Painopiste

CommentsOff by in Yleinen
2.4.2015

Painot ja painopiste laskuvarjohyppylennoilla on viime kuukausien aikana noussut skenessä jälleen keskustelun aiheeksi. Vaikka hyppylentämisessä esille tulevien massan ja balanssin hallintaan liityvien haasteiden pitäisi olla tuttua juttua asian parissa toimiville, on liikkeellä valitettavan paljon virheellistä tietoa ja uskomuksia. Siispä muutama rivi aiheesta.

Hyppylentotoiminnassa massan ja painopisteen hallinta poikkeaa joiltakin osin muista lentotoimintamuodoista ja asia vaatii lento-operaattorilta erityishuomiota. Tästä lisää myöhemmin. Lähtökohdat ovat kuitenkin samat kuin muussakin lentototoiminnassa: Lentokoneen kuormausta rajoittavat tekijät kerrotaan lentokonevalmistajan julkaisemassa lentokäsikirjassa, joka on tärkeä osa lentokonetta ja sen käyttöä.

Kuormausta koskevat rajoitukset voivat olla varsin monipuolisia. Esim. pelkästään lentokoneen massaa koskevia rajoituksia on yleensä useita: Suurimman sallitun lentoonlähömassan lisäksi rajoittavia tekijiötä voivat olla vaikkapa suurin sallittu laskeutumismassa, suurin sallittu massa ilman polttoainetta tai vaikkapa matkustamon lattian kuormausrajoitukset. Kaikkia mainittuja rajoituksia löytyy yleisesti käytössä olevista hyppykoneista.

Massaa koskevien rajoitusten (kuten esim. suurin sallittu lentoonlähtömassa) lisäksi lentokoneen massakeskiölle – tuttavallisesti painopisteelle – annetaan sallittu vaihtelualue. Tällä seikalla on ennen kaikkea merkitystä koneen ohjattavuuden kannalta. Reippaasti yksinkertaistettuna sallitun painopistealueen eturajan määrittelee korkeusperäsintehon riittävyys eri lentotiloissa, takarajan viime kädessä lentokoneen pituusvakavuus.

Käytännön lentotoiminnassa lentokoneen massan ja massakeskiön hallinta tapahtuu jokseenkin seuraavasti: Koneen tyhjämassa ja momentti selvitetään punnitsemalla lentokone. Punnitsemalla saadut tiedot kulkevat lentokoneen dokumenttien mukana ja tietoja käytetään yhdessä lentokäsikirjan ohjeiden kanssa massa- ja painopistelaskelmiin konetta kuormattaessa. Tyhjämassan ja -momentin sekä koneeseen kuormattavan lastin (polttoaine, miehistö, matkustajat, rahti) massat sekä näiden aiheuttamat momentit lasketaan konevalmistajan ohjeiden mukaan. Lopputuloksena saadaan lentokoneen laskettu kokonaismassa sekä painopisteen sijainti kuormattuna. Laskelmien tulosta verrataan lentokäsikirjan kuormausohjeisiin ja -rajoituksiin ja varmistutaan siitä, että lentäminen tapahtuu koneelle asetettujen kuormausrajoitusten mukaisesti.

Painopisteen sijainnin vaikutukset

Jotta painopisteen sijainnin vaikutuksista lentokoneen ohjattavuuteen ja vakauteen saa jonkinlaisen käsityksen, täytyy ensin hieman tutustua lentämisen fysiikkaan. Seuraava selitys ei pyri olemaan täydellinen kuvaus aiheesta, mutta tarkoituksena on antaa laskuvarjohyppykoneen kyydissä usein istuvalle ihmiselle käsitys siitä, mistä koko sopassa oikeastaan on kyse.

cg-normal

Perinteinen lentokone, jossa siipi on (melko) edessä ja pyrstössä sijaitsevat vakaajat sekä peräsimet, on suunniteltu siten, että sen painopiste sijaitsee siiven etureunan lähistöllä. Siiven aiheuttama nostovoimakeskiö taas sijaitsee hieman painopisteen takana, noin 1/4 siiven etureunasta sen takareunaa kohti. Tämän seurauksena syntyy nokka-alas momentti. Lentokoneen pyrstössä puolestaan sijaitsevat korkeusvakaaja ja -peräsin, joilla luodaan alaspäin suuntautuva voima. Tämä voima siis nostaa lentokoneen nokkaa ja sillä kumotaan siiven nostovoimasta aiheutuva nokka-alas momentti.

Järjestely muodostaa systeemin jossa voimat sekä momentit ovat tasapainossa ja korkeusperäsintä liikuttamalla korkeusvakaaja/-peräsin yhdistelmällä tuotettua alaspäin suuntautuvan voiman suuruutta voidaan muuttaa. Lopputuloksena on lentokone joka on nokan alas-ylös -liikesuunnassa paitsi vakaa (häiriöt pyrkivät vaimenemaan, eivät voimistumaan), myös ohjattavissa. (Lisätietoa googlaamalla vaikkapa aircraft longitudinal stability, pitching moment yms. Youtubesta löytyy myös opetusvideoita.)

Jos painopistettä siirretään eteenpäin ongelmaksi muodostuu lopulta korkeusperäsimen kyky tuottaa riittävästi alaspäin suuntautuvaa voimaa, joka siis vetää nokkaa ylöspäin. Tällöin lentokoneen vakavuus kuitenkin säilytetään ja käytännön tasolla lentäjä huomaisi vaikutukset ensimmäisenä kenties siitä, että vaikka ohjain on vedetty täysin taakse, ei nokka silti nouse. Ensimmäisenä tilanne kohdattaisiin todennäköisesti pienellä lentonopeudella, moottorin ollessa tyhjäkäynnillä jolloin korkeusperäsimen aerodynaaminen tehokkuus on heikoimmillaan.

Kun painopistettä siirretään taaksepäin vaikutukset ovat hieman monimutkaisemmat ja vaihtelevat varmaankin myös konetyyppikohtaisesti. Koneen oikaiseminen mm. sakkauksesta tai syöksykierteestä voi hankaloitua. Lisäksi viimeistään siinä vaiheessa kun painopiste on siirtynyt samalle kohdalle kuin siiven nostovoimakeskiö, ei lentokone ole enää vakaa. Tätä pistettä kutsutaan aerodynamiikassa neutraalipisteeksi. Seurauksena on tilanne, jossa lentokoneen vakavuus on menetetty vaikka ohjattavuus olisikin vielä jäljellä. Ongelmaksi tilanteessa muodostuu se, että epävakaan lentokoneen ohjaamiseksi ohjainliikkeitä tulisi tehdä jatkuvasti hyvin paljon ja tämä vaatii käytännössä ohjaustietokoneen. Tässä tilassa olevan lentokoneen ohjaaminen ei onnistu edes parhaalta tuntemaltasi hyppypilotilta.Screenshot 2015-04-02 20.58.09

Aiemmin mainittujen lentokoneen lentokäsikirjan sisältämien rajoitusten tarkoituksena onkin pitää paitsi lentokoneen massa niissä rajoissa joihin se on suunniteltu, myös painopiste oikealla alueella. Massoja rajoittamalla vaikutetaan esim. erilaisten rakenteiden kestävyyteen ja elinikään sekä lentokoneelta vaadittavien suoritusarvojen toteutumiseen. Sallitulla painopistealueella pysymällä varmistetaan se, että lentokone on hallittavissa kaikissa lentotiloissa.

Asiasta enemmin kiinnostuneiden kannattaa huomata, että esimerkiksi modernit sotilaskoneet saatetaan suunnitellaan tarkoituksella pituusepävakaiksi. Tällöin koneen vakavuuden puute korvataan tietokoneella, joka täysin automaattisesti heiluttelee ohjainpintoja lentokoneen pitämiseksi halutussa asennossa. Esim. F/A-18 Hornet, joita myös Suomen Ilmavoimat käyttävät on tällainen kone. Oheisesta videosta voi yrittää kurkkia mihin tahtiin Hornetin tietokone ohjainpintoja heiluttelee esim. lähestymisen aikana.

Hyppylentotoiminnan erityispiirteet

Laskuvarjohyppylennoilla massan ja painopisteen hallinnalle erityisiä haasteita tuo tietyissä lentokonetyypeissä uloshyppytilanne. Koneissa joissa ovi on takarungossa, selvästi siiven takapuolella, isompia exittejä hypättäessä painopiste siirtyy huomattavan taakse. Käytännössä on mahdollista saavuttaa tilanne, jossa painopiste ei pysy enää lentokäsikirjan sallimissa rajoissa ja lopputuloksena koneen hallinta menetetään hyppylinjalla.

Vaikka skenessä usein puhutaan “sakkauksesta linjalla” ei kyse yleensä ole siitä, että kone nopeuden hidastuessa sakkaisi ja tätä seuraisi jokin näyttävä manööveri. Todellisuudessa taitaakin useimmiten olla, niin että sitä isoa exittiä ovelle kasattaessa painopiste menee lopulta kauas sallitun takarajan takapuolelle, että joko korkeusperäsimen teho ei yksinkertaisesti riitä takapainoisen lentokoneen ohjaamiseen tai saavutetaan jopa neutraalipiste ja koneen hallittavuus menetetään. Seurauksena on kuitenkin yleensä aina se näyttävä manööveri.

Tyypillinen väärästä kuormauksesta johtuva skenaario hyppylinjalla voisi olla esim. se, että koneen nokka nousee yhtäkkiä hallitsemattomasti pystyyn ja hetken kuluttua, joko nopeuden hiipuessa tai kohtauskulman äkillisesti kasvaessa, nokka päätyykin osoittamaan kohti maata ja lenskari ohittaa iloisesti vapaaseen pudotukseen ehtineet skaidaiverit.

Tilanteeseen johtanyt syy korjautuu useimmiten pelkästään sillä, että ovelle ehtineet hyppääjät irrottavat otteensa lentokoneesta, painopiste palaa alueelle, jossa lentokone on jälleen ohjattavissa ja lentäjän täytyy tämän jälkeen lähinnä sompailla itsensä ulos mahdollisesti poikkeukselliseksi kehittyneestä lentotilasta. Mielellään aiheuttamatta lisävahinkoa. On kuitenkin myös mahdollista päätyä sakkaustilaan, josta oikaiseminen on normaalia vaikeampaa tai jopa mahdotonta liian takana olevan painopisteen takia (esim. Islander -video alla).

Kuitenkin esim. riski hyppääjän osumisesta peräsimeen lienee normaalia suurempi aina tällaisessa tilanteessa. Toisaalta vakavuuden menetys saattaa johtaa hyvinkin äkillisiin lentoradan muutoksiin, joista voi pahimmillaan aiheutua rakenteellisia vaurioita lentokoneelle.

Video- ja kuvamateriaali tilanteista on jokatapauksessa useimmiten melko näyttävää.

PAC 750 ohjattavuus menetetään hyppylinjalla:

Islander päätyy hieman epämääräiseen lentotilaan kuvaajan roikkuessa takastepillä. Huomaa melko täpärä korkeusvakaajan sivuutus.

King Airin ohjattavuus hyppylinjalla menetetään:

Big plane, difficult to handle?

Asiallinen tapa välttää painopisteongelmista johtuvat hallinnan menetykset hyppylinjalla on noudattaa lentokäsikirjan rajoituksia kuormauksessa. Joidenkin hyppykoneiden kohdalla on olemassa valmiita menetelmiä esim. sille, miten monta hyppääjää voi jonkin tietyn aseman takapuolella olla yhtä aikaa. Joissakin konetyypeissä operaattorin taas täytyy itse luoda menetelmät joilla tilannetta hallitaan. Joka tapauksessa ainoa oikeasti toimiva keino välttää hallinnan menetys hyppylinjalla liian takapainoisen kuormauksen seurauksena, on pitää massakeskiö lentokäsikirjan sallimalla alueella. Vaikka kotimaisessa skenessä on toisinaan ihan virallisiltakin tahoilta kuultu tarinoita siitä, miten lentäjä voi esim. pienellä nopeuslisällä tai muilla jipoilla selvitä ilmeisistä käsikirjan rajoitusten ylittämisistä, ei tämä kuitenkaan oikeasti pidä paikkaansa. Ainakaan yksikään lentokonevalmistaja ei ole tällaisia ohjeita tohtinut julkaista. Toisaalta esim. mahdollista edellä kuvattua vakavuuden menetystä liian takana olevan painopisteen takia ei yksinkertaisesti pysty paikkaamaan kasvattamalla ilmanopeutta.

Lisätietoa:

http://www.allstar.fiu.edu/aero/axes33.htm

http://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aircraft/media/faa-h-8083-1a.pdf