Tekeillä: Suomalainen taitolentokone – 1. osa

Kuva: Mikko Maliniemi

Suomalainen hiilikuiturakenteinen taitolentokone, miksi ei? Suomessa on aikoinaan tehty uraa uurtavaa työtä komposiittivalmisteisten purjelentokoneiden kanssa. Mikään ei siis estä toteuttamasta samaa moottoroidun komposiittirakenteisen taitolentokoneen osalta.

Artikkeli julkaistiin alkujaan Siivet-lehdessä. Tilaa toki lehti!

Ajatus koneen rakentamisesta lähti elämään lentäessäni Silverstonen MM-kilpailuissa vuonna 2008. CAP 232:n suorituskyky jäi jalkoihin senhetkisissä tuntemattomissa lento-ohjelmissa. Se, että jopa Ranskan maajoukkueen piloteilla oli ongelmia liikkeiden läpilentämisessä, on selvä merkki suorituskyvyn puutteesta.

Tästä vakuuttuneena, modifikaatioiden tarpeesta kilpailukykyisen koneen ylläpitämiseksi, lähdin tutkimaan tarkemmin CAP-koneen painoja.  CAP:n siipi painaa yli 20 kg enemmän kuin Edge 540 -koneessa. Moottoria vaihtamalla toisen malliseen AEIO-540-moottoriin, saataisiin siitä 28 kg painoa pois ilman tehojen menetystä. Rakentamalla koneeseen uusi siipi, jonka aerodynamiikka olisi muutettu, olisi mahdollista rakentaa 550?560 kg painava CAP 232 kone, jonka hyötysuhde paranisi.

Ranskassa Régis Alajouanine on modifioinut CAP 231 EX -koneen tämän saman ideologian mukaan. Kyseinen kone on nimetty CAP 432 MXS ja se teki ensilennon 25. tammikuuta 2015. Koneen nimi viittaa CAP 332:n kehitysversioon ja koneeseen asennettuun MX Aircraftin valmistamaan siipeen.

Alkuperäistä ajatusta ja suunnitelmaa katsoessa olisi  CAP  231/232  -koneesta  pitänyt siiven ja moottoriin lisäksi uusia peräsimet ja moottorin suojalevyt – saadakseen koneesta vielä virtaviivaisemman olisi myös ohjaamokuomu pitänyt vaihtaa. Runkoa lähemmin tarkastellessa oli selvää, että siihenkin olisi pitänyt tehdä muutoksia. Loppupäätelmä oli, että olisi kaikkein yksinkertaisinta suunnitella kokonaan uusi kone. Tällöin ei tarvitsisi tehdä minkäänlaisia kompromisseja.

suomalainen_taitolentokone_osa1_1b

Taitolentokoneesta tulee kokonaan hiilikuituinen yli 300-hevosvoimaisen moottorin ympärille tavoitepainon ollessa 550 kg. Kooltaan koneesta tulee klassinen: kärkiväli 7,4 metriä, kun taas pituus jää 6,85 metriin. Muodoiltaan runko ja siipi suunnitellaan mahdollisimman suoriksi, jotta koneen siluetti näyttäisi lentoasennon ja liikehtimisen tuomareille parhaalla mahdollisella tavalla. Kuva: Mikko Maliniemi

Aeromystiikkaa ja ohjausvasteita

Mikä otetaan lähtökohdaksi ja mihin laitetaan päämäärä, jota lähteä tavoittelemaan koneesta? Miksi ei nostaisi rimaa kaikkein korkeimmalle tasolle ja tavoittelisi ominaisuuksiltaan taitolentokonetta, joka kilpailee parhaimpienolemassa olevien koneiden kanssa?

Koska olin lentänyt erilaisilla taitolentokoneilla, muistelin Extran siipeä ja tiesin sen toimivan paremmin kuin CAPin siiven. Se ei tarkoita, että koko kone toimisi paremmin. Extran painopiste, kokonaispaino, ohjainpinnat, ohjainharmonia ja vastus, toisin sanoen kokonaisuus jää kuitenkin selkeästi kakkoseksi, vaikka siiven hyötysuhde onkin parempi.

Siipiprofiileissa ei ole löytynyt mitään eroja. Jos niitä on, niin kyseessä on 1-2 mm:n muutokset, jotta valmistaja voi sanoa, että käytössä on oma siipiprofiili. Näissä kahdessa koneessa CAP 232:n siivekkeet olivat ehdottomasti paremmat: tasapainoisemmat ohjaukseltaan ja tehokkaammat.

Votec 332 -koneessa huomio kiinnittyy heikkoon sivuperäsintehoon. Ihmettelin, miksi tällaiseen ratkaisuun on päädytty, kun peräsintä sai polkea kuin tulpatonta mopoa eikä mitään tapahtunut siitä huolimatta. Sama tunne toistuu Extra 300 -koneessa, mutta ei niin voimakkaasti.

Korkeusperäsimen ohjausvaste Extrassa on, sanoisinko mielenkiintoinen, ainakin taitolentäjän näkökulmasta. Siinä ohjainpinnan poikkeutus ei tuo reaaliaikaista liikettä koneeseen, esimerkiksi kun lähdetään vedolla säteelle ja sauvan vetää taakse, niin konetta saa odottaa hetken ennen kun se lähtee lentämään sädettä. Kaksi päällä taas vasteaika on lyhyempi, mutta silloin korkeusperäsin haukkaa vedon aikana ja sitä joutuu työntämään vastaan, ettei kone kiristäisi sädettä.

Kun ajattelen  X A-42- koneen peräsinpintoja, niin siinä on mukavan kevyt, mutta tunnokas sivuperäsin ja riittävästi auktoriteettia. Sen ongelmana taas on korkeusperäsimen herkky ys ohjaussauvan puitteissa.  Pienellä  ranneliikkeellä saadaan 180 solmun vauhdissa viiden G:n kuormitus kertaheitolla. Jos taas halutaan kiristää sädettä niin, että lennetään seitsemän G:n kuormituksella, niin liikerataa pitää kasvattaa siitä yli viisi senttimetriä lisää. Kun liikehditään 200 solmun alueella, tämä keskiherkkyys korostuu entisestään. XA-41-yksipaikkaisessa koneversiossa ei ole yhtä epälineaarisesti reagoivaa sauvavastetta. Se on ymmärrettävää, koska yksipaikkaisessa koneessa on sama siipi ja korkeusperäsin, mutta momenttivarsi on 20 cm lyhyempi. Silloin korkeusperäsimen nostovoiman muutoksen vaikutus on suhteessa pienempi ja kone reagoi tasapainoisemmin.

Hiilikuituinen  taitolentokone  yli 300-hevosvoimaisen moottorin ympärille

Edellä mainitut asiat ovat lyhyt katsaus parin konevalmistajan ratkaisujen vaikutuksista ja siitä, kuinka koneet käyttäytyvät lennolla – osa tämän projektin suunnitelman lähtökohtia. Ymmärrys siitä, kuinka kukin kone reagoi ja miksi, tarjoaa pohjan suunnitella ja rakentaa toivotunlaiset ominaisuudet paperilla. Näin on ainakin teoriassa. Ilmassa sen vasta tietää, onnistuiko täysin suunnitelmien mukaan. Ohjaustuntuman puitteissa tavoitteena on saada aikaiseksi lineaarisesti toimivaa ohjaus, joka nopeusalueesta riippumatta antaa neutraalin vasteen ja jossa ohjaussauva tarjoaa pilotille hyvän tuntuman ohjainpintojen keskityksistä.

suomalainen_taitolentokone_osa1_2

Kuvassa on koneen rungon plugi, josta seuraavaksi tehdään muotti.

Rakenteilla on siis kokonaan hiilikuituinen  taitolentokone  yli 300-hevosvoimaisen moottorin ympärille tavoitepainon ollessa 550 kg. Kooltaan koneesta tulee klassinen: kärkiväli 7,4 metriä, kun taas pituus jää 6,85 metriin. Muodoiltaan runko ja siipi suunnitellaan mahdollisimman suoriksi, jotta koneen siluetti näyttäisi lentoasennon ja liikehtimisen tuomareille parhaalla mahdollisella tavalla.

Siivessä on pieni V-kulma siiven yläpinnan jäädessä suoraksi. Siivekkeet ovat siiven mittaiset ja ulottuvat rungon kylkeen, millä tavoitellaan saavuttaa yli 420 astetta sekunnissa vaakakierrenopeus. Voidaan spekuloida, ettei rungon tyvessä olevista ohjainpinnoista ole muuta hyötyä kuin kasvanut vastus. Siiven tyveen tulevalla siivekkeen osalla haetaan ohjattavuutta hitaille nopeuksille sekä liikehdintään sakkausnopeuden alapuolella, jossa hyödynnetään potkurivirtaa. Nämä lentotilat tulevat pääsääntöisesti vastaan 4-minuutin vapaatai lentonäytösohjelmissa, ei klassisen kilpailulentämisen puitteissa.

Siirtolentojen osalta tavoitteena on yltää 180 solmun matkanopeuteen 75 prosentin tehoilla ja 160 solmun nopeuteen 50 prosentin tehoilla. Kuormituskertoimien osalta mennään +/10 G:n luokkaan.

Siipiä ja siivekkeitä

Tarkastellaan lyhyesti eri valmistajien siipien painoja:

 

Tyyppi               Materiaali        Paino (kg)

CAP 231             puu                     140

Extra 300           komposiitti     120

CAP 232             -“-                        105

Corvus Racer   -“-                        98

XA-41/42          -“-                        92

Edge 540           -“-                        82

 

Siipien neliöpainot ovat komposiittisiipien osalta 8,2-11,2  kilogrammaa  neliömetriä kohti. Edellä mainituissa siivissä on käytetty erilaisia rakenneratkaisuja, joista on tarkoitus yhdistää parhaimmat ja valmistaa 85 kilogrammaa painava noin 9,5 neliömetrin siipi. Siivekkeiden rakenteessa on CAP 232 -koneessa käytetty ratkaisua, jossa pääsalon takana oleva osa täytetään umpivaahtoydinrakenteella, mikä tuottaa selkeästi keveimmän kokonaisuuden. Yksittäinen siiveke painaa silloin alle neljä kiloa, kun taas Extran kennorakenteinen siiveke painaa kuusi kiloa. Näin katsoen onhelppo tehdä päätös rakenteen toteutuksesta. Kun tarkistetaan XA-41/42-koneen siivekkeen saranointia, huomataan, että konetyyppi tulee lennokkimaailmasta. Siinä on käytetty siivekkeen mittaista kuuden millimetrin terästankoa saranalinjana. Hieno ratkaisu kaikin puolin, mutta painoa kertyy yhteensä 1,4 kilogrammaa. Mielenkiintoinen yksityiskohta on, että juuri XA-koneen siivellä on kaikkein pienin neliöpaino, kun painavin on puolestaan CAP 231:n puusiipi tuloksella 14,2 kiloa/neliömetri. Extran, Corvuksen ja CAP 232:n siiven neliöpainot sijoittuvat 10-11 kiloon/neliömetri ja Edge 540 -koneen neliöpaino 9,0 kiloon/neliömetri.

Pidemmät siirtolennot mahdollisimman harvoilla välilaskuilla

Siipi rakennetaan yksiosaisen pääsalon ympärille, jonka etupuolelle tulee molempiin siiven puoliskoihin siirtotankit. Näin mahdollistetaan pidemmät siirtolennot mahdollisimman harvoilla välilaskuilla. Siiven kiinnitys runkoon tapahtuu neljällä pultilla, joista kaksi pääsalon kohdalta ja yksi per puoli jättöreunan osalta. Siiven pinta on hiilikuituinen kerroslevyrakenne, joka jakaa vääntömomentit salkojen välillä kuuden siipikaaren tukiessa rakennetta. Siivekkeet kiinnittyvät siipeen viidestä saranapisteestä.

Toisin kuin CAP 232 -koneessa, jossa laskuteline on kiinnitetty siipeen tai Ultimateja XA-koneissa, joissa teline on sijoitettu moottoripukkiin, tulee yksiosainen laskuteline kiinnittymään runkoon.

Ohjaamoergonomia

Ratkaisun inspiraatiolähteenä on F1-auton istuma-asento. Selkä tai yläruumis kallistetaan 45 astetta, mikä löytyy esimerkiksi MX-koneista. Kuitenkin tapa, jolla jalat sijoitetaan koneeseen siten, että varpaat ovat hartialinjan korkeudella ja takapuoli kantapäiden alapuolella, poikkeaa aikaisemmin tehdyistä taitolentokoneratkaisuista. Lähimmäksi tätä asentoa päästään purjelentokoneessa.

Päämääränä on, ettei tarvitse työskennellä G-kuormituksia vastaan yhtä paljon, jolloin lentäjän energiataso pysyy korkeammalla lennon lopussa. Silloin mahdollistetaan parempi lentotarkkuus ja huomiokyky. Toinen tärkeä asia on myös ohjaussauvan ja kaasukahvan sijoittelu. Ne tukevat luontaista istuma asentoa, jolloin saavutetaan mahdollisimman miellyttävä asento, jossa työskennellä.

Sami Kontio Lentäjien juhannuksessa vuonna 2011 Kauhavan lentonäytöksessä.

Sami Kontio Lentäjien juhannuksessa vuonna 2011 Kauhavan lentonäytöksessä.

Miksipä ei?

Ensimmäisessä kappaleessa sanotaan: suomalainen hiilikuiturakenteinen taitolentokone, miksi ei? Kun katsomme nykyisiä huippukoneita, ne ovat kaikki Sukhoita lukuun ottamatta olleet hyvin pitkälle yksittäisten henkilöiden ideoita ja toteutuksia. Extra-tehtaan koneet ovat Walter Extran aikaansaannoksia. Zivko (Edge) on ensiksi valmistanut siiven Laser-koneiden omistajille, joilla oli puusiipien kanssa ongelmia ja vasta myöhemmin siiven ympärille rakennettiin kone. MX-tehtaan kone on lähtöisin Giles-koneesta, joka rakennettiin uusiksi Chris Meyerin vision pohjalta, niin että siihen asennetaan kuusisylinterinen AEIO-540-moottori nelisylinterisen tilalle. XA-sarjan koneet ovat Philipp Steinbachin luomuksia. Joten miksi ei Suomessakin voitaisi tehdä kilpailukykyinen taitolentokone? Tähän kun lisätään Slick Etelä-Afrikasta ja Corvus Unkarista niin voi todeta, että eihän hyvän koneen valmistus katso sijaintia.

Erinomaisen taitolentokoneen  tunnistaa keveydestä, hyvästä teho-paino-suhteesta, aerodynaamisesta hyötysuhteesta sekä tehokkaista ja tasapainoisista ohjainpinnoista, ja jos kone samalla näyttää kauniilta, ei siitä haittaakaan ole. Palaamme koneen lento ominaisuuksiin ennen vuotta 2020, mutta seuraavassa numerossa voisin valottaa materiaalivalintoja, muottivalmistusta ja mahdollisesti aerodynamiikkaa.

Tuleeko tästä maailman paras taitolentokone, joka haastaa nykyiset hot rodit? Sen aika näyttää, mutta toivottavasti sanonta, “tietysti vois’ ostaa valmiina mut’ ku’ priimaa tuppaa tulee, jos itte tekee!” pitää paikkansa.

Ja ei, tätä kirjoittaessa koneella ei ole nimeä.

 

Teksti: Sami Kontio

Kuvat: Mikko Maliniemi, Sami Kontio

 

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *