Siipikonfiguraatio

Siipikonfiguraatio tarkoittaa lentokoneen siipien muotoa ja asettelua.

2000-luvulla lentokoneen siiven käsite on voinut näennäisesti hämärtyä, koska siipi ja runko voivat yhdentyä, esimerkiksi lentävä siipi tai lifting body -tyyppisissä lentokoneissa, mutta edelleen on olemassa suurimman osan ilma-aluksen nostovoimasta aerodynaamisesti tuottava rakenne. Siipi tuottaa nostovoiman kulkiessaan ilman lävitse pääasiassa aikaansaamalla alipaineen siiven yläpinnan etuosaan ja taittamalla ilmavirtaa (alastaite). Siksi siivellä on virtaviivainen muoto, siiven poikkileikkaus, siipiprofiili, määrää siiven aerodynaamiset ominaisuudet: nostovoiman, vastuksen ja sakkauksen eli virtauksen irtoamisen. Siiven tasomuoto vaikuttaa tähän nostovoiman riippuessa siipipinta-alasta. Siipi ja sen nostovoima tuottavat suuren osan lentokoneen vastuksesta. Siiven nostovoima on 1–2 kertalukua suurempi kuin vastus.

Siipiprofiili


Siipiprofiilille olennaisia parametreja
 pyöreä etureuna, jonka alueelle syntyy patopiste, jossa virtaus pysähtyy
 yleensä terävä jättöreuna
 jänteen pituus
 profiilin paksuus ja etenkin profiilin paksuimman kohdan sijainti profiilin etureunasta taaksepäin mitaten vaikuttavat profiilin nostovoimaan, vastukseen, nokka-alas-momenttiin ja sakkaukseen eli virtauksen irtoamiseen suurilla kohtauskulmilla. Paksuusjakauma määrittelee profiilin ominaisuudet, esim. sen onko profiili perinteinen vai 1950-luvulla kehitetty laminaariprofiili. Eri profiilimuodot tunnetaan niiden kehittäjien mukaan muun muassa NACA-, Göttentigen ja Tsagi-profiileina.
 yleensä profiilin ja siiven yläpinta on kaarevampi kuin alapinta. Myös symmetrinen profiili käy muun muassa ohjainpintoihin – kuten sivuperäsin ja korkeusperäsin – ja taitolentokoneen siipiin.E. V. Laitone, Wind tunnel tests of wings at Reynolds numbers below 70 000, Experiments in Fluids 23, 405 (1997). Siipiprofiilin suurempi kaarevuus kasvattaa siiven momenttia mutta myös maksiminostovoimaa.
 siiven pinnan tulee olla sileä, mutta virtauksen irtoamisen estämiseksi etureunan alavirrassa voidaan pintaan tehdä tahallisesti karheutta, joka muuttaa laminaarin virtauksen turbulentiksi. Laminaariprofiileissa on erityisen tärkeätä pitää siiven etureuna puhtaana, koska laminaari rajakerros ei kestä likaa jne. siiven pinnalla.

Siipiprofiilin tuottama nostovoima on verrannollinen virtauksen kohtauskulmaan siiven jänteen suhteen siihen asti, kun virtaus irtoaa sakkauskohtauskulmalla (tyypillisesti 15 astetta).


Siipien lukumäärä ja sijainti suhteessa runkoon
Siipien lukumäärä (siipi on tässä vasemman ja oikean siiven ja ns. välisiiven muodostama kokonaisuus)
”Ei siipiä” 
Nostava runko – runko tuottaa nostovoiman, esimerkiksi X-24B ”Lentävä kivi” -sukkulan kehitystyössä 1960-luvulla. 
Moottoriteholla lentäminen – esimerkiksi Harrier nousussaan, mutta tätä menetelmään käyttävää varsinaista siivetöntä ilma-alusta ei ole ollut kuin McDonnell-Douglasin Delta Clipper-sukkulaskenaarion koealus 1990-luvun alussa, joka sekin pystyi vain leijuntaan, ei esim. matkalentoon. 
Yksi siipi () – yleisin tapaus 1930-luvun jälkeen. Siipi voi olla rungon suhteen
alasiipi () – rungon pohja ja siiven pohja samalla tasolla
keskisiipi () – siipi kiinnittyy korkeussuunnassa rungon puoliväliin
yläsiipi () – siipi on rungon yläosassa 
olkasiipi () – siipi kiinnitetty rungon yläosaan
Päivänvarjosiipi () – siipi on rungon yläpuolella tukien varassa

200px|alt=" "Alasiipi200px|alt=" "Keskisiipi200px|alt=" "Yläsiipi200px|alt=" "Päivänvarjosiipi

Siipiä on nykyisin päällekkäin vain yksi, mutta 1900-luvun alussa useitakin:
kaksitaso – kaksi suunnilleen samankokoista siipeä päällekkäin – väistyi 1930-luvulla, kun lentokoneen rakenteet muuttuivat metallisiksi ja pyrittiin pienempään vastukseen 
”Sesquiplane” – alempi päällekkäisistä siivistä on paljon pienempi
kolmitaso – kolme siipeä päällekkäin, ensimmäisessä maailmansodassa tällaiset koneet olivat osan aikaa sodasta liikehtimiskykyisempiä kuin 1- tai 2-tasoiset.
nelitaso – neljä päällekkäistä siipeä
 monitaso – kokeilijat 1900-luvun alussa rakensivat tällaisia huonolla menestyksellä. 9-tasoinen Caproni Ca.60 lensi vain lyhyen matkaa ennen tuhoutumistaan.

192px|alt=" "Kaksitaso192px|alt=" "1,5-taso192px|alt=" "Kolmitaso192px|alt=" "Monitaso

Tandem-siiveksi kutsutaan tilannetta, jossa lentokoneessa on kaksi peräkkäistä likimain samankokoista siipeä. Kaksitasoisissa koneissa ylempi siipi on usein hieman edempänä kuin alempi siipi. Tämä luo stabiilisuutta. Päinvastainen konfiguraatio on esimerkiksi Beechcraft Staggerwing -koneessa.

200px|alt=" "Siivet päällekkäin200px|alt=" "Yläsiipi edempänä200px|alt=" "Yläsiipi taaempana

Siipi tuetaan nykyisin siiven sisällä olevilla rakenteilla pieniä hitaita yleisilmailukoneita jne. lukuun ottamatta. Aikojen kuluessa siiven tuennassa on käytetty monenlaisia ratkaisuja:
itsekantava siipi () 
tuettu () ulkoisten tukien avulla runkoon ja mahdolliseen toiseen jne. siipeen. Käytössä tukina on palkkeja, tankoja (, esimerkiksi Cessna 150) ja vaijereita. Tuet vähentävät siiven rakennepainoa mutta lisäävät siiven vastusta.

200px|alt=" "192px|alt=" "Itsekantava siipi200px|alt=" "192px|alt=" "Tuettu siipi200px|alt=" "192px|alt=" "Vaijerijäykistys

192px|alt=" "Single-bay biplane192px|alt=" "Two-bay biplane

Suljettu siipi – siivet yhdistetty päistään rakenteen jäykistämiseksi 
Box wing
Rhomboidal wing  
rengasmainen siipi 
 tasomainen 
sylinterimäinen, esimerkiksi SNECMA Coléoptère
 muut versiot, esimerkiksi Blériot III

180px|alt=" "Box wing180px|alt=" "Annular box wing157px|alt=" "tasomainen rengasmainen siipi157px|alt=" "sylinterimäinen siipi

Siipi voi olla
jäykkä
joustava – esimerkiksi painopisteohjatut ultrat

Siiven tasomuoto vaikuttaa vastukseen ja sakkausominaisuuksiin. Muuttuvan geometrian siipi on eräs ratkaisu hidaslennon ja nopean lennon vaatimuksiin siivelle.

Siiven sivusuhde
Sivusuhde on siiven kärkivälin ja keskimääräisen siiven profiilin jänteen välinen suhde: 
Kermode, A.C., Mechanics of Flight, Chapter 3 (s. 103, eighth edition) 
pieni – lyhyt siipi on rakenteellisesti luja ja koneen vastus suurille lentonopeuksilla pieni, mutta hidaslento on vaikeaa, esim. Lockheed F-104 Starfighter;
keskisuuri – aliääninopeuksellinen lentokone, esimerkiksi Lockheed P-80 Shooting Star;
korkea – esimerkiksi purjelentokoneet ja matkustajalentokoneet.

102px|alt=" "Pieni siipisuhde120px|alt=" "Keskisuuri siipisuhde139px|alt=" "Korkea siipisuhde

Siiven nuolikulma

Siiven nuolikulma vähentää vastusta suurilla nopeuksilla. Sillä on vaikutusta stabiliteettiin ja painopisteen ja aerodynaamisen keskiön väliseen asemaan:
 suora siipi – luja rakenteellisesti, helppo valmistaa, sopii alisooniseen lentonopeusalueeseen;
 viistetty () – siirtää tiivistysaaltojen syntyä;
 viistetty eteenpäin – sama vaikutus kuin taaksepäin viistämisellä, mutta rakenteellisesti paljon vaikeampi ratkaisu, esimerkiksi HFB-320 Hansa Jet.

Muuttuva geometria:
 muuttuva nuolikulma (), esimerkiksi General Dynamics F-111;
 kääntyvä siipi (), esimerkiksi NASA AD-1.

 120px|alt=" "Suora siipi 120px|alt=" "Nuolikulmainen siipi 120px|alt=" "Negatiivinen nuolikulma 120px|alt=" "Muuttuva nuolikulma(swing-wing) 120px|alt=" "”Oblique wing”

Nuolikulma voi pysyä vakiona tai muuttua tyvestä siiven kärkeen
 Crescent – ulommalla alueella suurempi nuolikulma, Handley Page Victor.
 Cranked arrow, esimerkiksi General Dynamics F-16XL, myös jättöreuna kaventaa siipeä
 M-siipi – vain tutkielmien kohteenaFlight Global reference to a study on the M-wing.A study into both "M" wing and "W" wing planforms 
 W-siipi – käänteinen M-siipi, esimerkiksi Blohm & Voss P.188

120px|alt=" "Crescent102px|alt=" "Cranked arrow120px|alt=" "M-wing120px|alt=" "W-wing

Siiven muoto
 Tasaleveä siipi, esimerkiksi Short Skyvan.3-view of the Short Skyvan  Rakenteellisesti tasaleveä siipi on helpoin valmistaa, mutta sen rakenteen paino on suuri. Tasaleveän siiven etu on myös, että se on tyvisakkaaja.
 elliptinen siipi, esimerkiksi Supermarine Spitfire, tuottaa kohtauskulman kasvaessa ja virtauksen lopulta irrotessa sakkauksen, jossa kone ei kaadu, sakkaus alkaa leveästä tyvestä.
 kärkeä kohti lineaarisesti leveydeltään muuttuva siipi 
 kärkeä kohti kapeneva siipi, esimerkiksi LaGG-3. Siipi on kevyt, mutta se on kärkisakkaaja. 
 kärkeä kohti levenevä siipi – kokeiltu vain koekoneessa Republic XF-91 Thunderceptor
 ensin levenevä ja sitten kapeneva siipi, esimerkiksi Westland Lysander
 trapetsinen siipi kapenee kärkeä kohti. Usein etureuna on suora ja siiven jättöreuna tulee kärkeä kohden eteenpäin, esimerkiksi Lockheed F-22 Raptor ja Messerschmitt Bf 109.
linnun siiven kaltainen siiven muoto oli 1900-luvun alussa kokeiltu versio, esimerkiksi Etrich Taube.
ympyrämäinen – esimerkiksi Vought XF5U
lentävä lautanen, esimerkiksi kanadalainen Avrocar
rengasmainen – kokeiltu 1900-luvun alussa.http://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1962/1962%20-%202565.html
letter from Hall-Warren, N.; Flight International, 1962, p 716..

120px|alt=" "Suora siipi120px|alt=" "Elliptinen siipi120px|alt=" "Kapeneva siipi120px|alt=" "Levenevä siipi120px|alt=" "Levenevä ja kapeneva siipi102px|alt=" "Trapetsinen siipi102px|alt=" "Ympyrämäinen siipi

deltasiipi
Korkeusvakaumeton deltasiipi, Dassault Mirage III
deltasiipi korkeusvakauttimella, esimerkiksi MiG-21
katkaistu delta – siiven kärjellä äärellinen leveys
tupladelta, esimerkiksi Saab Draken
viinilasi-delta (),esimerkiksi Tupolev Tu-144

102px|alt=" "Pyrstötön delta102px|alt=" "Pyrstöllinen delta102px|alt=" "Katkaistu delta102px|alt=" "Tupla-delta102px|alt=" "Ogival delta

Pyrstö
Pyrstö
perinteinen – erillinen korkeusvakautin”siipi” pyrstön perässä;
canard – korkeusvakautin ja peräsin rungon etuosassa, yleinen 5. sukupolven hävittäjissä, esimerkiksi Saab Viggen;
tandem – kaksi pääsiipeä, esimerkiksi Rutan Quickie;
pyrstötön.

120px|alt=" "Perinteinen120px|alt=" "Canard120px|alt=" "Tandem120px|alt=" "Kolmisiipinentandem120px|alt=" "Pyrstötön

Siiven V-kulma
V-kulma (siiven kärjen ja tyven välinen korkeusero) vaikuttaa lentokoneen stabiiliuuteen
Positiivinen V-kulma, esimerkiksi Boeing 737
Negatiivinen V-kulma, esimerkiksi Iljušin Il-76

200px|alt=" "Positiivinen V-kulma200px|alt=" "Negatiivinen V-kulma

 Niksatut siivet
Niksatuissa siivissä V-kulma muuttuu matkalla tyvestä kärkeen
Lokinsiipi, esimerkiksi PZL P.11, Polikarpov I-153 tai Göppingen Gö 3.
Käänteinen lokinsiipi, esimerkiksi F4U Corsair tai Junkers Ju 87.

Niksattu, esimerkiksi F-4 Phantom II. 
”Channel wing” – Custer Channel Wing kokeilu.
”Ruptured duck”, esimerkiksi Northrop XP-56 Black Bullet.

200px|alt=" "Lokin siipi200px|alt=" "Käänteinen lokin siipi200px|alt=" "Cranked wing200px|alt=" "Channel wing

Lentävä siipi, nostovoimaa tuottava runko
Siipi ja runko voivat hoitaa toistensa tehtäviä tai olla erillisiä
lentävä siipi, kuten häiveteknologialla suojattu B-2 Spirit ja A-12 Avenger II
Blended body – runko, joka tuottaa nostovoimaa, esimerkiksi McDonnell XP-67 Bat 
nostava runko () – ei lainkaan siipiä, nostovoiman tuottaa vain runko

120px|alt=" "200px|alt=" "Lentävä siipi102px|alt=" "200px|alt=" "Blended body102px|alt=" "138px|alt=" "Lifting body

Siiven muuttuva geometria

Muuttuvageometrisella siivellä tarkoitetaan lennon aikana muuttuvaa siipikonfiguraatiota. Lentokoneen varastointiin käytettävällä taittuvalla siivellä ei tarkoiteta samaa asiaa.
 120px|alt=" "Muuttuva nuolikulma(swing-wing) 120px|alt=" "Kääntyvä siipi  120px|alt=" "Teleskooppinen siipi  120px|alt=" "Jatkettava siipi  200px|alt=" "Taittuva siipi, ei tässä tarkoita esimerkiksi tukialusten varastointia varten saranoituja siipiä 

Siiven asetuskulma
Siiven asetuskulma on siiven tyviprofiilin jänteen ja koneen pituusakselin välinen kulma. Sillä aikaansaadaan nostovoimaa, kun lentokone lentää vaakalentoa ja lentokoneen runko on tällöin vaakasuorassa sisällä olevien matkustajien jne. kannalta. Asetuskulma voi olla: 
 Kiinteä tehtaalla asennuksessa määritetty. Tämä on yleisin tapaus.
 Muuttuvaa asetuskulmaa on lähinnä käytetty tukialuksilta operoiville hävittäjille. Esimerkiksi Vought F-8 Crusader käänsi siipeä suuremmalle asetuskulmalle (kohtauskulmalle) lentoonlähdössä.
 Siipiprofiilin vaihtuva kaarevuus (variable camber) aikaansaadaan nostovoimaa lisäävillä etu- ja jättöreunalaitteilla.

 200px|alt=" "Vaihtuva asetuskulma 120px|alt=" "Vaihtuva kaarevuus

Siiven lisälaitteet ja -osat

Hidaslennossa siiven nostovoimaa lisätään jättöreunaan liittyvillä laipoilla. Sekä hidaslennossa että liikehdinnässä etureunaan asennetut solakot lisäävät nostovoimaa ja siirtävät sakkausta korkeammalle kohtauskulmalle. Erittäin voimakkaassa liikehdinnässä pyörteittimet siiven etureunassa estävät virtauksen irtoamista. Siiven ylä- ja alapinnan paine-ero pyrkii tasoittumaan siten, että virtausta tapahtuu siiven tyvestä kärkeen muodostaen kärkipyörteen. Rajakerrosaidat siiven pinnalla vähentävät tätä virtausta ja sen aikaansaamaa häviötä. Winglet toimii samalla periaatteella siiven kärjessä.


Muut osat
”Chine” – siiven tyven ja rungon sovite, esimerkiksi Lockheed SR-71 Blackbird.
”Viiksi” – kiinteä canard, esimerkiksi Tupolev Tu-144.
 siipiaita (wing fence) – vähentää virtausta tyvestä kärkeen
 pyörteitin (turbulaattori), siiven epäjatkuvuuskohta
 fairing, muotokappaleet vastuksen vähentämiseksi

Lähteet


Aiheesta muualla

 Kermode, A.C. (1972); Mechanics of Flight, Chapter 3 (Eighth (metric) edition).  Sir Isaac Pitman and Sons Ltd, London.  
 Taylor, John W.R. The Lore of Flight, London: Universal Books Ltd., 1990. . 
 What is it? Aircraft Characteristics That Aid The Spotter Flight, June 4, 1942
How Wings Work - Holger Babinsky Physics Education 2003
"Physics of flight - revisited" Weltner and Ingelman-Sundberg  
How Airplanes Fly: A Physical Description of Lift
Demystifying the Science of Flight - Audio segment on NPR's Talk of the Nation Science Friday
NASA's explanations and simulations 
Flight of the StyroHawk wing
Evolution of flight  in animals
See How It Flies

Luokka:Aerodynamiikka
Luokka:Lentokonekomponentit