õige, kahele, mis on umbes õiged. Kogu komplekti koostööd näitab teine vahekaart.

Miks kaks tiiba

Stab võib ka tõsta. Esitiib ja stab on jäigalt ühe fuselage'i küljes, seega nende nurkade vahe — dekalaaž — on fikseeritud. Muutub kogu foili kalle. Madalal kiirusel on nina üleval ja stab võib sattuda positiivsesse ründenurka: siis ta tõstab, mitte ei suru. Kiirenedes langeb kalle, stabi nurk läheb negatiivseks ja ta hakkab suruma. Vaata näitu stabi ründenurk — see näitab märgivahetuse kohta.

Mudel eeldab stabi seadenurgaks −2° esitiiva kõõlu suhtes. See on tüüpiline väärtus, mitte sinu foili mõõdetud number — tootjad seda ei avalda. Kui su foilil on suurem dekalaaž, surub stab alla ka madalal kiirusel. Shimi liugur katab nüüd ±3°, nii et saad oma foili käitumise järgi õige väärtuse otsida.

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.

Terminid

AR — külgsuhe (aspect ratio)

Kui pikk ja kitsas tiib on. Valem: AR = siruulatus² / pindala. 1100 cm² tiib siruulatusega 88 cm annab AR 7,0. Kõrge AR (9–13) tähendab pikka kitsast tiiba: parem liug, aeglasemad pöörded, tundlikum tiivaots. Madal AR (5–7) on lühem ja laiem: vähem liugu, kiiremad pöörded, andestavam.

C_L — tõstetegur

Ühikuta arv, mis ütleb, kui kõvasti tiib oma pindala ja kiiruse kohta tööd teeb. Praktiline maksimum on umbes 0,9 — üle selle vool irdub ja tõstejõud kaob. Madalal kiirusel on C_L kõrge, kiirusel madal.

L/D — tõstejõu ja takistuse suhe

Foili efektiivsus. L/D 16 tähendab, et 16 njuutoni tõstejõu kohta tekib 1 njuuton takistust. Kõrgem L/D = parem liug, parem vastutuule nurk, kergem augus püsida.

Dekalaaž

Esitiiva ja stabi seadenurkade vahe, mis on fuselage'i tõttu fikseeritud. Määrab, mis kiirusel stab läheb tõstmiselt allasurumisele.

Shim

Õhuke kiil stabi all, mis muudab selle seadenurka murdosa kraadi võrra. Peenhäälestus dekalaažile.

Stabi pikiautoriteet

Kui tugevalt stab pikitasapinnas vastu töötab — pindala korrutatud tõstetegurikaldega. Suurem = foil hoiab kõrgust ise, andestab jalavigu.

Rullisummutus

Kui tugevalt stab takistab foili kallutamist küljele. Kasvab siruulatuse ruuduga, sest iga tiivaelemendi hoovavarras pikeneb. Sellepärast muudab lühem stab külgtunnet palju rohkem, kui pindala erinevus üksi lubaks arvata.

Yaw-hoob

Stabi võime hoida foili joonel, kui see kaldub külgsuunas libisema. Pindala korda siruulatus.

Rullimisinerts

Kui palju massi ja pinda on pöörlemisteljest kaugel. Kasvab siruulatuse ruuduga. Suurem inerts = laiem pöörderaadius, aeglasem rull-vastus.

Kutta tingimus

Vool ei suuda teravast tagaservast ümber pöörata. Selle asemel tekib tiiva ümber ringlus, mis viib tagumise seisupunkti täpselt tagaservale. Sealt tuleb tõstejõud.

Ventilatsioon vs kavitatsioon

Ventilatsioon: õhk pääseb pinnalt mööda masti tiivale. Kavitatsioon: rõhk langeb alla vee aururõhu ja vesi keeb külmalt. Tulemus on sama — tõstejõud kaob — aga põhjused eri.

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.