Erilaisten siipiratkaisuiden hyödyntäminen yliäänilennon ongelmiin

Abstract

Vuonna 2025 matkustajaliikenteessä ei ole käytössä yhtäkään yliäänikonetta, vaikka ne tarjoaisivat huomattavasti nopeampia lentoaikoja. Yliäänikoneita on ollut käytössä matkustajaliikenteessä, mutta kyseisten lentokoneiden käyttö on lopetettu niiden ongelmien vuoksi. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää mitä haasteita liittyy ääntä nopeampaan lentämiseen ja miten näitä haasteita pyritään ratkaisemaan lentokoneiden erilaisilla siipirakenteilla. Työssä käytiin lävitse yleistä aerodynamiikkaa aiheeseen liittyen, jonka jälkeen perehdyttiin yliäänilennon ongelmiin. Lopuksi tutkielmassa perehdyttiin erilaisiin siipirakenteisiin ja miten ne pyrkivät minimoimaan yliäänilennon negatiivisia puolia. Tutkielmassa keskityttiin pääosin teknisiin ongelmiin ja ratkaisuihin. Taloudelliset ja ekologiset ongelmat käsitellään tutkimuksessa lyhyesti.

Tutkielman tutkimuskysymykset ovat: mitkä ovat yliäänilennon ongelmat, miten yliäänilennon vastusta voidaan vähentää ja millaisilla siipirakenteilla pyritään ratkaisemaan yliäänilennon ongelmia. Tutkimusmenetelmä on kuvaileva kirjallisuuskatsaus. Tutkielmassa käytetyt aineistot ovat alan oppikirjoja, tutkimuksia ja artikkeleita aiheeseen liittyen vuosilta 2000–2024.

Kirjallisuuskatsauksessa löydettiin useita vastauksia ensimmäiseen tutkimuskysymykseen. Yliäänilennon ongelmiksi löydettiin lennon huonompi taloudellisuus nykyiseen aliäänilentämiseen verrattuna, yliäänilennon aiheuttama yliäänipamaus ja yliäänilennon korkeammat päästöt. Yliäänilennon huonompi taloudellisuus on oikeastaan monen yliäänilennon ongelman summa. Yliäänikoneisiin kohdistuu suurempi vastus, yliäänikoneet lentävät korkeammalla ilmakehässä, jolloin niiden runkoihin kohdistuu suurempia rasituksia. Tämän lisäksi yliäänikoneiden pinta lämpiää ilman kitkan takia huomattavasti ja yliäänikoneet vaativat enemmän polttoainetta, joka on pois hyötykuormasta.

Yliäänilennon vastus voidaan jakaa kolmeen suurimpaan vastuksen muotoon, eli kitka-, pyörre- ja aaltovastukseksi. Toiseen tutkimuskysymykseen löydettiin myös useita vastauksia. Lentokoneen kitkavastusta saadaan pienennettyä minimoimalla märkäpinta-ala ja muotoilemalla siivet siten, että virtaus niiden ohi pysyisi laminaarisena. Pyörrevastusta saadaan vähennettyä siipien kärkiväliä pidentämällä ja mahdollisesti nostovoimakerrointa pienentämällä. Aaltovastusta saadaan pienennettyä kasvattamalla siipien nuolikulmaa ja poikkipinta-ala sääntöä noudattamalla. Nostovoimakertoimen kasvattaminen on tavoiteltu ominaisuus siiviltä eli nostovoimakertoimen pienentäminen ei ole välttämättä järkevä ratkaisu. Tämän lisäksi nuolikulman kasvattaminen on ristiriidassa kärkivälin kasvattamisen kanssa, koska nuolikulman kasvaessa siivet taittuvat enemmän lentokoneen taakse, joka pienentää siipien kärkiväliä eli siipien valinta on näiden tasapainottelua.

Kolmanteen tutkimuskysymykseen löydettiin muutamia vastauksia. Deltasiivet ja niiden muunnelmat ovat valikoituneet yliäänikoneiden siiviksi niiden suuren nuolikulman ja nousussa syntyvän ylimääräisen nostovoiman vuoksi. Toinen mahdollinen siipiratkaisu yliäänilentoon olisi muuttuvageometriset siivet, jotka kääntyvät nopeuden muuttuessa, jolloin niillä saataisiin hyvät ominaisuudet sekä alhaisilla, että korkeilla nopeuksilla. Niihin liittyy kuitenkin rakenteellisia haittoja kuten ylimääräinen paino ja mekanismin huollettavuus.

Yliäänilennon tehokkuutta tulisi saada kasvatettua, jotta se pystyisi kilpailemaan aliäänikoneiden kanssa. Näihin parannuksiin ei päästä vain siipien nuolikulman ja kärkivälin optimoinnilla vaan tarvitaan radikaalimpia innovaatioita, kuten laminaarisen virtauksen siipiä tai esimerkiksi oblique siipirakennetta, joka eroaa merkittävästi nykyisistä siipiratkaisuista. Tulevaisuudessa avainteknologiaksi saattaakin muodostua laminaarisen virtauksen siivet, joilla yliäänipamaus on saatu eliminoitua tai sitä on saatu hiljennettyä tarpeeksi.