Een vliegtuig is een luchtvaartuig dat een hogere dichtheid heeft dan lucht en in staat is een gecontroleerde vlucht te maken. Het maakt hierbij gebruik van de opwaartse kracht, lift genoemd, veroorzaakt door de lucht die met een zekere snelheid over het speciale profiel van het vleugeloppervlak stroomt.
Geschiedenis
miniatuur|links|De eerste vlucht van de gebroeders Wright, 17 december 1903, 10.35 uur Uitvinders waren aan het eind van de 19e eeuw bezig met het uitvinden van een vervoermiddel waarmee men gemotoriseerd kon vliegen. De luchtballon was al in 1783 uitgevonden, het zweefvliegtuig werd voor het eerst succesvol getest door de Duitser Otto Lilienthal in 1891. In 1903 wisten de Amerikaanse Gebroeders Wright als eerste mensen met hun zelf gebouwde en gemotoriseerde vliegtuig, de Wright Flyer, een gecontroleerde vlucht te maken.
Op 27 mei 1908 vloog Henri Farman het eerste vliegtuig boven België.
In Nederland steeg op 27 juni 1909 het eerste vliegtuig op. Dit gebeurde in Etten-Leur. Het vliegtuig werd bestuurd door Charles de Lambert. In 1910 maakte de Fransman Henri Fabre het eerste watervliegtuig, dit maakte het mogelijk grotere vliegtuigen te maken aangezien ze niet afhankelijk waren van de lengte van een vliegveld. Twee jaar later kwam Curtiss met een watervliegtuig. In datzelfde 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 zeppelin. De Eerste Wereldoorlog werkte in Europa als een katalysator op de ontwikkeling van het militaire vliegtuig. Men begon vliegtuigen in te zetten als verkenner. Toen de vijanden vervolgens met elkaar in conflict kwamen in de lucht, kwam het jachtvliegtuig in beeld. Dit 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.
Na 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 passagiersvliegtuigen 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 luchtraces 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 straalmotor werd geïntroduceerd.
Na de Tweede Wereldoorlog zorgde de wapenwedloop tussen het ontstane Warschaupact en de NAVO tot een blijvende prikkel om met nieuwe vliegtuigen te komen. De vliegtuigen moesten hoger, sneller en langer in de lucht kunnen blijven. Chuck Yeager doorbrak als eerste de geluidsbarrière, spionagevliegtuigen vlogen vervolgens tot drie maal zo snel als de geluidssnelheid. Tevens werd met de introductie van de F-16 een vliegtuig geïntroduceerd dat alleen kon vliegen met behulp van een computer, het zogenaamde fly-by-wire-principe.
In diezelfde tijd kwam ook het massatoerisme op in de westerse landen. Niet alleen werden de passagiersvliegtuigen steeds groter, zoals de Boeing 747, 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 F35 alleen maar oplopen. In de burgerluchtvaart gaan de ontwikkelingen echter door. Airbus kiest voor groter met de dubbeldeks A380. Boeing kiest voor zuinig en milieuvriendelijker met de 787.
Naamgeving Hoewel er veel soorten luchtvaartuigen zijn, noemt men ze niet allemaal vliegtuig. Een helikopter en een autogiro (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. Een luchtballon en luchtschip worden geen vliegtuig genoemd, omdat deze een lagere dichtheid dan lucht hebben. Ook een raket wordt doorgaans geen vliegtuig genoemd, aangezien deze niet door de atmosfeer wordt ondersteund.
Hoe vliegt een vliegtuig?
miniatuur|400px|De bedieningsorganen en de roeren miniatuur|Krachtenwerking op een vleugel miniatuur|Rollen met de rolroeren miniatuur|Stampen met het hoogteroer miniatuur|Gieren met het richtingsroer Een vliegtuig kan vliegen dankzij zijn voorwaartse snelheid. De vleugel buigt de lucht die er langs stroomt af, en veroorzaakt "lift". De liftkracht is het gevolg van verschillende effecten. Veruit de belangrijkste is de reactiekracht: de lucht wordt naar beneden versneld, waardoor de vleugel naar boven wordt versneld. Bij het naar beneden afbuigen van de lucht speelt het coandă-effect een rol. De 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 ] ρ = dichtheid [kg m−3] van de lucht. v = snelheid [m s−1] van de onverstoorde lucht (far field flow) ten opzichte van het vliegtuig. S = oppervlak van de vleugel. Cl = Liftcoëfficiënt.
De liftcoëfficiënt hangt af van zowel de eigenschappen van het vleugelprofiel, als van de invalshoek. Hoe groter de invalshoek, hoe groter de liftkracht, zo lang althans de stroming over de vleugel blijft aanliggen. Verder, zie de formule, hoe groter het vleugeloppervlak of de snelheid is, hoe groter de lift is.
Ook de luchtdichtheid heeft invloed op het opstijgen en landen. Op grote hoogte of bij hogere temperatuur is de lucht veel ijler en heeft het vliegtuig een veel langere startbaan nodig om zo veel snelheid te kunnen maken dat de liftkracht groter is dan het gewicht. Bij voldoende snelheid brengt de piloot met het staartvlak de neus omhoog (de "rotatie") waardoor met de verhoogde invalshoek ook de lift op de vleugel toeneemt, hierna komt het vliegtuig los van de grond.
De landing
Als een vliegtuig gaat landen, vliegt het met een zo laag mogelijke (veilige) voorwaartse snelheid om een zo kort mogelijke landingsrol te hebben. Door de lagere voorwaartse snelheid neemt de liftkracht sterk af (2 × zo langzaam, 4 keer minder lift, want kwadraat), terwijl het gewicht gelijk blijft. Een beetje minder lift is gewenst omdat het vliegtuig met een constante daalsnelheid de landingsbaan wil naderen. De benodigde liftkracht moet -ondanks de lagere snelheid- toch voldoende blijven, want anders zou het vliegtuig te hard dalen. Dit kan op twee manieren: door de invalshoek van het toestel te vergroten, of door het profiel van de vleugel te veranderen waardoor de vleugel meer liftkracht levert. Het is daarom dat een vliegtuig -om te landen- langzaam vliegend (met de neus omhoog) komt aangevlogen. Om nog langzamer te kunnen vliegen laat het zijn welvingskleppen (flaps in het Engels) aan de achterzijde van de vleugels uit waardoor het vleugeloppervlak "krommer" en groter wordt en dus de liftcoëfficiënt weer toeneemt. Zo behoudt het vliegtuig bij lagere voorwaartse snelheid een liftkracht die bijna gelijk is aan zijn gewicht. De hogere neusstand en de welvingskleppen hebben tot gevolg dat de luchtweerstand sterk toeneemt.
Als een verkeersvliegtuig na de landing met hoge snelheid op de landingsbaan rijdt, is het van belang ervoor te zorgen dat de lift verder gereduceerd wordt, anders zou het vliegtuig weer omhoog kunnen komen. Dit gebeurt met behulp van liftdumpers, kleppen aan de bovenzijde van de vleugels die overeind gezet worden. Het vliegtuig wordt tijdens de landing afgeremd door de straalomkeerders (reverse thrust), lucht uit de motor wordt dan omgebogen om een negatieve versnelling (afremming) te produceren. Verder zijn er schijfremmen aangebracht op de wielen van het landingsgestel die het vliegtuig (eventueel automatisch d.m.v. autobrakes) kunnen afremmen.
Laminair en turbulent De stroming langs een vleugel(-profiel) zal bij een geringe aanstroomhoek in eerste instantie laminair zijn. Daarbij stroomt de lucht keurig in laagjes langs het vleugeloppervlak. Hoe dichter op de vleugel, hoe langzamer, ten opzichte van de vleugel, de lucht in het laagje beweegt. Deze vorm van stroming levert de grootste lift op. Om met maximale verhouding tussen lift en 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 liftkracht veel kleiner dan bij laminaire stroming, doordat bij turbulentie een kleiner deel van de stroming aan de achterrand van de vleugel naar beneden wordt afgebogen. Turbulente stroming heeft echter het voordeel dat ze later van de vleugel loslaat (zie hieronder voor loslating). Daarom hebben moderne verkeersvliegtuigen vaak kleine, enkele centimeters grote, 'spoilers' op hun vleugels. Deze maken op een gewenst punt de laminaire stroming in de grenslaag turbulent zodat er uiteindelijk minder stuwkracht nodig is voor eenzelfde verhouding tussen snelheid en lift.
Laminaire stroming die later loslaat is nog meer gewenst. Dit zou onder andere kunnen 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 door technische moeilijkheden is de techniek nog niet toepasbaar.
Het al dan 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
miniatuur|Normale vlucht en diep overtrokken vlucht