A repülőgép kifejlesztése a XX század egyik nagy tudományos eredménye.

Ehhez a kiváló mérnöki teljesítményhez a természet repülőinek, a madaraknak a megfigyelése adott inspirációt.  

Az emberiségnek egyik legnagyobb álma volt, hogy a madarak ügyességével és kecsességével meghódítsa az eget. A görög legenda Ikarosza viaszból készített szárnyakkal repült az ég felé. Amikor azonban túl közel került a naphoz, megolvadt a viasz, a szerencsétlen Ikarosz lezuhant a mélybe, s halálát lelte.

Leonardo da Vinci, a nagy reneszánsz művész és feltaláló szintén megszállottja volt a repülés gondolatának. Számos rajzot hagyott hátra repülő masinák terveivel. De még vagy 400 év kellett hozzá, amíg lassanként fény derült a repülés titkára.

Az első repülési kísérletek gyakran tragédiával végződtek. A vállalkozó kedvű reménybeli pilóták némelyike házi készítésű szárnyakat kötött a karjára, s elszántan csapdosott vele, hogy elemelkedjék a földtől.

Ezek az elképesztő kísérletek kivétel nélkül kudarcot vallottak, mert a próbálkozók nem ismerték fel: a madár szárnyának alakja és mozgása egyaránt fontos abban, hogy a madár repülhet a levegőben.  

Fontos felfedezés: 1738-ban egy svájci matematikus és orvos, Daniel Bernoulli tette meg az első tényleges lépést az ég meghódításában. Rájött, hogy ha egy folyadék vagy gáz gyorsan áramlik, akkor kisebb a nyomása, mint lassú áramláskor.

Mivel a levegő gázok keveréke, ez a megállapítás a levegőre is érvényes. Ha a levegő találkozik egy madár mozgó szárnyaival, akkor részben felette, részben alatta áramlik el. Minthogy a szárny felső felülete ívelt, s így hosszabb, mint a laposabb alsó felület, a levegőnek a szárny fölött hosszabb utat kell megtennie. Ez megnöveli a szárny fölötti légáramlás sebességét, így a levegő a felső felületre nagyobb nyomást fejt ki, mint az alsóra; mindent összevéve a nyomáskülönbség felfelé hajtja a szárnyat. Ezt a nyomáskülönbséget (aero)dinamikai felhajtóerőnek nevezik.

A XIX. században a repülés sok úttörője használta fel ezt az elvet a primitív vitorlázó repülők megtervezésében. A „repülés atyjának” nevezett Sir George Cayley 1853-ban építette meg a világ első vitorlázó repülőjét és repült is vele. Később, a múlt század kilencvenes éveiben az amerikai Wright testvérek olyan szárnyat szerkesztettek, amellyel már jól lehetett kormányozni a repülőgépeket.

A géptörzstől elválasztott szárny keresztmetszete egy lapos felületen lefelé gördülő vízcsepp 901°-kal elforgatott képére emlékeztet.

Elöl, a „belépőélnél” vastagabb és lekerekített, hátul, a „kilépőélnél” viszont teljesen elvékonyodik; ezt az alakot szárnyszelvénynek nevezik. Ez a szárny fölé és alá terelt levegőáram jól példázza az említett Bernoulli-féle elvet.

Légörvénykeltés

A dinamikai felhajtóerőn kívül a levegő örvénylése is segíti a repülőgépszárny emelkedését.

A szárny felett áramló levegő a kilépőél elhagyása után visszakanyarodik, örvényleni kezd, mint a lyukon át lefolyó víz. Az ilyen légörvényt (turbulenciát) ,,kezdőörvénynek” hívják, s ez a kezdőörvény újabb örvényt kelt: az ellenörvényt. Ez éppoly erős, mint a kezdőörvény, de ellenkező irányba forog, s amikor a szárny alatt visszafelé áramlik, találkozik a fő légáramlattal, és lelassítja.

Az ellenörvény tovább gördül, a szárny belépőélénél felkanyarodik, majd csatlakozik a fő áramlathoz. Emiatt az alsó légáramlat lelassul, a felső viszont felgyorsul. Fent tehát csökken a nyomás, a szárny alatt viszont nő, s ez növeli a dinamikai felhajtóerőt.  

Emelkedj!

Aztán később az első aviátorok felfedezték, hogyan késztethetik repülésre a levegőnél nehezebb eszközöket, azt is ki kellett találniuk, hogyan hozzák létre az ehhez szükséges felhajtóerőt.

A léghajózásban rábízhatták ezt a levegőre, de ez esetben meg kellett keresniük a módját, hogyan érjék el a dinamikai felhajtóerő fellépéséhez szükséges sebességet.

Wilbur és Orville Wright egy apró, a lehető legkisebb súlyúra tervezett motorral oldotta meg ezt a problémát. Motorjukra szárnyszelvény profilú szárnyból álló légcsavart szereltek: ez függőleges síkban pörgött a gép elején. A pörgés által keltett levegőmozgást, azaz inkább a vele támadt erőt „vonóerőnek” nevezzük. Ez előre irányuló dinamikai felhajtóerőt kelt, s ez az erő hátrafelé tolja a levegőt, azaz előre mozgatja a gépet. A Wright testvérek 1903. december 17-én, Kitry Hawkban, Észak-Karolinában repültek először motoros repülőgépükön. Ez a Flyer nevű gép csak 36 métert tett meg – röpke 12 másodperc alatt -, de már sikeresen szemléltette a későbbi repülőgéptervezők által is felhasznált elvet.  

Modern sugárhajtóművek

A negyvenes években a repüléssel foglalkozó tudósok kifejlesztették a gázturbinás sugárhajtóművüket. Ez úgy kelt vonóerőt, hogy besűríti a levegőt egy központi kamrába, azt ott speciális üzemanyaggal, kerozinnal elegyítik, majd az elegyet begyújtják. Az ebből támadt robbanás gázáramot kelt, s ez a hajtómű végén kilépő gázáram előre hajtja a repülőgépet.

A sugárhajtóműves repülőgépek nagyobb sebességgel repülhetnek, mint a légcsavarosak, de sok üzemanyagot fogyasztanak, különösen kis sebességen. Ezért fejlesztették ki kompromisszumképpen a „légcsavaros gázturbinás hajtóművet”: sugárhajtóművel hajtják meg a légcsavart. Manapság leginkább a kétáramú gázturbinás sugárhajtóművek használatosak.

Ezeknek egy nagy, soklapátos csőlégcsavar van az elejükön, s az hátranyomja a levegőt a robbanástérbe. A hajtómű körül is mozgatja a levegőt, s ezzel olyan vonóerőt

kelt, mint egy közönséges légcsavar. A hajtómű végén gázsugár-terelőlapok vannak, ezek működésbe lépve visszafogják a tolóerőt, s gyorsan lelassítják a repülőgépet.

Ha a repülő már megfelelő sebességgel mozog ahhoz, hogy elég nagy legyen a dinamikai felhajtóerő, valamilyen módon irányítani, kormányozni is kell. A repülésnek hat alapmozzanata van: a felszállás, az emelkedés, a vízszintes repülés, az elfordulás, a süllyedés és a leszállás. Ezeket a mozgásokat a szárnyakon és az úgynevezett vezérsíkokon kialakított kormánylapokkal érik el; azoknak is szárnyprofil a keresztmetszetük, azaz dinamikai felhajtóerőt keltenek. Felszálláskor felemelkednek a szárnyak kilépőélén a féklapok, hogy növeljék a felületet és így fokozzák a dinamikai felhajtóerőt.

Felemelik a vízszintes vezérsíkon levő, „magassági kormánynak” nevezett lapokat is. Mindeközben a gép orra felfelé mutat, a farokrész süllyed, és a repülőgép égnek emelkedik. Nagyon fontos, hogy a gépnek e manőver megkezdése előtt már megfelelő

sebessége legyen. A féklapokat és a magassági kormányokat pontosan abban a pillanatban kell felemelni, amikor a dinamikai felhajtóerő kiegyenlíti a repülőgép súlyát, különben a repülőszerkezet sebességet veszít, s nem száll fel. Tekintetbe kell venni a „légellenállás” problémáját is. A repülőgép előre irányuló mozgása légellenállást kelt, s ez fékezi a gépet.

Minden mozgó testre hat ez az erő, de indukált légellenállásról csak a repülőgépekkel kapcsolatban beszélhetünk. Arról van szó, hogy a szárny fölötti légáram energiájának egy része hátrafelé terelődik, s így akadályozza a repülőgépet az előrehaladásban; ezt a jelenséget részben a szárny állásszöge, részben a légörvény okozza. A pilóta felszálláskor a féklapok lehajtásával ellensúlyozza a légellenállást. A repülőgép egy meghatározott szinten repül, s a haladás közben elég nagy a sebessége ahhoz, hogy a tolóerő meghaladja a légellenállást. Majd a kormánylapokat ismét felemelik, és a gép felemelkedik a végső magasságra. A gép akkor kész a vízszintes repülésre, amikor a felhajtóerő egyenlő a súllyal. 

A repülőgép fordulása

A repülőgép most célállomása felé repülhet, de eközben minden valószínűség szerint fordulnia is kell, hogy a megfelelő irányba haladjon. A repülőgépet más mozgatható kormánylapokkal, a szárnyakon levő úgynevezett „csűrőlapokkal” és a függőleges vezérsík részét alkotó oldalkormánylappal késztetik elfordulásra.

A csűrőlapok a szárny kilépőélén találhatók. Ha a pilóta balra akarja fordítani a gépet, akkor az ellenkező szárnyon, azaz a jobb oldalin leengedi a csűrőlapot, így ezen az oldalon megnöveli a dinamikai felhajtóerőt. Ezzel egy időben felemeli a bal oldali csűrőlapot, tehát azon az oldalon csökkenti a dinamikai felhajtóerőt. Amikor a gép balra dől, a csűrőlapokkal egyidejűleg balra fordítja az oldalkormánylapot, s ezzel teljessé válik a manőver. Azután, ha a repülőgép már a kívánt irányban áll, a pilóta visszaállítja a kormánylapokat eredeti helyzetükbe. Amint a repülőgép végcélja felé közelít, a pilótának lassan meg kell kezdeni a biztonságos leszállást. Ez nagyon összetett folyamat és nagyon pontosan kell végrehajtani, nehogy a gép váratlanul magasságot veszítsen. Ideális esetben a pilóta széllel szembe repül, mivel a levegő közvetlen áramlása segítségére van a gép kormányzásában. Az oldalszél gondot okozhat, mert oldalra térítheti a repülőgépet. Ezt „sodródásnak” nevezik és megnehezíti a manőverezést.  

Sima leszállás

A gép leszállítására a pilóta csökkenti a sebességet, leereszti a szárnylapokat, hogy lefelé mutasson az orr; ilyenkor csökken a dinamikai felhajtóerő, növekszik a légellenállás és a gép ereszkedni kezd. Ahogy a leszállópálya közelébe ér, felemelkednek a magassági kormánylapok, s működésbe lépnek a szárnyak belépőélén az „orrsegédszárnyak”. Ezek megnövelik a szárny felületét és fokozzák a felhajtóerőt. Ez az összetett hatás felfelé dönti a gépet, így a farokrész alacsonyabban van, mint az orr. Ez ellensúlyozza a sebességcsökkenésből adódó felhajtóerő-csökkenést. A repülőgép annyira lelassul, hogy egy rövid pillanatig szinte lebeg a leszállópálya felett. A sebesség csökkentésére újabb féklapokat hoznak működésbe a szárnyakon. Ezek a belépőélen vannak, és „spoilereknek” vagy légfékeknek nevezik őket. Légörvényt hoznak létre, s az örvények megnövelik a légellenállást, leküzdik a felhajtóerőt.  

A gép megállítása

Ezen a ponton kiengedik a repülőgép futóművét, s az tovább növeli a légellenállást. A gép fő futóműkerekeivel ér először földet. A magassági kormánylapokat leengedik, hogy a gép orra leereszkedjék, s az orrfutó is a leszállópályára kerüljön. A repülőgép most teljesen földet ért. A hajtóművekkel ellentétes irányú erőt keltenek és a féklapokat teljesen leengedik, hogy a légellenállás a lehető legnagyobb legyen. Behúzzák a kerékfékeket is, s a repülőgép végül is simán megáll.

Fel- és leszállás rövid kifutással   

A felszálláshoz általában hosszú kifutópálya kell, hogy a földön a repülőgép megfelelő sebességet kapjon, s a dinamikai felhajtóerő a levegőbe emelje. Néha ehhez nincs elegendő hely.

Az egyik módszer, amelyet a rövid kifutású szigetek repülőterén, és belvárosi repülőtereken való felszálláshoz fejlesztettek ki, STOL (Short Take-off and Landing) néven vált ismertté. A megvalósítás elve: többlet-felhajtóerő előállítása kis sebességen. A Boeing C-14-nek olyan féklapjai vannak, amelyek túlhajlíthatók a szárny kilépőéle mögött. A sugárhajtómű gáza a szárnyak fölött áramolva szétterül és követi a fékszárnyak ívét. Ez a külön levegő lefelé irányítva erőteljes felhajtóerőt kelt; ezt nevezik COANDA-hatásnak. A STOL módszer másik fajtája a dönthető forgószárny alkalmazása, ilyen van például az amerikai Bell V-22 Osprey-n. A gép mindkét szárnyára egy-egy légcsavaros hajtóművet szereltek. A hajtóművek hatra dönthetőek a szárnyon, s ezzel felszálláskor függőleges felhajtóerőt keltenek, majd, ha már a levegőben visszaállnak eredeti helyzetükbe, megfelelően nagy hajtóerőt adnak a vízszintes repüléshez.  

Érdekességek:

• A B2 „lopakodó” bombázót úgy tervezték, hogy ne lehessen felfedezni. Színe miatt nem látható az égen és nincsenek éles szögletei, így gyakorlatilag a radaroknak is láthatatlan.

• Vannak „állítható nyilazású” repülőgépek. Ha nagy dinamikai felhajtóerőre van szükség, akkor a szárnyakat teljesen kiterjesztik. Nagy sebességű mozgáskor pedig visszazárják őket a törzshöz.

• A Harriernek négy elfordítható sugárterelő zsaluzata van, amely lefelé irányítja a hajtóműből kiáramló gázokat, s ezzel emelősugarat ad a felszálláshoz. Amikor a gép felemelkedik, a pilóta visszafordítja a sugárterelőt, s az most tolóerőt ad a gépnek.

• Amikor a repülőgép állandó sebességgel, egyenesen halad, az erők egyensúlyban vannak. A szárnyakra ható dinamikai felhajtóerő egyenlő a gép súlyával, s a vonóerő is a légellenállással.

• A könnyű repülőgép pilótája a magassági kormánylapokkal manőverez. Felszálláskor és emelkedéskor felemeli őket, süllyedéskor lefelé mozdítja, s leszálláskor megint fel, hogy nőjön a felhajtóerő.