آشنايي با ورودی هوای موتور

آموزش هاي هدفمند هوانوردي در اين بخش ارائه خواهد شد

مدیران انجمن: CAPTAIN PILOT, sokuteasemuni, SAMAN, شوراي نظارت, مديران هوافضا

ارسال پست
Moderator
Moderator
نمایه کاربر
پست: 2401
تاریخ عضویت: یک‌شنبه ۱۷ آذر ۱۳۸۷, ۱۱:۰۲ ق.ظ
سپاس‌های ارسالی: 29119 بار
سپاس‌های دریافتی: 21533 بار
تماس:

آشنايي با ورودی هوای موتور

پست توسط sokuteasemuni »

  [COLOR=blue]آشنايي با ورودی هوای موتور    


  تصویر  


  [COLOR=darkorange]مقدمه   

   اين نوشتار ، بررسي ورودي هواي موتورهاي جت هواتنفسي در جنگنده ها از ديدگاه كارايي پروازي و نه تأثيرات آن بر بازتاب هاي راداي هواپيما مورد توجه قرار گرفته است.   
   شكل و ابعاد ورودي هواي موتور تابع شرايط مختلفي مي باشد از جمله ميزان هواي ورودي مورد نياز موتور در واحد زمان(دبي هاي جرمي/حجمي) كه خود وابسته به نوع موتور است(به عنوان توربوجت يا توبوفن) به اين ترتيب ابعاد كلي مورد نياز براي ورودي هوا بدست مي آيد. حتي در رژيم هاي مختلف پرواز و در ارتفاعات مختلف ، ميزان دبي هواي ورودي مورد نياز ، متفاوت است كه براي نزديك شدن به حالت بهينه ، براي ورودي هوا ، صفحاتي با شكل هاي مختلف طراحي مي كنند تا با تغيير آن ، متناسب با شرايط ، كميت هاي مد نظر ، به حالت بهينه نزديك شود و اين البته تفاوت محسوسي در كارايي هواپيما ايجاد مي نمايد. به عنوان نمونه ، هواپيماهاي ميراژ 2000 و اف-16 ، دو جنگنده ي تقريباً همكلاس با ابعاد و اوزان نزديك به هم هستند و هر دو نيز تك موتوره ، اما ميراژ2000 به دليل استفاده از صفحات مذكور(به صورت نيم مخروطي ، چسبيده به بدنه) داراي بيشينه سرعت 2.2 ماخ مي باشد و اف-16 ، حدود 2 ماخ. هرچند اين صفحات و مكانيزم هاي مربوطه ، وزن و پيچيدگي اي را به طرح ، تحميل مي كنند كه باعث شده در جنگنده اي مدرن ، مانند اف-22 نيز از آنها صرف نظر شود.  

   به ذكر است ورودي هواي موتور در هواپيماهاي مسافربري و گونه هاي هم رده ي آنها ، فاقد پيچيدگي هاي خاص طراحي بوده و حتي به صورت نازك و تيز هم ساخته نمي شوند ، زيرا در سرعت هاي فروصوت ، ويژگي هاي ديناميكي سيال ، اين نياز را بوجود نمي آورد.    

  تصویر     ورودي هواي موتور يك هواپيماي مسافربري   



  [COLOR=darkorange]طرح هاي اوليه   

   ي ورودي هواي موتور انواع گوناگوني داشته كه هر يك با رژيم سرعتي و نوع و اندازه ي موتور تناسب دارد.   
    اوائل كار از نظر طراحان هواپيما ، ورودي هواي موتور ، تنها زائده اي روي بال و بدنه قلمداد مي شد كه مي بايست در حداقل اندازه طراحي شود. ورودي هوا كه در لبه ي حمله و ريشه ي بال هواپيماهايي مانند كامت و برخي هواپيماهاي جديدتر مانند      قرار داشتند ، به گونه اي طراحي شده بودند كه لايه ي مرزي جريان هواي روي بدنه ، به درون آنها مكيده نشود. اما طراحان ، اطلاعات دقيقي در مورد محدوديت هاي طبيعي اين گونه ي ورودي نداشتند. اين محدوديت ها عبارت بودند از توزيع نامناسب سرعت و افت كلي فشار در ورودي و يا حتي اثر سيكل ارتعاشي بدنه ، كه در تغيير فشار ورودي هواي جنگنده ي هانتر بسيار مشكل ساز بود. مسائل ديگري مانند اشباع دهانه ي ورودي و خفگي موتور ، پرواز در زاويه ي بالا ، حساسيت جريان هوا به شعاع لبه ي دهانه ي ورودي هوا ، سكته ي موتور بر اثر بلعيدن گازهاي حاصل از شليك گلوله و يا موشك ، احتمال پوشانيده شدن دهانه ي ورودي دوگانه توسط بدنه در حالات مانوري ، همگي در مراحل عملياتي و به تجربه شناخته شدند.   

   سرعت زير صوت و گذرصوت، دهانه ي ورودي نوع لوله اي (مانند نمونه ي به كار رفته در جنگنده ي ميگ-15) بسيار مناسب است. اين نوع دهانه ورودي در مقابل اختلالات ناشي از اجراي مانور و زاويه ي حمله ي بالا مسئله ندارد و پوش متقارن فشار در آن مقدار افت راندمان را در حداقل نگه مي دارد.     تصویر  
  جنگنده ي ميگ-15  

   لبه گرد اين ورودي در سرعت زير صوت مشخصه هاي عمليلاتي بسيار خوبي از خود نشان مي دهد ، ولي در سرعت مافوق صوت ، شوك هاي بسيار قوي ايجاد شده در مقابل ورودي باعث افت شديد فشار كلي در داخل ورودي مي شود كه اين امر راندمان موتور را كاهش مي دهد. لازم به ذكر است كه تنها 9% كاهش فشار كلي ورودي ، باعث افت 15% كشش(رانش) موتور شده و مصرف ويژه ي سوخت يا      را تا 6% افزايش مي دهد.   
   جنگنده ي اف-100 كه يكي از اولين جنگنده هاي مافوق صوت بود ، ورودي لوله اي ، با سطح مقطع بيضوي ، شكل بود ، كه لبه ي تيز ورودي ، اجازه ي عمليات در سرعت مافوق صوت را مي داد.   
  تصویر  
  جنگنده ي اف-100  

   افزايش سرعت جنگنده ها به 2 ماخ ، طراحي ورودي هواي موتور ، كه مناسب چنين رژيم سرعتي باشد اهميت روزافزون يافت. ناگفته نماند ، كه وظيفه ي اصلي ورودي هوا ، كاهش سرعت جريان تا حدود 0.4 الي 0.5 ماخ ، در مقابل صفحه ي كمپرسور است ، بدون آنكه در فشار كل افت زيادي پديد آيد(حداكثر فشار استاتيكي بدون ايجاد حرارت). شايد دانستن اين واقعيت جالب باشد كه در سرع 2 ماخ ، فشار هوا در دهانه ي ورودي هوا ، بيش از فشار درون موتور است.   

  تصویر  




   راه كاهش سرعت جريان مافوق صوت ، به كارگيري موج شوكي است ، كه بي ترديد كاهش فشار كلي را در پي خواهد داشت . به عنوان يك اصل كلي مي توان گفت ، كه هرچقدر سرعت جريان در بالا دست ورودي هوا و موج شوكي بيشتر باشد ، شوك قوي تر بوده و به همين ترتيب سرعت در پايين دست ورودي هوا كاهش بيشتري يافته و راندمان نيز افت بيشتري خواهد داشت. در صورت عدم استفاده از زبانه يا سطوح پيش فشار(      ) در ورودي لوله اي و در سرعت مافوق صوت ، يك شوك عمودي بسيار قوي در دهانه به وجود مي آيد كه به طرز غيرقابل قبولي باعث افت راندمان تبديل فشار مي شود. راه جلوگيري از اين افت راندمان ، استفاده از سطوح پيش فشار و ايجاد چندين شوك ضعيف تر است. به اين ترتيب در سرعت 2 ماخ مي توان ، 27% كاهش راندمان فشار(سرانه ي فشار) در ورودي جت را به 9% رساند. اين روشي است كه در جنگنده ي ميگ-21 به كار رفته است.البته استفاده از تعداد بيشتري سطح ، هزينه و وزن كل سامانه و همچنين پسا در سرعتهاي مادون صوت را بالا مي برد.   

  تصویر  
  ورودي هواي جنگنده ي ميگ-21  



  تصویر  



  [COLOR=darkorange]دهانه ي ورودي با هندسه ي متغير مناسب با رژيم سرعتي وسيع    

   دليل پوش پروازي گسترده هواپيماي جنگنده ، مقدار جريان هواي مورد نياز موتور نيز متغير مي باشد و ورودي هوا بايد توان تطبيق با اين نياز را داشته باشد. اما بايد اذعان داشت كه تمام هواپيماهاي جنگنده نيز به اين نوع ورودي هوا نياز ندارند چرا كه اين نياز زماني مطرح مي شود كه مقدار تغيير سرعت زياد باشد. بنابر يك اصل كلي ، زماني به ورودي هوا با هندسه ي متغير نياز است ، كه حداكثر سرعت حتماً از 1.6 ماخ فراتر رود. حتي در جنگنده ي مدرن اف-16 كه سرعتي نزديك به 2 برابر سرعت صوت دارد ، از ورودي هوا با سطح مقطع ثابت(نوع لوله اي يا پيتوتي) استفاده شده است ولي بد نيست گفته شود كه جنگنده ي فرانسوي ميراژ-2000 كه هم اندازه با اف-16 مي باشد ، با وجود داشتن موتوري ضعيف تر ، به دليل استفاده از ورودي هوا با هندسه ي متغير (نيم مخروط مركزي با دو سامانه ي شوك و كاهش سرعت جريان) داراي سرعتي بالاتر از اف-16 مي باشد.   

  تصویرتصویر   
 جنگنده ي اف-16 جنگنده ميراژ-2000 



   دهه ي 1970 ، بر اساس شيوه ي مرسوم ، طراحي و ساخت سامانه ي وروردي هوا با هندسه ي متغير، تنها در جنگنده اي كه حداكثر سرعتش فراتر از 2 ماخ بود ، مدنظر قرار مي گرفت تا از كاهش فشار كل ، در اين رژيم سرعتي جلوگيري شود. در اوائل دهه ي 1970 ، نياز عملياتي به جنگنده اي احساس شد كه توان پرواز در سرعت هاي بالاي صوت (بيش از 2.2 ماخ) و همچنين سرعتهاي پايين را داشته باشد و در واقع داراي پوش پروازي گسترده تر از جنگنده هاي گذشته باشند. نتيجه ي اين نياز عملياتي ، ساخت جنگنده ي اف-14 براي نيروي دريايي و اف-15 براي نيروي هوايي ايالات متحده ي آمريكا بود.   



  تصویرتصویر   
  جنگنده ي اف-14  



  تصویر 
  جنگنده ي اف-15  


  [COLOR=black]  سطح مقطع دهانه ي ورودي هواي موتور در جنگنده ي اف-15 با استفاده ي از يك صفحه با حداكثر ميزان حركت 15 درجه امكانپذير شده است كه در تصوير بالا مربوط به چك قبل از پرواز مي باشد. اين دهانه ي ورودي هواي 4 شوكي(موجي) ، هواي مناسب را در هر شرايط و سرعت پروازي به موتور مي رساند.     
  در تلفيق سامانه ي ورودي هوا به موتور و بال/بدنه ، مشكلات زيادي وجود داشت ، كه بايد حل مي شد تا اين جنگنده هاي طراز اول جهان به مرحله ي توليد انبوه برسند. ورودي هوا در اين جنگنده ها به گونه اي طراحي شده كه اختلالات جريان هوا كه ناشي از پرواز در زاويه ي حمله ي بالا مي باشد را به حداقل رسانده تا از ايجاد سكته ي موتور جلوگيري شود.   

  تصویر  
  صفحات متغير دهانه ي ورودي هواي جنگنده ي ميگ-25  



  [COLOR=black] در جنگنده ي ميگ-29 ، طراحان ورودي هوا ، با نيازمندي ديگري مواجه بودند. بر اساس نياز نيروي هوايي اتحاد شوروي ، در هنگام خزش و نشست و برخاست از باندهاي با استاندارد پايين كه امكان ورود مواد خارجي به دهانه ي موتور وجود دارد ، بايد دهانه هاي ورودي هوا بسته و از شبكه مخصوصي در روي امتداد ريشه ي بال ، هوا به موتور وارد شود.    

  تصویر تصویر  

  اما دهانه ي ورودي هوا با هندسه ي متغير معايبي مانند وزن بالا ، پيچيدگي بسيار اين سامانه و هزينه ي بالاي دوره ي عمر(Life Cycle cost) را نيز دارد و تنها در صورت توجيه الزامات عملياتي ، مي توان از آن استفاده كرد. بهترين مثال ، جنگنده ي پنهانكار اف-22(ساخت لاكهيد مارتين-آمريكا) است كه با وجود پيشرفته بودن ، از ورودي هواي ثابت استفاده مي كند چرا كه نه از لحاظ عملياتي و نه از لحاظ اقتصادي توجيهي براي استفاده از ان نبوده است.  



   [COLOR=darkorange]چشم انداز آينده   

   پيشرفت هاي شگرف در مهندسي مواد و ظهور مواد پيشرفته از جمله گونه هاي نوين آلياژهاي حافظه دار (    )، پيزوالكتريك ها ، مواد اف.جي.ام. و ... و نيز انواع مواد مركب تركيبي با فلزات هوشمند(    ) ، كه مي توانند به عنوان عملگرهايي كم وزن ، با دوام مناسب ، قابليت اطمينان بالا ، نياز كمتر به تعميرات ، تعداد قطعات بسيار كمتر ، امكان ايجاد تعداد حالات زياد و حتي تغيير پروفيل سطح ، تنها با ارسال پالس هاي الكتريكي و در نتيجه كاهش چشمگير تعداد و وزن و پيچيدگي قطعات مورد نياز ، به كارگرفته شوند ،دور از ذهن نيست كه استفاده از سطوح پيش فشار به صورت گسترده اي مورد توجه قرار بگيرد كه تأثير محسوسي بر كارايي هواپيماهايي كه از موتورهاي جت هواتنفسي استفاده مي كنند ، به خصوص در جنگنده ها خواهد داشت. همچنين ابزارهاي تحليل بسيار پيشرفته اي براي بررسي رفتار جريان هوا در حالا مختلف در دسترس مي باشد كه به كارگيري آنها ، طراحي بهينه ي شكل و ابعاد ورودي هواي موتور را در پي خواهد داشت.   


  [COLOR=sienna]گرآوري ، تأليف و ويرايش براي انجمن هاي اينترنتي : محمد حسين م.    


  [COLOR=darkorange]منبع اصلي :  
    كتاب روند تكامل طراحي جنگنده ها-مهرداد مرادي-دانشگاه امام [COLOR=red]حسين(عليه السلام)   


 هر گونه استفاده از اين مطلب ، تنها با ذكر نام سايت و ارائه ي لينك اين صفحه ، مجاز است.      
[External Link Removed for Guests]
ارسال پست

بازگشت به “مدرسه هوانوردي”