Några problem i samband med SAAB-21
Vingpennor Augusti 1945
Några problem i samband med
SAAB-21
I denna artikel av chefen för projekt- och beräkningsavdelningen vid SAAB, civilingenjör Frid Wänström, ges en kortfattad översikt av det projekt-och forskningsarbete, som utförts vid SAAB i samband med tillkomsten av det nya jaktflygplanet typ SAAB-21, 1 senare nummer av Vingpennor kommer vissa delar härav att mera ingående behandlas.
Civilingenjör Frid Wänström
I projektarbetet för en ny flygplanstyp brukar innefattas förutom utkasten till flygplanets allmänna utformning och konstruktion även preliminära aerodynamiska-, hållfasthets- och viktberäkningar samt vindtunnelundersökningar och tillverkning av en första attrapp. Jag skall dock icke här uppehålla mig vid detta arbetes organisation, istället skall jag framlägga några av dess resultat genom att redogöra för motiven till den ovanliga utformningen av vårt senaste jaktflygplan typ SAAB-2l samt visa hur vissa väsentliga problem å detta flygplan funnit sin lösning.
Innehåll
Varför skjutande propeller?
Av ett modernt jaktflygplan fordras i första hand hög hastighet och stigförmåga samt kraftig beväpning, Vidare eftersträvas god sikt, stabilitet och manöverförmåga samt förstklassiga start- och landningsegenskaper.
I ett enmotorigt jaktflygplan av konventionellt utförande blir emellertid sikten, beväpningen och landningsegenskaperna ej de bästa tänkbara. Av tyngdpunktsskäl måste föraren placeras tämligen långt tillbaka, varigenom den långa motorhuven och vingen komma att i hög grad skymma sikten framåt och nedåt. Vid körning på marken är föraren fullständigt blind rakt framåt Beväpningen måste placeras så långt ut på vingarna, så att skotten gå väl fria från propellerfältet, härigenom uppstår svårigheter med skottställningarna för olika avstånd. Vid eldavbrott å ett vapen uppstå så stora girmoment, att siktningen försvåras och träffsannolikheten blir ringa. Motorn hindrar även en installation av indragbart nosställ, och i ett flygplan med sporrhjul kan instabilitet på marken (= groundlooptendens) samt dålig sikt och risk för överslag och studs vid landningen ej undvikas.
Det är motorns och propellerns placering i nosen av flygkroppen på det konventionella flygplanet, som är orsaken till ovan angivna mindre goda egenskaper. För att förbättra dessa är det nödvändigt att flytta motoranläggningen bakom föraren. Har man väl beslutat sig härför blir den naturliga lösningen att låta stjärtpartiet uppbäras av tvenne bommar, i vilka huvudställen dras in samt att i kroppsnosen bereda plats för en kraftig central beväpning och ett noshjul. Samtliga förut påtalade svårigheter hos det konventionella jaktflygplanet äro därmed i hög grad förbättrade. Grunddragen i SAAB-21:s konstruktion äro även motiverade och fastställda. I fortsättningen skall jag redogöra för vissa större problem i samband med detta projekt och dessas lösning, En del kunna anses som typiska för projekt- och forskningsarbetet vid SAAB, medan andra äro mera speciella för just flygplan typ SAAB-21.
Hastighetsprofil
För att uppnå de höga hastigheter, som äro karakteristiska för moderna jaktflygplan, stod det tidigt klart för oss att speciella vingprofiler, s k hastighetsprofiler, äro nödvändiga. Dels gäller det att söka erhålla laminärströmning å en så stor del av vingytan som möjligt för att motståndet skall bli lågt, dels måste man uppskjuta uppkomsten av s k kompressionsstötar till så höga flyg- och dykhastigheter som möjligt.
Luftens hastighet längs profilkonturen varierar och är störst å nospartiet, där ljudhastigheten uppnås långt innan flyghastigheten nått detta värde. En kompressionsstöt inträffar när den lokala lufthastigheten överskrider ljudets och medför bl. a en enorm motståndsökning samt ändrade profilegenskaper. Detta kan ibland visa sig i form av svåra skakningar eller svårigheter att hålla flygplanet i en brant dykning eller ta det ur en dylik.
Omfattande beräkningar och vindtunnelförsök visade att bl. a en förskjutning av profilernas maximala tjocklek och välvning längre bakåt i förhållande till tidigare använda profiler gav förbättrade resultat i berörda avseende. En mindre tjocklek och nosradie inverkade även fördelaktigt men tenderar till sänkning av max lyftkraft, vilket medför högre landningshastighet eller större vingyta. Den profil vi år 1942 beslöt oss för att använda på SAAB-2l visas i fig. 2, och som synes är den mycket lik den i år offentliggjorda profilen på det engelska flygplanet Hawker "Tempest". Dess lyftkraft är obetydligt lägre än en vanlig profils och dess motståndsvärden enligt vindtunnelprov vid KTH avsevärt bättre vid hastighetsflygning. Se fig. 3. Det var med en viss tvekan vi beslöt oss för denna profil, enär vi ej hade tid eller möjlighet att utföra prov i full skala eller i höghastighetstunnel. Det fanns ingen sådan i Sverige då. Flygprov å det färdiga flygplanet ha dock infriat våra förväntningar, som kanske framgår av det följande:
Vindtunnelförsök
På hela flygplanet gjorde vi vindtunnelförsök i två etapper; först med en liten modell i skala 1: 10, som undersöktes i Tekniska Högskolans vindtunnel, och sedan med en större och fullständigare i skala 1:4,5 för undersökning vid Flygtekniska Försöksanstalten (fig. 5). Båda modellerna utfördes med i kroppen inbyggda el-motorer, så att inverkan av löpande propeller kunde studeras. De modifikationer, som visade sig erforderliga å den lilla modellen, inbyggdes redan från början i den stora. Av de erfarenheter vi gjorde vid vindtunnelförsöken vill jag omnämna följande: Med den pilform å vingen, som är nödvändig på SAAB-21 av tyngdpunktsskäl, måste vingens spetskorda göras relativt stor för att vingen skall bli "tipstall"-säker.
Stjärtbommarnas interferensmotstånd var förvånansvärt litet, ca 3-4 %, beroende på anfallsvinkeln, medan vanliga motorgondoler bruka ge upp till ca 15 % av totalmotståndet. Av olika undersökta kylararrangement var de i vingarna helt inbyggda kylarna markerat överlägsna alla andra anordningar ur motståndssynpunkt. Utformningen av kylluftsintaget i vingnosen så att god fyllning i kylarkanalen erhölls samtidigt som vingprofilens lyftkraft och tidigare omnämnda hastighetsegenskaper bibehölls, fordrade omfattande specialförsök. Den totala propellerverkningsgraden visade sig god speciellt vid stigning, delvis beroende på att det är så liten del av flygplanet, som utsättes för slipströmmen. På ett konventionellt flygplan sveper den turbulenta propellerströmmen över hela kroppen och stjärtpartiet samt en stor del av vingen, att försöka erhålla någon laminär strömning på dessa partier lönar sig därför knappast.
Stabilitet och roderverkan voro vid vindtunnelförsöken fullt tillräckliga utom beträffande sidstabiliteten. Vi beredde oss därför på att öka sidstyrverkens yta. Vid provflygningarna visade det sig emellertid att sidostabiliteten var alldeles för stor, varför vi blevo nödsakade att minska dem avsevärt i stället. Förklaringen härtill är den, att den roterande propellern verkar som en skiva, som minskar stabiliteten, om den sitter framför tyngdpunkten, och ökar den om den är bakom densamma. Vi hade utfört sidostabilitetsundersökningen utan löpande propeller. Den aerodynamiska kvaliteten hos SAAB-21 belyses kanske bäst av det förhållandet att trots att flygplanets våta yta är 86 m^ och dess frontyta 5,2 m^, är dess totala skadliga motstånd ej större än en tvärställd plattas på 0,3 m^ Flygprov ha också visat, att max, hastigheten är ca 25 km/h större än den garanterade.
Speciella motor- och "pusher-" problem
I motorinstallationen på SAAB-21 mötte vi många nya problem; det var vår första installation av en vätskekyld motor och därtill utförd med skjutande propeller (pusher). Först gällde det att beräkna, konstruera och tillverka själva kylarna. Genom att tillföra dem av lättmetall, vilket så vitt jag vet tidigare endast tyskarna lyckats med, nedbringades vikten till under hälften av en liknande mässingskylares.
Den ur motståndssynpunkt gynnsamma placeringen av kylarna inne i mittvingen möjliggöres av att huvudställen kan fällas rakt bakåt i bommarna och att vingbalkarna här utförts i fackverkskonstruktion med strömlinjeformade stävor. Den första konstruktionen med kombinerade kyl- och vingklaffar var svår att få tillräckligt styv; kylklaffarna vill fjädra ut under dykning. På serieflygplanen har detta ändrats. Ett stort "pusher"-problem var markkylningen. Här finns ingen propellerslipström, som pressar luft genom kylarna vid uppkörning av motorn eller rullning på marken. En speciell markkylanläggning måste därför uppfinnas. Huvudelementet i denna utgöres av två fläktar, som pressar luft genom kylarna vid tomgång och måttliga motorvarv, och som kopplas ur under flygning. Till en början var kraftöverföringen till fläktarna hydraulisk, men då denna visade sig otillräcklig, har den senare ersatts med mekanisk överföring. Den driver fläktarna med 13.500 r/m när motorn går med 1.800. Då absorberas en effekt av ca 25 hk per fläkt. Installationen väger totalt ej mer än ca 40 kg. Som jämförelse kan nämnas att vid ett konventionellt flygplan med kylaren placerad i bakkroppen blir vikten av vätskan i de långa ledningarna ca 50 kg. Motsvarande vikt för SAAB-2l är ca 10 kg. Jämförande prov har visat att SAAB-2l har lika goda markkylegenskaper som många konventionellt byggda flygplan med vattenkylda motorer. Min uppfattning är, att flera utländska "pusher"-projekt stupat på att man förbisett eller ej tillfredsställande löst detta problem.
Ett annat "pusher"-problem var risken för propellervibrationer. Propellern arbetar ju i vingens vindskugga, och dess spetsar svepa förbi stjärtbommarna på endast några centimeters avstånd. På ett mycket tidigt stadium i projektarbetet gjordes försök i full skala med en träattrapp, som placerades på olika avstånd från propellern utan att något onormalt kunde upptäckas. På ett flygplan ha sedan ingående undersökningar gjorts bl. a genom mätning av fluktuationen i materialspänningen på elektrisk väg både under flygning och stillastående utan att något oroväckande kommit till synes. Ännu har ej heller inträffat några propellerbrott på något flygplan genom resonans- eller vibrationsfenomen. Bidragande orsaker till det lyckliga resultatet kan vara, att propellern är trebladig.
Fig 5 Vindtunnelmodell av Saab-21
Fig 6 Med denna trädocka utprovades stolutkastaren för Saab-21
Fig 7 Trädockan på väg ner efter luftturen
Fig 8 I denna vagn utsätts försökspersonen för acceleration 12 g, vilken är nästan det mesta en människa kan tåla
och att vinkeln mellan bommarna och propellercentrum ej är 180° utan just så stor att eventuellt av den ena bommen framkallade farliga bladsvängningar dämpas vid passage av den andra bommen. Av beräkningar framgår det att en fyrbladig propeller kan vara mer kritisk.
Avgasflammornas inverkan på propellern ha räknemässigt och praktiskt visat sig ofarliga. Det förefaller tvärtom som om den obetydliga uppvärmningen skulle vara nyttig och förhindra propellernedisning.
Fallskärmsutsprång
Från början av projektet stod det klart att fallskärmsutsprång på vanligt sätt ej gick att utföra med propellern malande som en köttkvarn tätt bakom föraren. Många förslag till lösning av detta problem ha undersökts, t, ex att före fallskärmsutsprånget skjuta bort propellern, eventuellt hela motorn, eller att flöjla propellern så att den står stilla. En bakvänd typ av bombgaffel som i kombination med luftdraget skulle svänga föraren fri från propellerfältet diskuterades även livligt en tid. Slutligen stannade vi för en av oss patenterad anordning, stolutkastaren, som skjuter ut föraren och stolen (Det har långt senare försports, att de tyska reaktionsflygplanen skulle vara utrustade med liknande anordning.)
Vid fallskärmsutsprång lösgör föraren först huven, som drar ut säkringen för stolutkastaren. Därefter drar han i ett handtag, varvid stolen med föraren skjutes ut med en så avvägd hastighet, att de gå säkert fria från propeller och stabilisator vid alla praktiskt förekommande flyghastigheter. För att bestämma den rätta kraften och förarens förmåga att fördraga utskjutningsacceleration ha omfattande prov gjorts på marken med både en trädocka och olika försökspersoner (se fig. 6, 7 och 8). På grund av det korta tidsmomentet utskjutningskraften varar har det visat sig, att föraren utan obehag kan tåla avsevärda accelerationer, Även i luften ha gjorts prov med utskjutning av trädockan, bl, a, från baksitsen av ett flygplan typ SAAB-17. Förloppet filmades från ett bredvidflygande flygplan (se fig. 9).
Utan särskilda anordningar kan en förare på grund av luftdraget knappast ta sig ur ett flygplan vid högre hastighet än 250 km/h såvida planet ej är så manöverdugligt att han kan vända det i ryggläge. Man vågar därför påstå, att föraren i SAAB-21 har större chanser att rädda sig med fallskärm än i ett konventionellt jaktflygplan.
Fig 9 Trädockan skjutes ut från Saab-17
Nosställ
Den litteratur som fanns tillgänglig när vi beslöt oss för att gå in för nosställ, var mycket knapphändig, Vi hade därför att själva forska ut ställets geometri, placering och påkänningar. För att kontrollera våra beräkningar byggdes en provvagn med samma dimensioner och tröghetsmoment som det projekterade flygplanet (se fig. 10). Den bogserades efter en bil i en lång lina, som kunde frikopplas. Otaliga körningar gjordes med detta ekipage på olika flygfält och vid olika markförhållanden. Nosställets geometri och jassdämpardon varierades, likaså provvagnens tyngdpunktsläge.
Av de erfarenheter som gjordes under proven kan här endast nämnas: beroende på nosställets geometri och hjulets elastiska egenskaper samt rullningshastigheten har noshjulet större eller mindre tendens till jassning. En jassdämpare och centreringsanordning måste anbringas. Dämpningsmomentet i denna måste vara så stort att full jassningsfrihet erhålles men samtidigt ej större än att manöverförmågan under markkörning blir tillfredsställande.
Nästa steg i utvecklingsarbetet var att förse ett flygplan av typ Sk14 med nosställ av den typ, som utexperimenterats på provvagnen, detta närmast för att provflygarna skulle få någon erfarenhet av start och landning med nosställ före första provflygningen med SAAB-21. Det samstämmiga omdömet av denna installation var att noshjulet helt motsvarade förväntningarna och att start och landning ej längre var någon konst.
Under flygningar med SAAB-2l ha fördelarna med nosställ ytterligare bekräftats, trots att det icke saknats olyckstillbud vid flera starter och landningar. Så hände det t, ex, vid en start, att ett av huvudhjulens däck exploderade. Landningen med utfällt ställ gick likväl så fint, att flygningarna kunde fortsättas, sedan man bara bytt ut det trasiga hjulet. En annan gång på vintern skar noshjulet genom isen på en vattensamling och bröts av. Flygplanet slog dock icke runt utan gled några tiotal meter på den förstärkta kroppsnosen. Den första starten blev nervpåfrestande lång, men senare ha under gynnsamma omständigheter starter med ända ned till 150 meters rullsträcka utförts.
Fladderberäkning
Med ökade hastigheter hos flygplanen speciellt vid långa dykningar ökas även risken för farliga
svängningar, s. k, fladder i vingar och stjärtparti. På SAAB:s beräkningsavdelning har sedan en längre tid en särskild grupp studerat fladderteorien och utvecklat omfattande beräkningsmetoder för att kunna bestämma kritiska hastigheter hos nykonstruktioner samt finna botemedel vid eventuell förekomst av fladder.
Det visade sig vid dykproven på SAAB-21 att över en viss hastighet skakningar började uppträda i stjärtpartiet. Tack vare de förberedande studierna kunde orsaken snart finnas och felet avhjälpas. Efter smärre modifikationer och förstyvningar av höjdtrimrodret och styrinrättningen försvann skakningarna.
Av beräkningarna framgår att risken för vingfladder är mindre för SAAB-2l än för ett flygplan av konventionell konstruktion. De långa stjärtbommarna, som äro styvt infästade ett gott stycke ut på vingen, verka i hög grad dämpande på farliga torsionssvängningar. Beräkningarna visa även att det skulle vara möjligt att taga bort massbalanseringen av skevrodren, vilket måste betecknas som unikt, då just skevrodrens utbalansering hittills ansetts som den första och viktigaste åtgärden mot vingfladder.
Vikt- och hållfasthetsberäkning
Viktberäkningen har berett oss rätt mycket bekymmer. Vid den första uppskattningen har man ju blott sin egen erfarenhet och jämförelsen med liknande typer att utgå ifrån. Vår egen erfarenhet av moderna jaktflygplan med vätskekylda motorer var mycket ringa och de viktuppgifter vi då hade om de utländska flygplanen visade sig sedermera vara ovederhäftiga. Vi kom därför att starta med en för lågt uppskattad flygvikt, och när allt efter konstruktionens framskridande noggrannare viktsberäkningar visade en högre flygvikt, fruktade vi ett tag att flygplanet skulle bli ovanligt tungt för sin klass mycket god.
Fig 10 Med denna underliga maskin utprovades landställets geometri, placering och påkänningar
Nästan det första som folk säger när de ser SAAB-2l första gången är att det verkar ganska lite inbjudande att göra ett fallskärmshopp från flygplanet, och man tycker sig se föraren passera propellerfältet som en kalvrulad glider igenom en sådan där apparat, som man gör skivor med i en charkuteribod. Här är inte platsen att närmare gå in på alla de förslag, som vi gjorde upp för att lösa det problemet, som t. ex, anbringandet av en dynamitladdning i propelleraxeln, men jag tror att vi stannade för den bästa metoden, nämligen utskjutning av både stol och förare med en krutladdning. Jag har ingen som helst längtan efter att komma i en sådan situation att jag skulle behöva kliva ur ett flygplan vid en hastighet av 600-700 km/h, men om jag skulle göra det, skulle jag nog hellre då vilja sitta i SAAB-2l och bränna av krutladdningen än riskera att bli hängande som ett häftplåster på fenan på ett konventionellt flygplan.
Landning med noshjul är ett kapitel för sig. Ett flygplan med noshjul behöver knappast landas i vanlig bemärkelse. Man flyger med betryggande hastighet direkt ner tills flygplanet rullar på marken, och eftersom flygplanet som förut nämnts är stabilt på marken, kan man faktiskt efter sättningen släppa allting, låta maskinen rulla rakt fram och bara bromsa om det behövs. Skulle det behövas, kan man förresten utan någon risk låsa bromsarna, för det är ju ingen fara för att flygplanet skall slå runt. Studsar i landningen, flygelevernas mardröm, äro uteslutna eftersom vingarnas anfallsvinkel minskas vid landningen och med den lyftkraften, så att när flygplanet en gång kommit ner på marken stannar det kvar där.
Ingenjör Anders Helgstrand, även han provflygare för Saab-21
Som jag nyss nämnde måste man komma upp över 300 km/h för att flygplanet skall lätta av sig själv, och den hastigheten har man ju knappast vid landningen.
Jag vet inte hur det kommer sig, men alla flygare äro litet konservativa av sig, och jag måste erkänna att jag var litet fundersam när jag första gången konfronterades med SAAB-2l. Men sedan vi kamperat ihop en tid kom vi bra överens, och jag är övertygad om att de förare som så småningom komma att få använda typen bli lika förtjusta i dess flygegenskaper som jag, så mycket mer som de från flygvapnet som hittills känt på SAAB-21 har varit av samma mening.
