Basis theorie air data en aerodynamica

In de wereld van de luchtvaart is er een standaard atmosfeer afgesproken. Dit is gedaan om de instrumenten te ijken die op luchtdruk werken. Om de werking van deze instrumenten te begrijpen is het noodzakelijk om een lichte kennis van air data en aerodynamica te hebben. In de basic six zijn er drie instrumenten die op luchtdruk werken namelijk:

• Airspeed Indicator
• Altimeter
• Vertical Speed Indicator

Maar eerst is het noodzakelijk om de basiskennis van aerodynamica en air data te beheersen.

• Atmosfeer
  
• Soorten luchtdrukken
  
• Natuurkundige wetten
  
• Luchtdruk meetinstrumenten
  

Atmosfeer

De aarde wordt omringd door de atmosfeer, ofterwijl lucht. De atmosfeer bestaat uit een mengsel van verschillende gassen (stikstof (78%), zuurstof (21%) en edelgassen (1%)) wat door de zwaartekracht van de aarde om de aarde blijft hangen. Zonder lucht zou vliegen onmogelijk zijn. De atmosfeer bestaat uit vijf lagen, aangezien de maximale hoogte voor airliners ongeveer 46.000 ft. (≈ 14 km) is, betekent dat alleen de eerste twee lagen van de atmosfeer, de troposfeer en de stratosfeer voor dit verslag van belang zijn.
Een belangrijk eigenschap van de atmosfeer is dat de luchtdruk, luchtdichtheid en temperatuur (temperatuur alleen in de troposfeer) afnemen naarmate men verder van de aarde verwijderd is. In 1964 heeft de ICAO standaard waarden vastgelegd van de atmosfeer, dit is nodig om instrumenten te ijken, de drie air data instrumenten zijn op deze standaard waarden ingesteld. De naam van dit rekenmodel heet International Standard Atmosphere (ISA). Hierbij gaat men uit van een aantal standaard waarden.

Soorten luchtdrukken

De drie luchtdrukinstrumenten komen aan hun waardes door verschillende luchtdrukken te meten: de statische druk, de totale druk en de dynamische druk.

• De statische druk (Ps): de statische druk is alleen afhankelijk van de hoogte, niet van de snelheid, er is altijd een statische druk, ook als het vliegtuig stilstaat (hoe hoger, hoe lager de statische druk). Deze wordt door de statische poort gemeten.
• De totale druk (Pt): is de dynamische druk en de statische druk bij elkaar opgeteld. Deze wordt door de pitotbuis gemeten.
• De dynamische druk (Pd): de luchtdruk die de “wind” (dus lucht) uitoefent op het vliegtuig, deze wordt dus veel hoger naarmate het vliegtuig sneller gaat. Deze wordt niet gemeten maar deze wordt verkregen door de statische druk van de totale druk af te trekken.

Natuurkundige wetten

Er zijn twee natuurkundige wetten in de luchtvaart die erg van belang zijn voor de meting van luchtdrukken. Dit omdat je deze wetten vaak gebruikt in de luchtvaart om allerlei dingen uit te rekenen.

• Continuïteitswet
• Wet van Bernoulli

Continuïteitswet

De continuïteitswet geeft aan dat de energie nooit verloren gaat voor een onsamendrukbare, stationaire, wrijvingloze stroming. De massastroom die een stroombuis ingaat, zal gelijk zijn als de massastroom die een stroombuis uitgaat. Het oppervlak (A) wordt vermenigvuldigd met het volume (V) van de luchtstroom die de buis ingaat en de dichtheid (ρ).
De continuïteitswet wordt geformuleerd als: A1 ∙ V1 ∙ ρ1 = A2 ∙ V2 ∙ ρ2
Omdat bij een onsamendrukbare stroming de dichtheid (ρ) constant is, krijgen we een formule waarin we de dichtheid weglaten.
Dus A1 ∙ V1 = A2 ∙ V2

Wet van Bernoulli

Omdat in de wet van Bernoulli de dynamische druk en de statische druk voorkomen en de dynamische druk evenredig is met zaken als lift en weerstand van een vliegtuig, is deze wet zeer belangrijk voor de luchtvaart. De dynamische druk is immers niks anders dan de hoeveelheid kinetische energie die in de lucht zit. Aan deze formule kan er ook geconcludeerd worden dat de totale druk de som is van statische druk plus dynamische druk en dat de totale druk altijd constant blijft (wordt de dynamische druk groter, dan wordt de statische druk dus lager).
De wet van Bernoulli luidt als volgt: 1/2ρv² + ρgh + p = constant
ρ = dichtheid (kg/m³)
v = snelheid (m/s)
g = valversnelling (m/s²) deze is op aarde ongeveer 9,81
h = hoogteverschil (m)
p = druk (Pa)

Luchtdruk meetinstrumenten

De dynamische en statische druk wordt bij een vliegtuig door twee meetinstrumenten gemeten:

• De pitotbuis
• De statische poort

De pitotbuis

De pitotbuis zit meestal aan de onderkant van de vleugel of zover mogelijk voorop, vlakbij het raam van de cockpit. De ingang van de pitotbuis moet in de ongestoorde luchtstroom zitten, daarom steekt de pitotbuis een stukje uit, zodat de ingang niet in de gestoorde luchtstroom van het vliegtuig zit. De ingang van de pitotbuis wijst in de vliegrichting van het vliegtuig, zodat de snelheid van de lucht die erin komt gelijk staat aan de snelheid van het vliegtuig ten opzichte van de lucht om dat moment. De pitotbuis wordt dus alleen gebruikt om de snelheid weer te geven (in combinatie met de statische poort). De druk die in de pitotbuis komt is de totale druk. Door de statische druk (die de statische poort meet) van de totale druk af te trekken houd je de dynamische druk over. Om te zorgen dat de pitotbuis niet bevriest door vochtige lucht, is er een verwarmingselement bevestigd.

De statische poort

De statische poort is een kleine opening in de romp van een vliegtuig, die haaks op de vliegrichting staat. De statische poort meet de statische druk en deze moet daarbij dus niet afhankelijk zijn van de dynamische druk (snelheid van de lucht). Door de opening komt dus alleen de statische druk binnen, waaruit je uiteindelijk de hoogte, verticale snelheid (snelheid van het drukverschil) en de snelheid (in combinatie met de pitotbuis) komt te weten. Bij vliegtuigen zit er aan beide kanten minimaal één statische poort bevestigd. Meestal zijn er bij de grotere vliegtuigen aan elke kant meerdere statische poorten bevestigd. Op deze manier kan het gemiddelde worden berekent om zo evengoed een correcte meeting te krijgen. Mocht de primaire statische poort uitvallen, dan is er nog een back-up systeem. Het is een mogelijkheid om de pitotbuis en de statische poort de combineren. Dan is er in de pitotbuis een kleine opening gebracht (in de zijkant), dit is de statische poort. De statische druk komt in een apart buisje van de dynamische druk.