Verslag Grondeffect Voertuig

Inleiding

Basisbeginselen voor de werking van vliegtuigen

Op een vliegtuig in vlucht werken 4 krachten: lift, gewicht, weerstand, en stuwkracht.
Aangezien het grondeffect enkel direct effect heeft op de lift en de weerstand, zullen enkel deze krachten in detail besproken worden.
Indirect heeft het grondeffect ook een invloed op het gewicht en de stuwkracht. Daar gaan we later nog op in.

Lift

De lift L is de draagkracht die het vliegtuig in de lucht houdt. Ze wordt gegenereerd door heel het vliegtuig, maar vooral door de vleugels.
De lift kan worden op twee manieren verklaard worden: volgens de wet van Bernoulli en volgens de derde wet van Newton. Over de verklaring van de lift wordt in wetenschappellijke wereld nog steeds gediscussieerd. Het ene kamp gebruikt de wet van Bernouilli en het andere kamp de derde wet van Newton. Beide verklaringen zijn volwaardig maar ook onafhankelijk van elkaar.

Bernouilli

We veronderstellen een assymmetrische vleugel - dit is een vleugel met een bepaalde welving - of een symmetrische vleugel die een bepaalde aanvalshoek heeft. Als er lucht langs een vleugel stroomt zal de welving van de vleugel veroorzaakt boven de vleugel een stroombuis met en kleinere doorsnede dan de stroombuis onder de vleugel. Als een gevolg hiervan zal volgens de wet van Bernouilli de lucht aan de bovenkant sneller moeten vloeien dan aan de onderkant van de vleugel. Hierdoor ontstaat er volgens de wet van Bernouilli een drukverschil tussen boven- en onderkant. De druk boven de vleugel zal lager zijn dan de druk eronder. Dit drukverschil veroorzaakt lift.

Derde wet van Newton

Door de vleugel wordt de luchtstroom naar beneden gebogen. De resulterende reactiekracht is dan naar boven gericht en veroorzaakt samen met het drukverschil de lift.

Formule

De formule om de lift te berekenen is de volgende:
L = 1/2 . ρ . V² . S . C_L
Waarbij de liftcoëfficiënt C_L experimenteel kan worden bepaald.
De lift grijpt aan in het drukpunt.

Weerstand

De weerstand D (van het Engelse Drag) bestaat uit 2 componenten: de parasitaire weerstand en de geïnduceerde weerstand.

Parasitaire weerstand

De parasitaire weerstand bestaat uit de vormweerstand en de wrijvingsweerstand. De vormweerstand wordt veroorzaakt door de vorm van het vliegtuig. Deze weerstand kan worden verkleind door het vliegtuig gestroomlijnder te maken. De wrijvingsweerstand ontstaat door de wrijving van de lucht met het oppervlak van het vliegtuig. Een oplossing hiervoor is het gladder maken van het oppervlak en oneffenheden vermijden. De parasitaire weerstand stijgt met toenemende snelheid.

Geïnduceerde weerstand

De geïnduceerde weerstand ontstaat door het drukverschil tussen de boven- en onderkant van de vleugels. Aan de vleugeltippen zal de lucht zich verplaatsen van de onderkant van de vleugel naar de bovenkant. Deze luchtverplaatsing veroorzaakt wervelingen, ook gekend als wingtip vortices, die de weerstand van het vliegtuig doen toenemen. De geïnduceerde weerstand daalt met toenemende snelheid, omdat bij hogere snelheden een lagere invalshoek kan gebruikt worden, waardoor het drukverschil tussen boven- en onderkant van de vleugel afneemt.

Totale weerstand

De totale weerstand is de som van de parasitaire en de geinduceerde weerstand. Ze kan berekend worden met de volgende formule:
D = 1/2 . ρ . V² . S . C_d
De weerstandscoëfficiënt C_d wordt experimenteel bepaald.
De weerstand grijpt aan in het drukpunt.

Gewicht

Het gewicht kan worden berekend met:
W = m . g
Deze kracht grijpt aan in het zwaartepunt. Het zwaartepunt kan worden bepaald door middel van momentenvergelijkingen.

Stuwkracht

Een vliegtuig wordt voortbewogen dankzij de derde wet van Newton. Het propulsiesysteem van het vliegtuig stuwt lucht naar achter, waardoor het vliegtuig een kracht naar voor ondervindt.

Basisbeginselen voor de werking van een grondeffect voertuig

Inleiding

De lange landingsvlucht en de voordelen van laag vliegen zijn gevolgen van een aërodynamisch verschijnsel dat het grondeffect genoemd wordt. Dit grondeffect treedt op als een draagvlak (vleugel) zich vlak boven een vaste ondergrond beweegt. Het effect bestaat uit twee verschillende verschijnselen: een toename van de draagkracht van de vleugel en een afname van de luchtweerstand. De vorm van het grondeffect-vliegtuig bepaalt welke van de twee het sterkst optreedt.

Het Von Karman-Gabrielli-diagram vergelijkt transportmiddelen op basis van snelheid en de verhouding van draagkracht en weerstand (L/D). Grondeffect-vliegtuigen vullen het gat tussen de nu gebruikelijke vervoermiddelen op. Ze zijn ook efficiënt: Ze liggen tegen de ‘technologie-lijn’ aan: de grens van wat nu mogelijk is.

De verhouding tussen draagkracht en weerstand kan bij grondeffect-vliegtuigen groter zijn dan bij gewone. Die verhouding wordt aangeduid met L/D, waarin L staat voor lift, draagkracht en D voor drag, luchtweerstand. L/D is een in de luchtvaart algemeen gebruikt kengetal om de efficiëntie van een vleugel of een vliegtuig uit te drukken. Grofweg is L/D een maat voor het gewicht dat je in de lucht kunt houden met een bepaalde hoeveelheid energie (brandstof). Moderne verkeersvliegtuigen, met een snelheid van bijna die van het geluid, hebben een L/D van 17 à 18. Bij grondeffect-vliegtuigen is in principe een oneindig hoge L/D mogelijk, zij het dat de afstand tot de grond dan oneindig klein moet zijn. In de toekomst kunnen grote exemplaren zeker een L/D tussen 25 en 30 halen.

Aërodynamica

Waarom vermindert de weerstand en neemt de draagkracht toe als een vleugel in grondeffect komt? Twee verschillende effecten spelen een rol, een in de spanwijdterichting en een in de koorderichting (ook wel ram-effect). De koorde staat voor de afstand tussen voor- en achterkant van een vleugel.

Spanwijdte

Bij een grondeffect-vliegtuig is de tipwervel in tegenstelling tot een vliegtuig zwak of vrijwel afwezig.

Onder een vleugel die draagkracht levert, is de druk hoger dan erboven. Het drukverschil bepaalt de grootte van de draagkracht. Bij de vleugeltip stroomt lucht van de onderzijde naar de bovenzijde: het begin van de tipwervel. De tipwervel kan zeer sterk zijn. Vliegtuigen kunnen in de problemen komen als ze door de tipwervel van een ander vliegtuig vliegen.

De lucht waartegen het vliegtuig zich heeft afgezet, stroomt tussen de tipwervels van beide vleugels neerwaarts. De energie in de tipwervels en de neerdalende lucht was een gedeelte van de luchtweerstand van het vliegtuig, geïnduceerde weerstand genaamd. Wanneer de vleugels dicht bij de grond voortbewegen, kan de lucht niet omlaag. De opgehoopte lucht drukt de tipwervel naar buiten en maakt hem zwakker. De geïnduceerde weerstand neemt af. De wrijvingsweerstand blijft overigens even hoog.

Koorde

Lucht die langs een vleugelprofiel stroomt, moet bovenlangs een langere weg afleggen dan onderlangs. De stroomsnelheid boven de vleugel is daardoor hoger dan die eronder. Zoals de wet van Bernoulli beschrijft, levert dit een overdruk op aan de onderzijde en een onderdruk aan de bovenzijde. In het algemeen levert de overdruk ongeveer eenderde van de draagkracht en de onderdruk tweederde.

Neem een grondeffect-vleugel die een grote hoek met de ondergrond maakt en waarvan de achterkant zeer laag over de grond scheert. Slechts een kleine hoeveelheid lucht kan door de spleet wegstromen. De afgeremde lucht kan zelfs tot stilstand komen onder de vleugel. De overdruk aan de onderzijde is daardoor veel groter dan zonder grondeffect en de draagkracht neemt sterk toe.

Relatief

Een grondeffect wordt mede bepaald door de verhouding tusen de vlieghoogte en de koorde (spanwijdte).

Een grondeffect-vliegtuig is dus efficiënter naarmate het dichter bij de grond vliegt. Dit verschijnsel is relatief: het gaat om de verhouding tussen de spanwijdte of de koorde en de afstand tot de grond. De golfhoogte bepaalt de minimale vlieghoogte boven zee, die voor alle toestellen gelijk is. Hierdoor is een groot grondeffect-vliegtuig efficiënter dan een kleine.

Toepassingen

classificatie van aerodynamische grond-effect schepen (AGES)

fig. 1

Algemeen is het zo dat bij AGES of WIG-voertuigen er sprake van een min of meer langdurige aërodynamische (zweef)vlucht door gebruik te maken van vleugels.

Er zij drie basisvormen te onderscheiden volgens de classificatie van Ando:

- Ram-vleugel (ram-wing) is vergelijkbaar met een “omgekeerde schoendoos” met vanvoor een opening. Door voorwaartse beweging bouwt zich een grotere luchtdruk op onder die “doos”.

- Kanaal-stroom-vleugel (channel-flow wing) is hetzelfde als de “omgekeerde schoendoos” met dit verschil dat er niet enkel vanvoor een opening is maar vanachter ook een (kleinere) opening is.

- Vleugel in grond-effect (wing-in-ground-effect) is in feite een vliegtuigsvleugel, enigszins aangepast om beter gebruik te maken van het grond-effect (meestal door naar beneden gerichte vleugeltips).

De classificatie van Ando is gebaseerd op verschillende kenmerken:
- vleugelvorm
- aspect ratio (lengte/breedte verhouding van een vleugel)
- mogelijkheid tot conventioneel vliegen
- toegevoegde opwaartse stuwkracht

In de fig.1 staan de belangrijkste typen.

Van rechts naar links is er een afname van de aspect ratio ( minder uitstekende vleugel maar wel bredere) en neemt de optimale benutting van het grond-effect toe. Links wordt er gebruikgemaakt van aandrijving door propellors of straalmotoren die lucht onder de vleugels blazen.

Onder de prototypes die reeds vervaardigt zijn, zijn drie grote types te onderscheiden.

- Het Lippisch-type: Het heeft een omgekeerde delta-vleugel en een T-staart. Het is capabel om een “dynamishe sprong” te maken en efficiënte draaien.Het is specifiek aan deze opbouw dat het een hoge lift-to-drag efficiëntie heeft. Het type is echter niet geschikt voor massatransport.

- Het type Jörg en Mitsubishi (tandem ram/kanaalstroom vaartuigen): Hierbij zijn de vleugels respectievelijk acher elkaar en naast elkaar geplaatst. Deze types vliegen zeer laag over het wateroppervlak (soms enkele centimeters). Voor bepaalde Pitch-hoogtes heeft echter een hoge opstijgsnelheid nodig en is er sprake van “stijfheid” van vlucht.

- Par-WIG Ekranoplans: Tot nu toe het meest ontwikkelde model. Het is capabel om een “dynamische sprong” te maken en efficiënte draaiingen maken. Kan tevens grote snelheden halen

Daarnaast is er ook een onderverdeling van de grond-effect voertuigen naar hoogte bereik (de IMO classificatie).

- Het A-type maakt enkel gebruik van het grond-effect.
- Het B-type maakt voornamelijk gebruik van het grond-effect, maar is ook capabel om een tijdelijke “dynamische sprong” te maken.
- Het C-type kan zowel met het grond-effect als zonder zich voortbewegen.

Bronnen

Cursus aspiranten 2007, Belgian air cadets
http://www.aerospaceweb.org/question/aerodynamics/q0130.shtml
http://www.nasa.gov
Vliegen met grondeffect, ir Edwin van Opstal, Natuur en techniek 66, 5 (1998), p10-21.