Vliegtuig

Een vliegtuig is een luchtvaartuig dat kan opstijgen omdat zijn statische vleugeloppelvlakken door verplaatsing door de lucht lift opwekken. Hierdoor wordt het mogelijk gemaakt om een controleerbare vlucht te maken. Het vliegtuig blijft derhalve in de lucht doordat het voorwaartse snelheid heeft. Een vliegtuig onderscheidt zich van een luchtschip in het algemeen doordat het zwaarder is dan lucht.

Naamgeving

Hoewel er veel luchtvaartuigen zijn, noemt men ze niet allemaal vliegtuig. Hieronder vallen namelijk ook de helikopter, een toestel met roterende draagvlakken, de zeppelin, welke nagenoeg even zwaar is als lucht, de heteluchtballon, welke lichter is dan lucht en tenslotte de toestellen zonder vaste draagvlakken; de deltavliegers en sommige ultralichte vliegtuigen.

Hoe vliegt een vliegtuig?

Een vliegtuig, in de klassieke zin, kan vliegen dankzij zijn voorwaartse snelheid. Daardoor stroomt lucht over en onder de vleugel langs. Als de vleugel met de voorrand iets omhoog in de wind staat, of als de vleugel van boven bol en van onder vlak is, stroomt de wind bovenlangs sneller dan onderlangs. Hierdoor ontstaat aan de bovenkant van de vleugel een onderdruk (het principe van Bernoulli) die de opwaartse kracht veroorzaakt, 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:

\rm{}Lift = \frac{\rm{} luchtdichtheid \cdot liftco \ddot{e} ffici \ddot{e} nt \cdot vleugeloppervlakte \cdot  luchtsnelheid^2}{2}

De liftcoëfficiënt hangt af van zowel de eigenschappen van het vleugelprofiel, als van de invalshoek. 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 gelijkblijven. 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 welvingskleppen (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 luchtweerstand. 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. (Rijden kost daarentegen 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 kunnen te rijden, dat de liftkracht groter is dan het gewicht. Op het einde van de startbaan overigens gooit de piloot met het staartvlak de neus omhoog waardoor de lift op de vleugel met de hoek ook omhoog vliegt. Die enorme lifttoename is nodig om het gigantische gewicht van het vliegtuig opgang en zo omhoog te krijgen.

Laminair en turbulent

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.

Echter laminaire stroming kan omslaan in een turbulente stroming, 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, omdat 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. Het al of niet hebben van een turbulente stroming rond een vleugel heeft niets te maken met wat in de volksmond turbulentie wordt genoemd. Dit is namelijk het vliegen door instabiele en dus turbulente lucht en is een meteorologisch verschijnsel.

Loslating en overtrekken

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 overtrokken vlucht of in het Engels stall. Meestal overtrekt één vleugel als eerste en dan "valt" die vleugel als eerste omlaag weg en kan het vliegtuig in een tolvlucht geraken.

Belangrijk om te beseffen is dat een licht turbulente, maar niet losgelaten stroming minder snel loslaat als een keurige laminaire stroming. Daarom zijn de meeste vliegtuigvleugels zogenaamde turbulente profielen of voorzien van verstoorders welke een turbulente stroming veroorzaken. Dit zijn de kleine vinnetjes die je 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 staartvlak waardoor deze niet als eerste overtrekt en het vliegtuig in een voorwaartse duik omlaag "duwt". Hierdoor is tevens een stabiele vlucht mogelijk. Na een stall 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. 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).

Motoren

Om het vliegtuig een snelheid te geven wordt in het algemeen een motor gebruikt. Tegenwoordig (2004) zijn er zes types motoren in gebruik:

een zuigermotor (zie stermotor, radiaalmotor) die een propeller aandrijft, efficiënt tot ongeveer 250 km/h, hoe sneller hoe minder trekkracht,
de turbopropeller: een straalmotor zonder stuwkracht die een propeller aandrijft, efficiënt tot 450km/h, hoe sneller hoe minder trekkracht,
de turbofan: een straalmotor met stuwkracht die een veelbladige propellor in een grote koker met stilstaande propellers aandrijft, dankzij ingepakte propellers zeer efficient 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 straalmotor: met een compressor aangedreven door een uitlaatturbine, stuwkracht door zeer snel uitstromende hete lucht, licht en eenvoudig maar inëfficient en lawaaierig, voor kleine verkeersmachines en gevechtsvliegtuigen, vrijwel constante stuwkracht
de ramjet
de raketmotor gebruikt als oxidator een ander middel dan zuurstof en wordt in principe in ruimteschepen gebruikt.

Er bestaan ook vliegtuigen zonder motor, de zweefvliegtuigen. Bij deze vliegtuigen wordt de snelheid gemaakt door onder een kleine hoek te dalen. De piloot van een zweefvliegtuig probeert tevens gebruik te maken van thermiek. Thermiek is warme lucht die naar boven stijgt. Door rondjes te draaien in de thermiekbellen kan het zweefvliegtuig hoger komen. Daardoor kan het zweefvliegtuig langer in de lucht blijven, en grote afstanden afleggen.

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.