Vliegtuig

[PeterPan]

Een vliegtuig is een luchtvaartuig dat zwaarder is dan lucht en in staat is een gecontroleerde vlucht te maken. Het maakt hierbij gebruik van de opwaartse kracht, [wiki]lift[/wiki] genoemd, veroorzaakt door de lucht die met een zekere snelheid over het speciale profiel van het vleugeloppervlak stroomt.
[div=float: right; width: 450px;]
http://www.youtube.com/watch?v=sNTnUdopbDQ
Fokker Spin
[/div]
[h3]Geschiedenis[/h3]
Uitvinders waren aan het eind van de 19e eeuw bezig met het uitvinden van een vervoermiddel waarmee men gemotoriseerd kon vliegen, De [wiki]luchtballon[/wiki] was al in 1783 uitgevonden, het [wiki]zweefvliegtuig[/wiki] werd voor het eerst succesvol getest door Otto Lilienthal in 1891. In 1903 wisten de Amerikaanse Gebroeders Wright als eerste mensen met hun zelf gebouwde en gemotoriseerde vliegtuig, "The Flyer", een gecontroleerde vlucht te maken. Op 27 mei vloog Henri Farman het eerste vliegtuig boven België. In Nederland vloog het eerste vliegtuig op 27 juni 1909 door [wiki]Charles de Lambert[/wiki]. In 1910 maakte de Fransman Henri Fabre het eerste [wiki]watervliegtuig[/wiki], dit maakte het mogelijk om grotere vliegtuigen te maken aangezien ze niet afhankelijk waren van de lengte van een [wiki]vliegveld[/wiki]. Twee jaar later kwam Curtiss met de eerste vliegboot. In dat zelfde jaar werd ook het eerste experiment gedaan met opstijgen vanaf een schip door Eugene Ely. Hoewel er werd geëxperimenteerd met het vervoer van post en passagiers, zou het vliegtuig vooral nog als sport- en stuntapparaat gebruikt worden. Vanaf 1911 gingen de Europese legers zich interesseren voor het vliegtuig met het oog op een aankomende oorlog, die zou uitlopen in de Eerste Wereldoorlog, al concentreerden de Duitsers zich nog lange tijd op de [wiki]Zeppelin[/wiki]. De Eerste Wereldoorlog werkte in Europa als een katalysator op de ontwikkeling van het [wiki]gevechtsvliegtuig|militaire vliegtuig[/wiki]. Men begon vliegtuigen in te zetten als verkenner. Toen de vijanden vervolgens met elkaar in conflict kwamen in de lucht, kwam het [wiki]jachtvliegtuig[/wiki] in beeld. Deze werd uitgerust met mitrailleurs op de motorkap. Door Sikorsky's experimenten met viermotorige vliegtuigen gingen bommenwerpers tot de mogelijkheden behoren. De Britse marine ging verder met het opstijgen en landen vanaf schepen, wat resulteerde in de eerste torpedobommenwerpers. Aan het einde van de oorlog kwamen veel vliegers en vliegtuigen zonder werk te zitten. Men ging de bommenwerpers ombouwen tot de eerste volwaardige passagiersvliegtuigen om de moeilijke naoorlogse jaren door te komen. Terwijl de [wiki]passagiersvliegtuig|passagiersvliegtuigen[/wiki] steeds beter werden, stonden de ontwikkelingen in de militaire tak nagenoeg stil. Alleen de luchtraces gaven vliegtuigbouwers de mogelijkheid om nieuwe technieken uit te proberen. Uit deze luchtracers ontstond dan ook de eerste nieuwe generatie jachtvliegtuigen waarmee de Tweede Wereldoorlog werd ingegaan. Ook deze oorlog werkte als een katalysator op de ontwikkeling. Het zweefvliegtuig werd in Duitsland tot in de finesses doorontwikkeld om het verdrag van Versailles te ontduiken. Daarnaast ontstonden er duikbommenwerpers, nachtjagers en de [wiki]straalmotor[/wiki] werd geïntroduceerd. Na deze oorlog zorgde de wapenwedloop tussen het ontstane Warschaupact en de NAVO tot een blijvende prikkel om met nieuwe vliegtuigen te komen. De vliegtuigen moesten hoger en sneller kunnen en langer in de lucht kunnen blijven. Chuck Yeager ging door de geluidsbarriëre, spionagevliegtuigen vlogen vervolgens tot drie maal zo snel als het geluid. Tevens werd met de introductie van de [wiki]F-16[/wiki] een vliegtuig geïntroduceerd dat alleen kon vliegen met behulp van een computer, het zogenaamde [wiki]fly-by-wire[/wiki] principe. In diezelfde tijd kwam ook het massatoerisme op in de westerse landen. Niet alleen werden de passagiersvliegtuigen steeds groter, zoals de [wiki]Boeing 747[/wiki], maar ook steeds sneller, met als hoogtepunt de supersonische Concorde. In diezelfde tijd ontwikkelde zich ook de privé- of zakenjet, zodat belangrijke zakenlieden niet gebonden waren aan vliegtijden en krappe vliegtuigen. Vlak voor het uiteenvallen van het Warschaupact en de Sovjet-Unie werd de stealth techniek toegepast op andere vliegtuigen dan alleen de spionagevliegtuigen. De ontwikkeling van het gevechtsvliegtuig gaat sinds de val van het communisme minder hard. De Europese landen lopen tegen de enorme ontwikkelingskosten op, waardoor men gezamenlijk met moeite de Eurofighter van de grond weet te krijgen. Kleinere landen, zoals Taiwan, Israël, Korea en Zweden weten het hoofd boven water te houden door het maken van militaire vliegtuigen die gebaseerd zijn op bestaande technieken, terwijl de kosten voor de Amerikaanse F-35 alleen maar oplopen. In de burgerluchtvaart gaan de ontwikkelingen echter door. Airbus gaat voor groter met de dubbeldeks [wiki]Airbus A380|A380[/wiki]. Boeing gaat voor zuinig en milieuvriendelijker met de [wiki]Boeing 787|787[/wiki].

[h3]Naamgeving[/h3]
Hoewel er veel luchtvaartuigen zijn, noemt men ze niet allemaal vliegtuig. Een [wiki]helikopter[/wiki] en een [wiki]autogyro[/wiki] (toestellen met roterende draagvlakken) gelden voor de Nederlandse wetgeving als vliegtuig. Een zweefvliegtuig echter niet. In de volksmond geldt een helikopter niet als vliegtuig en een zweefvliegtuig wel. Toestellen die lichter zijn dan lucht, dat zijn dus de ballonnen en [wiki]luchtschip|luchtschepen[/wiki], gelden ook niet als vliegtuigen.

[h3]Hoe vliegt een vliegtuig?[/h3][div=float: right; width: 200px;]

Bedieningsorganen en roeren

[wiki]Rollen[/wiki] met [wiki]rolroer|rolroeren[/wiki]

[wiki]Stampen[/wiki] met het [wiki]hoogteroer[/wiki]

[wiki]Gieren[/wiki]met het [wiki]richtingsroer[/wiki]

[/div]

Een vliegtuig, in de klassieke zin, kan vliegen dankzij zijn voorwaartse snelheid. Als de vleugel met de voorrand iets omhoog in de wind staat, ontstaat er door de beweging een reactiekracht die het vliegtuig omhoog drukt, de zogenaamde lift of draagkracht. Deze lift compenseert het gewicht (als gevolg van de zwaartekracht) van het vliegtuig. Zolang het vliegtuig dus voldoende snelheid heeft, blijft het in de lucht. De kracht van de lift kan berekend worden met de volgende formule:

Hierin is:

L = Liftkracht [N]

V = snelheid [m s-1] van de lucht ten opzichte van het vliegtuig.

ρ = dichtheid [kg m-3] van de lucht.
S = Oppervlakte van de vleugel.
Cl = Liftcoëfficiënt.

De liftcoëfficiënt hangt af van zowel de eigenschappen van het vleugelprofiel, als van de [wiki]invalshoek[/wiki]. Ook hoe groter de invalshoek, hoe groter de liftkracht en, zie formule, hoe groter het vleugeloppervlak of de snelheid is, hoe groter de lift is. Als nu een vliegtuig gaat landen, moet het langzamer gaan vliegen. Daardoor neemt de liftkracht sterk af (2 x zo langzaam, 4 keer minder lift, want kwadraat!), terwijl het gewicht vrijwel gelijk blijft. Een beetje minder lift is gewenst omdat het vliegtuig naar beneden moet, maar om te voorkomen dat het vliegtuig neerstort, moet de lift ondanks de lagere snelheid toch ongeveer gelijk blijven. Dit kan op twee manieren: de invalshoek vergroten door met de neus iets omhoog rechtuit te vliegen, of door de vleugelvorm sterker te krommen.

Het is daarom dat een vliegtuig voor het landen eerst langzaam vliegend met de neus omhoog komt aangevlogen. Om nog langzamer te kunnen vliegen steekt hij zijn [wiki]welvingsklep|welvingskleppen[/wiki] (Eng. flaps) uit waardoor het vleugeloppervlak krommer en groter wordt en dus de liftcoëfficiënt weer toeneemt. Zo behoudt het vliegtuig bij dalende snelheid een liftkracht die gelijk is aan zijn gewicht. De schuine stand en de welvingskleppen zorgen wel voor veel meer [wiki]luchtweerstand[/wiki]. Deze moet gecompenseerd worden met een hogere stuwkracht van de motor. Hoe langzamer het vliegtuig vliegt, hoe boller en schuiner de vleugel moet staan, hoe meer vliegweerstand er is en hoe harder de motor moet draaien (in tegenstelling tot rijden, dat kost minder energie naarmate de snelheid lager is).

Daar ook de luchtdichtheid een rol speelt, heeft dit invloed op het opstijgen en landen op een hoogvlakte of bij hitte, en op de lengte van de start en landingsbaan. Op grote hoogte of bij grote hitte is de lucht veel ijler en heeft het vliegtuig een veel langere startbaan nodig om zo snel te kunnen rijden dat de liftkracht groter is dan het gewicht. Bij voldoende snelheid brengt de [wiki]piloot[/wiki] met het staartvlak de neus omhoog waardoor met de hoek ook de lift op de vleugel toeneemt. Die enorme lifttoename is nodig om het gigantische gewicht van het vliegtuig omhoog te krijgen.

[h3]Laminair en turbulent[/h3]
De stroming langs een vleugel(-profiel) zal in eerste instantie laminair zijn. Daarbij stroomt de lucht keurig in laagjes langs het vleugeloppervlak. Hoe dichter op de vleugel, hoe langzamer (gemeten vanaf de vleugel) de lucht in het laagje beweegt. Deze vorm van stroming levert de kleinste profielweerstand op. Om met minimale weerstand te kunnen vliegen en dus grote afstanden af te kunnen leggen hebben bijvoorbeeld zweefvliegtuigen een zogenaamd laminair profiel.

Laminaire stroming slaat om in een turbulente stroming naarmate hij verder over de vleugel gaat. Turbulente stroming is een stroming waarbij de deeltjes gemiddeld wel dezelfde kant op gaan, maar ook in alle mogelijke richtingen bewegen. Bij turbulente stroming is de weerstand veel groter dan bij laminaire stroming, doordat bij turbulentie de lucht wild mengt en op die manier, vanaf de grond gemeten, veel meer stilstaande luchtdeeltjes op de bewegende vleugel laat botsen dan bij laminaire stroming. Deze remmen dus de vleugel sterker af. Echter heeft turbulente stroming het voordeel dat het later van de vleugel zal loslaten (zie hieronder voor loslating). Daarom hebben moderne verkeersvliegtuigen vaak kleine, enkele centimeters grote, 'spoilers' op hun vleugels. Deze maken de laminaire stroming op een gewenst punt turbulent zodat er uiteindelijk minder stuwkracht nodig is voor eenzelfde snelheid/lift.

Uiteraard is een laminaire stroming die later loslaat nog gewenster; dit kan onder andere worden bereikt met zogenaamde grenslaagafzuiging. De laag lucht het dichtst bij de vleugel is de grenslaag. Als deze laag van binnen uit de vleugel weggezogen wordt op het punt dat deze turbulent wil worden, is het mogelijk de gehele stroming langer laminair te houden. Er kan hiermee bij zweefvliegtuigen een verdubbeling van de prestaties worden bereikt. Dit is al enkele tientallen jaren geleden bedacht, maar de techniek is nog niet toepasbaar door technische moeilijkheden.

Het al dan niet hebben van een turbulente stroming rond een vleugel heeft niets te maken met wat in de volksmond [wiki]turbulentie[/wiki] wordt genoemd. Dit is namelijk het vliegen door instabiele en dus turbulente lucht en is een meteorologisch verschijnsel.

[div=float: right; width: 260px;]

Normale vlucht en overtrek

[/div]
[h3]Loslating en overtrekken[/h3]
Vooral bij relatief lage snelheden en hoge invalshoeken (de hoek tussen het profiel en de luchtstroom) kan een stroming op een zeker moment niet langer het profiel volgen. De stroming laat dan los wat resulteert in een kolkende stroming boven/achter de schuinstaande vleugel. De kolkende stroming verlaagt de stroomsnelheid over de vleugel en verlaagt zo de onderdruk boven de vleugel. De vleugel verliest dus lift. We spreken in zo'n geval van een overtrokken vleugel. Een overtrokken vleugel geeft nauwelijks nog lift en veroorzaakt relatief grote weerstand. Een vliegtuig dat overtrokken raakt zal veel snelheid en hoogte verliezen. Met spreekt dan van een [wiki]overtrek|overtrokken vlucht[/wiki] of in het Engels stall. Meestal overtrekt één vleugel iets eerder dan de andere en dan valt die vleugel als eerste weg en kan het vliegtuig in een [wiki]tolvlucht[/wiki] geraken. Na een overtrek kan in de duikvlucht snelheid worden opgepikt om een normale vlucht te kunnen voortzetten. Onder normale omstandigheden en bij voldoende hoogte hoeft het overtrekken geen probleem op te leveren. Als het vliegtuig echter te ver doorslaat in deze overtrekking komt het in een zogenaamde 'diepe overtrekking' (Eng. deep stall), te zien op de afbeelding hiernaast. In deze situatie zit het [wiki]stabilo[/wiki], en daarmee ook het [wiki]hoogteroer[/wiki], in het turbulente zog van de hoofdvleugel en zal daardoor geen lift geven. Doordat het roer ook geen lift geeft, kan de piloot het ook niet meer gebruiken om weer recht te vliegen en kan het vliegtuig dus onbestuurbaar worden. Vooral vliegtuigen met een zogenaamde T-staart, zoals op deze afbeelding, hebben hier last van.

Belangrijk om te beseffen is dat een licht turbulente, maar niet losgelaten stroming minder snel loslaat dan een keurige laminaire stroming. Daarom zijn de meeste vliegtuigvleugels voorzien van zogenaamde turbulente profielen of van verstoorders (Eng. vortex generators), die een turbulente stroming veroorzaken. Dit zijn de kleine vinnetjes die men meestal bovenvoor op de vleugel ziet zitten. Hierdoor wordt het moment waarop het vliegtuig overtrekt uitgesteld.

Een andere voorziening is een kleinere invalshoek van het stabilo waardoor deze niet als eerste overtrekt en het vliegtuig in een voorwaartse duik omlaag duwt. Hierdoor is tevens een stabiele vlucht mogelijk. Bij een vliegtuig zonder dragende vleugels die voldoende lift leveren zoals bij de Starfighter ligt dat anders.

De overtreksnelheid is voor elk vliegtuig anders en wordt mede beïnvloed door de lading, de verdeling van de lading en de conditie van de vleugels (bijvoorbeeld ijsafzetting).

[h3]Motoren[/h3]
Om een vliegtuig aan te drijven wordt in het algemeen een motor gebruikt. Tegenwoordig (2006) zijn er zeven types motoren in gebruik:

[h4]Propelleraandrijving[/h4]

• een [wiki]zuigermotor[/wiki] (zie [wiki]stermotor[/wiki], radiaalmotor) die een [wiki]propeller aandrijft[/wiki], efficiënt tot ongeveer 250 km/h, hoe sneller hoe minder trekkracht
• de [wiki]turbopropeller[/wiki]: een straalmotor zonder stuwkracht die een propeller aandrijft, efficiënt tot 450km/h, hoe sneller hoe minder trekkracht

[h4]Straalaandrijving[/h4]

• de [wiki]turbofan[/wiki]: een straalmotor met stuwkracht die een veelbladige propeller (Eng. fan) in een grote koker met stilstaande schoepen (Eng. vanes) aandrijft, dankzij ingepakte propellers zeer efficiënt tot 1000 km/h, bovendien relatief stil dankzij langzame propellerlucht die om snelstromende uitlaatlucht stroomt, voor grote verkeersmachines, weinig afname stuw/trekkracht met snelheid
• de [wiki]straalmotor[/wiki]: met een compressor aangedreven door een uitlaatturbine, stuwkracht door zeer snel uitstromende hete lucht, licht en eenvoudig maar inefficiënt en lawaaierig, voor kleine verkeersmachines en gevechtsvliegtuigen, vrijwel constante stuwkracht
• de [wiki]ramjet[/wiki]: een straalmotor zonder compressor voor snelheden van mach 2 tot mach 6. De inkomende lucht wordt gecomprimeerd door de vliegsnelheid en gemengd met brandstof. Door kleppen komt het mengsel in de verbrandingskamer waar het wordt ontstoken. De verbrandingsgassen worden door de expansie met hoge snelheid door de uitlaat geblazen, dit geeft de stuwkracht. Door een lange uitlaatbuis te gebruiken wordt door de massatraagheid van de uitstromende lucht een onderdruk in de verbrandingskamer veroorzaakt waardoor weer nieuw mengsel wordt aangezogen.
• de [wiki]scramjet[/wiki]: een straalmotor zonder compressor voor snelheden van mach 5 tot mach 20
• de [wiki]raketmotor[/wiki] gebruikt geen buitenlucht voor verbranding maar een meegenomen oxidator (bv. vloeibare zuurstof of ammoniumperchloraat, zoals in de Space Shuttle) en wordt vooral in ruimteschepen en raketwapens gebruikt. Bij raketvliegtuigen wordt de voortstuwing uitsluitend verkregen door een raketmotor die de machine de benodigde snelheid geeft. Deze is zo krachtig dat een vleugel niet of slechts zeer miniem aanwezig behoeft te zijn.

[h4]Geen aandrijving[/h4]

Er bestaan ook vliegtuigen zonder motor, de zweefvliegtuigen. Bij deze vliegtuigen wordt snelheid gemaakt door onder een kleine hoek te dalen. Het is dus alsof een zweefvliegtuig steeds van een helling afglijdt. Om toch lang in de lucht te blijven, maakt de piloot van een zweefvliegtuig gebruik van opstijgende lucht: [wiki]thermiek[/wiki], [wiki]hellingstijgwind[/wiki] of [wiki]golfwind[/wiki]. De hoek waaronder een zweefvliegtuig het beste kan vliegen is de zogenaamde (Cl/Cd)max. verhouding. Deze hoek wordt ook het glijgetal genoemd. Zweefvliegtuigen kunnen een veel hoger glijgetal halen dan passagiersvliegtuigen; namelijk rond de 60. Een glijgetal van 60 betekent dat wanneer men 1 meter daalt men 60 meter horizontaal vooruit komt.

[h3]Milieuaspecten[/h3]

Het gebruik van vliegtuigen heeft een aantal veelbesproken negatieve consequenties ten aanzien van het leefmilieu:

• De geluidsoverlast die zij veroorzaken voor mensen die in de wijde omgeving van vliegvelden wonen, is een voortdurende bron van zorg, ook op het politieke vlak.
• De luchtvaartindustrie wordt verantwoordelijk geacht voor 2-5 % van de wereldwijde emissie van broeikasgas.
• Het brandstofverbruik van vliegtuigen is hoog en dit zal steeds bezwaarlijker worden, vanwege de problematiek van het broeikaseffect en het op den duur uitgeput raken van de oliebronnen.
• De moderne vliegtuigmotoren (gasturbines) produceren na de verbranding CO2 en NOx. Verlaging van CO2 uitstoot geeft verhoging van de NOx uitstuit en vice versa. Bij oude gasturbinemotoren als de JT-3 kwam ook Zwavel (S) vrij. Ook de verbranding was slecht, waardoor zwarte rookwolken ontstonden. Dit is verbeterd bij moderne gasturbines.
• Hoogvliegende vliegtuigen veroorzaken kunstmatige wolken, [wiki]condensspoor|condenssporen[/wiki] genoemd. Deze wolken beïnvloeden het weer.