vineri, 31 martie 2017

Turboreactoarele avioanelor de lupta (III)

Tractiunea vectoriala

Tractiunea vectoriala a turboreactoarelor este obtinuta prin devierea jetului de gaze fata de axa centrala . Forta de tractiune astfel orientata creeaza momente ce permit controlul  celor trei "grade de libertate" aerodinamica ale avionului : giratie, ruliu, tangaj.
Tractiunea vectoriala poate fi de tip 2D  sau 3D in functie de cate grade de libertate poate controla.
Motoarele sunt de tip turbofan cu postcombustie, cu ajutaje orientabile.

Tractiune vectoriala pentru V/STOL

Sunt motoare de tip 2D .
Primul motor cu tractiune vectoriala a fost Rolls Royce Pegasus care a echipat familia de avioane VTOL Harrier incepand cu 1967.
Cu mai putin succes a fost motorul Rybinsk RD 38, care a echipat YAK 38 M. avionul VTOL al marinei sovietice.
         
Motorul T 135 PW 600 face parte din sistemul STOVL al lui F 35B

                                                           Motorul T 135 PW 600 -  F 35B




Tractiunea vectoriala pentru manevrabilitate

Dupa experienta castigata in dezvoltarea tractiunii vectoriale pentru avioane STOVL, a urmat folosirea acesteia pentru cresterea manevrabilitatii.

Avioanele care folosesc sistemul 2D sunt :

F 15 STOL/MTD (Maneuver Technical demonstrator) - 1988


McDonnell Douglas X-36
F 22 RAPTOR  ( ruliu si tangaj) 1990




Avioane cu sistemul 3D :

- experimentale : F 15 ACTIVE  , F 16 VISTA , X 31, F 18 HARV , Mitsubishi X 2
SU 37, MIG 29OVT, PAK FA T 50


  F 16 VISTA , F 18 HARV, X 31


MIG 29 OVT


- operationale

SU 30 MKI.MKM,MKA,SM, SU 35S, MIG 35 
echipate cu motoarele AL 31FP (SU 30), AL 41FS (SU 35), respectiv RD 33OVT


 SU 30 MK 

                                               

 AL-31FP are ajutajul orientabil in doual planuri cu unghiuri de +/- 15 grade. iar prin actionarea diferita a celor doua motoare se realizeaza controlul de tangaj, ruliu si giratie.


Tractiunea este comandata printr-o maneta de gaze normala, cu posibiltatea activarii unui computer pentru evolutii dificile, acesta controland ajutajele si suprafetele de comanda.
AL 41FS (117 S), ce echipeaza SU 35 si PAK FA T-50 , functioneaza in acelasi mod, diferenta existand in faptul ca motoarele ce echipeaza SU-urile au ajutajul reglabil intr-un singur  plan  cu posibilitatea rotirii axei , pe cand cel de pe T 50 este de tip MATV (Multi Axis Thrust Vectoring) , orientarea fiind facuta in orice directie.
Un motor MATV este dezvoltat pentru Eurofighter Tranche B.


EJ 230  motorul pentru Eurofighter B

                                          
Americanii au cercetat folosirea tractiunii vectoriale prin programe derulate de NASA la inceputul anilor '90, prin modificari facute pe F15, F 16, F 18 si prototipul X 31. 
X 31  a fost prezentat la salonul Le Bourget 1995, iar SU 37  in 1996 la Farnborough.
Singurul avion operational al USAF cu tractiune vectoriala pentru manevrabilitate este F 22.
Rusii folosesc sitemul pe toate variantele moderne de SU si MIG 35.

Avantajele tractiunii vectoriale 

- scurtarea distantei de decolare si a celei de aterizare - ESTOL (Extremely Short Take-off and Landing) 
- cresterea manevrabilitatii la viteze supersonice mari, cand suprafetele de comanda isi pierd din eficacitate
- reducerea suprafetelor de comanda pentru micsorarea RCS
- crestera unghiului de atac si o mai mare precizie in orientare pentru tintire 
- evolutii de zbor sub viteza limita ( post - stall ) . Daca pentru avioanele obisnuite scaderea sub viteza limita duce la angajare sau intrare in vrie, cu tractiunea vectoriala se pot face manevre si sub aceasta.
Zborul in afara limitelor aerodinamice ale unui avion se numeste supermanevrabilitate .


Evolutii acrobatice cu tractiune vectoriala

Cobra lui Pugachev

Este o manevra spectaculoasa  efectuata prima data in 1989 de Pugachev cu SU 27  la salonul aeronautic Le Bourget.


Poate fi executata si de avioane fara tractiune verticala dar cu un raport mare tractiune/ greutate.

COBRA PAK FA T-50

                                         


Kulbit 

Denumirea Kulbit vine din rusa (inseamna tumba) si este o Cobra executata cu rotire completa la 180 grade. Se mai numeste Chakra lui Frolov, primul pilot ce a facut aceasta evolutie. F22 vs SU 35

MIG 29 dublu Kulbit

                                        

F 22 vs SU 35 (haios)

                       

Manevra Herbst (J-turn)

A fost facuta prima data de pilotul german Karl Heinz Lang in 1993 cu X 31. Se numeste asa dupa seful programului X 31(cooperare SUA Germania) , Wolfgang Herbst .

                                       
X-31  J-turn

                                          

Show complet



Discutiile despre eficienta folosirii supermanevrabilitatii in lupta sunt partizane.
Cobra, chiar daca este spectaculoasa,  este considerata total nefolositoare, aducand avionul intr-o situatie de vulnerabilitate prin pierderea de energie. 
Manevra Herbst in schimb ar putea fi utila intr-o confruntare WVR. 
Simularile de lupta aeriana intre X 31 si F 18, au aratat un avantaj net pentru avionul cu tractiune vectoriala. Cu toate acestea, americanii nu o folosesc decat pe F 22, sustinand ca o viitoare lupta aeraina se va face numai dincolo de raza vizuala (BVR).
In cazul unei confruntari la vedere (putin probabila), rusii sustin ideea folosirii supermanevrabilitatii la viteze mici fata de conceptul american de a mentine o energie cinetica cat mai mare pentru a avea mai multe optiuni de manevra .
Tot rusii afirma ca manevre cu tractiune vectoriala la viteze mici, pot "pacali" un radar Doppler , a carui sensibilitate scade daca tinta are mai putin de 100 km/h si este vazuta din anumite unghiuri. 
Problema de fond este de fapt daca avioanele pot ajunge sau nu in conditii de lupta 1:1 la vedere ,tinand cont de eficienta radarelor, sistemelor IRST si a rachetelor AA cu raza lunga. 

Indiferent de eficienta in lupta aeriana a tractiunii vectoriale, avantajele oferite de distante mici de aterizare si decolare, manevrabilitate sporita la viteze si inaltimi mari , probabil aceasta va fi o solutie folosita de tot mai multe avioane de lupta.
Cel mai bun exemplu este F 22 care combina caracteristicile stealth cu supermanevrabilitatea. 








                                       











   






                                         











                                       




marți, 28 martie 2017

Aparate de zbor neconventionale(II) - Efectul Coanda

  Henri Coanda,  prin inventiile sale a deschis noi capitole in istoria aviatiei . Prezentarea avionului sau fara elice la Salonul aeronautic Paris 1910, un aparat de zbor neconventional pentru acele vremuri, a semnificat inceputul erei zborului cu reactie. La testarea avionului sau, a observat fenomenul de deviere a jetului gazelor arse catre fuzelajul avionului . Ulterior a studiat ce se intamplase, a definit si explicat fenomenul care acum ii poarta numele - Efectul Coanda. 

Efectul de deviere a unui jet pe o suprafata plana 

                                           

Jetul in jurul unei suprafete convexe 

                                           

Generarea fortei de portanta prin efect Coanda   

                                                       

Vizualizarea efectului

                                          

O prima aplicatie o constituie aerodina lenticulara , proiectata de Coanda si care este un aparat de zbor in forma de farfurie zburatoare, capabil sa aterizeze si decoleze pe verticala 

Aerodina lenticulara 1932


                                          

Avro Canada VZ-9  1959
 VZ-9 este un aparat de zbor bazat  pe efectul Coanda, dezvoltat in cadrul unui program militar secret Canada - SUA in anii '50. Denumit si Avrocar, foloseste un ventilator ce produce un puternic curent de aer intr-o aeronava sub forma de disc. Datorita efectului Coanda , se realizeaza forta portanta si forta de tractiune. Proiectul initial al USAF, codificat 1794 /WS 606, impreuna cu proiectul Silver Bug  (raportul declasificat in 2012 click aici ) prevedeau constructia unor aparate de zbor militare supersonice. In final s-a realizat doar un proiect pentru US Army, respectiv Avro VZ-9.
WS 606
                                                 \

Silver Bug

  

Avro VZ-9


Schema AVRO VZ9


  Avro Canada a inceput la inceputul anilor '50 dezvoltarea unor proiecte de cercetare fundamentala, formand o echipa denumita "Special Project Group". Unul din domeniile de interes era cel al avioanelor VTOL , considerate indispensabile in cazul atacarii aeroporturilor cu arme nucleare.  Au fost facute diverse schite si incercari , in final ajungandu-se la ideea folosirii efectului Coanda intr-un proiect denumit Project Y2, un aparat de zbor in forma de disc. Cu ocazia unei vizite a USAF la AVRO, au fost prezentate cateva modele, desene si un mock-up. Americanii au fost interesati si au finantat si ei programul incepand cu 1955, aparatul fiind denumit Weapon System 606 (WS 606), sau Project 1794 in varianta supersonica . Macheta a fost studiata in tunelul aerodinamic pentru o viteza de M 3.5. In scopul testarii s-a construit un prototip in care grupul propulsor era format din 8 motoare turboreactoare RR Viper, ale caror jeturi antrenau ventilatorul central. Acesta prin efect Coanda, genera portanta necesara. Din nefericire testele pe banc au esuat. In continuare s-a trecut la realizarea unui model mai mic, denumit AVROCAR, un aparat de zbor sub forma de disc cu suprafata exterioara curbata, avand un diametru de 5.5 m si inaltime 1.1 m. Structura de rezistenta era formata dintr-o grinda cu zabrele sub forma de triunghi echilateral, de care erau atasate echipamentele si avand in centru rotorul cu 124 palete, Acesta producea un jet de aer principal indreptat in jos pentru a realiza portanta prin efect Coanda  si un jet cu debit mai mic, in lateral, pentru tractiune. Sistemul de antrenare a ventilatorului era format din trei motoare turboreactoare Continental J 69 T 9 , fiecare cu sistem separat de alimentare. 


Comenzile pentru tractiune si atitudine se realizau printr-un inel aflat in afara discului, care, actionat de pilot se misca fata de disc, schimband directia fluxului de aer principal . Pentru schimbarea portantei, inelul se misca in sus sau in jos, iar inclinarea sa controla directia de deplasare. Aparatul s-a dovedit a fi instabil in zbor , intru-cat centrul de presiune aerodinamica se afla in fata centrului de greutate. Primul aparat 58-0775 a fost finalizat in mai 1959 si a fost testat pe banc, forta de portanta generata fiind  de 1430 kgf, insuficeinta pentru a ridica aparatul a carui masa gol era de 1944 kg. Au urmat teste in tunelul aerodinamic  si s-a realizat cel de al doilea prototip 59-4975, in august 1959. Dupa multe modificari, au urmat teste de zbor in decembrie 1959 , fara rezultate favorabile. S-au facut imbunatatiri si in final, aparatul a demonstrat un control mai bun al manevrabilitatii, atingand viteza de 190 km/h, performantele fiind totusi modeste, foarte departe de cerintele initiale. In final proiectul a pierdut finantarea in martie 1961, iar in decembrie au fost anulate si celelate proiecte susmentionate. 




AVROCAR

                                       


Desi proiectul AVRO nu a inregistrat un succes, au existat numeroase alte aplicatii ale efectului Coanda in diverse proiecte din aviatie : avioanele de transport militare  AMST USAF, Boeing YC 14,  ASUKA, folosesc avantajele efectului prin montarea motoarelor cu reactie deasupra aripilor, pentru a crea viteze mari de curgere pe profil , generand portanta mai mare la viteze mici ale aeronavei, rezultand caracteristici STOL,  Acelasi sistem il foloseste : 
.
                                                                         AN 72 COALER


Hidroavionul japonez  Shuin Meiwa US 1A pentru lupta antisubmarin, are pe langa cele patru motoare, unul suplimentar in interiorul aripii centrale, care sufla un jet suplimentar pe flapsuri. devenind un avion STOL.

  


Efectul pentru voleti de bord atac si flapsuri prin suflare de aer suplimentar de la motor
Sistem folosit pe C17 Globmaster III 

Suflarea unui jet de aer prelevat de la motor pe flaps, datorita efectului Coanda, creste portanta la viteze mici , permitand reducerea vitezei avioanelor la aterizare. Sistemul a fost folosit la avioane militare incepand cu Me 109, F 104 Starfighter, F 4 . La noi cea mai cunoscuta aplicatie este sistemul SPS folosit pe MIG 21PF si MIG 23.

Elicoptere fara rotor anti-cuplu (NOTAR)

  1.Priza aer  2.Ventilator cu pas variabil 3.Fuzelaj posterior cu orificii suflare jet pentru efect Coanda 4, Ampenaj vertical 5. Ajutaj pentru jet 6. Fluz aer orientat in jos 7. Fuzelaj posterior 8. Forta anti cuplu
                                      
Sistemul este format dintr-un ventilator cu pas variabil antrenat de transmisia de la motor , montat in fuzelajul posterior.  Doua jeturi de aer cu joasa presiune sunt indreptate in lateral pe ambele parti, amestecandu-se cu fluxul de aer creat de rotorul elicopterului si indreptat in jos. Datorita efectului Coanda, se creeaza o forta ce genereaza un moment anti-cuplu, Suplimentar se foloseste un ampenaj si jeturi laterale din ajutaje.

Exista aplicatii ale efectului Coanda in meteorologie, medicina , industria auto , formula 1, etc.

 Marii inventatori au gasit solutii neconventionale pentru rezolvarea unor probleme tehnice. 

Henri Coanda prin efectuarea primului zbor al unui avion cu reactie si descoperirea fenomenului care ii poarta numele , a devenit spre mandria romanilor , o figura marcanta in istoria aviatiei. 


Henri Coanda - biografie














Aparate de zbor neconventionale (I)

 In scurta istorie a aviatiei, au aparut diverse modele de avioane experimantale , care astazi par cel putin ciudate. Sunt de fapt incercari de solutii constructive si tehnologii noi , multe din ele avand aplicatii ulterioare pe alte modele de serie. Mai jos sunt prezentate cateva exemple :

Stipa Caproni  Italia 1932

 Avion experimental cu fuzelajul gol la mijloc, avand forma unui butoi.

Blohm & Voss BV 141  Germania 1938 

Avion de recunoastere cu o structura asimetrica. Pilotul, observatorul si mitraliorul , erau plasati in gondola de pe planul drept.


Vought V 173   SUA 1942

Avion experimental sub forma de disc, in scopul reducerii rezistentei la inaintare create de suflul elicei pe aripa.


Libellula Miles MB 39B  XF-82  Marea Britanie 1943 

Avion experimental care asigura o buna vizibilitate pilotului la aterizarea pe portavioane.


Bombardier experimental cu doua motoare montate in fuzelaj ce antreneaza o pereche de elici impingatoare contra-rotative, eliminand rezistenta la inaintare creata pe aripa si fuzelaj de suflul elicelor.



 Avion realizat din doua P 51 Mustang cu destinatia de escorta cu raza lunga de zbor.




Northrop XB-35 SUA 1946

 Bombardier experimental sub forma de aripa zburatoare.



Avion conceput pentru a putea a fi lansat din cala unui bombardier pentru a-l apara.            
   

Martin XB-51 SUA 1949

 Avion de bombardament si atac la sol cu trei motoare turboreactoare.




Douglas X3 Stiletto  SUA 1952 

Avion experimental pentru studiul zborului la viteze supersonice.




Lockheed XFV   SUA 1952
Avion VTOL destinat protectiei convoaielor navale.

De Lackner HZ 1   SUA 1952 

Aparat de zbor individual destinat trupelor terestre. Franta 1959




Snecma Flying Coleoptere  Franta 1959
 Avion VTOL cu aripa inelara. 



Ekranoplan  URSS 1966 
Aparat de zbor ce foloseste efctul de sol. Supranumit Monstrul din Marea Caspica.

Northrop HL 10  SUA 1966

 Avion pentru studiu viitoarelor navete spatiale.  






 Aparat de zbor VTOL fara aripa.




Bartini Beriev VVA14  URSS 1972 
Hidroavion cu decolare verticala , folosit contra submarinelor. 


Ames Dryden AD 1  SUA 1979
 Avion cu aripa oblica ce pivoteaza intre 0 si 60 grade. 

X 29 SUA 1984 
Avion cu aripa in sageata inversa 




X36 SUA 1997

Avion fara ampenaje.







(Va urma)

luni, 20 martie 2017

Turboreactoarele avioanelor de lupta (II)

DIFERENTIEREA TEHNOLOGICA

  Daca din punct de vedere constructiv solutia turboreactorului dublu flux cu postcombustie a fost folosita de toti fabricantii, performantele de tractiune, fiabilitate si consum combustibil ale motoarelor, s-au diferentiat mai ales prin cresterea calitatii materialelor si in mod special a celor folosite pentru paletele si discul de turbina.

 Un motor este cu atat mai eficient cu cat temperatura de intrare a gazelor in turbina este mai mare.
Unul din factorii esentiali in realizarea performantele motorului, il constituie proiectarea si fabricatia paletelor de turbina, una din cele mai sofisticate tehnologii actuale.
Pentru exemplificare , o paleta de turbina de 100g  este solicitata la o forta centrifuga de 4000 kgf si functioneaza la 1500 C, peste punctul de deformare plastica si chiar de topire.
Datorita aliajelor speciale, sistemului de racire  si a intregului sistem de proiectare, fabricatie si control, paleta va functiona cel putin 10 ani in 20 000 zboruri , rotindu-se  la turatii de 10-20 000 rot/min.
Realizarea paletei monocristal si a sistemului de racire a paletelor in tolerantele stranse, fabricarea discului  din pulberi sinterizate,toate  necesita un grad mare de cunostinte tehnice.


                                                          Evolutia temperaturii la intrare turbina
Acest grafic arata cum a crescut temperatura la intrarea in turbina de-a lungul timpului.
Pentru inceput , pana in 1990 , s-au folosit superaliaje : U700, IN738, IN792DS pe baza de nichel,
temperatura la intrarea in turbina fiind de 930-1100 C .
Aparitia tehnologiei de racire prin film a dus la o crestere a acesteia pana la 1200 C.
Incepand cu 1990 apar paletele monocristal SX, iar temperatura creste pana la 1500 C folosind acoperirile de protectie termica TBC si racirea prin film - film cooling. (temperatura de topire a nichelului este 1455 C) . Prin racire si protectie termica , paleta nu depaseste 1150 C.

Efectele protectiei termice prin acoperire si racire prin film


Structura paleta : policristalina, cristale directionate si monocristalina 
                                             


Racirea paletei


Toate aceste tehnologii au reusit ridicarea temperaturii in palete la circa 300 C peste punctul de topire al materialului. Temperatura de intrare a crescut de la 950 C in 1944 la aproape 1500 C in prezent.
O regula bazata pe experienta in domeniu spune ca ridicarea temperaturii turbinei  cu 10 C pastrand materialul si racirea , ii reduce durata de viata la jumatate.
In prezent, noile tehnologii au marit perioada de timp intre reparatii , desi temperatura a crescut.
Chiar daca ai toate cunostintele teoretice si chiar toate desenele , nu exista nici o garantie ca poti fabrica macar un singur motor. Aici nu functioneaza copy-paste .
Chinezii sunt  pe graficul de mai sus la inceputul anilor '90 si nici rusii nu cred ca sunt prea departe.
Este incredibil cum fabricarea unei palete de turbina se poate transforma intr-un avantaj tehnologic si in final militar.

Fabricatia paletelor la  RR - marele secret


In acest moment firmele occidentale au castigat un avans substantial fata de rusi sau chinezi  tocmai prin tehnologiile prezentate , ceilalti nereusind inca sa le stapaneasca.
Intre timp se lucreaza la noua generatie de motoare

  MOTORUL CU CICLU ADAPTABIL/VARIABIL



                                      


Programul ADVENT - Adaptive Versatile Engine Technology - are ca scop dezvoltarea unui motor optimizat pentru mai multe regimuri de functionare, fata de motoarele din prezent care sunt proiectate pentru un singur regim optim. Un obiectiv este reducerea cu 25% a consumului de combustibil.
Un astfel de motor va permite unui avion sa functioneze optim atat la regim de croaziera, supercroaziera cat si in cel maxim.
Programul este dezvoltat de GE impreuna cu RR si este finantat din 2007 de USAF.
Sunt motoare cu triplu flux.
Aceste motoare vor reechipa F 35 si vor propulsa generatia a 6a de avioane de lupta.

Cresterea temperaturii din turbina va depasi 1800 C prin folosirea materialelor ceramice matriciale armate cu fibre de carbura de siliciu (carborund) si  acoperite cu bariera termica.

                                                          Temperatura turbina in viitor

                                                               Materiale ceramice CMC



In timp ce rusii stagneaza cu motorul pentru PAK FA T 50 si tot anunta amanari , chinezii au declarat ca nu reusesc fabricarea paletelor monocristal in productia de serie si mai au probleme cu sinterizarea pulberilor pentru discul de turbina.

Dezvoltarea unui motor de la faza conceptuala pana la intrarea in exploatare dureaza circa 10 ani, necesitand investitii foarte mari in aceasta perioada.