Zborul hipersonic

 Discursul lui Putin tinut pe 1 martie, a adus in atentia opiniei publice termenul de zbor hipersonic.
Intru-cat scopul prezentarii a fost unul exclusiv de propaganda, este necesar sa lamurim cat mai exact aspectele tehnice ale acestui regim de zbor si utilizarea sa in domeniul miltar.

Regimul hipersonic este definit ca fiind zborul la viteze de Mach > 5 si inaltimi sub 90 km, cu puternice efecte de incalzire si ionizare a aerului.

Fata de trecerea de la regimul subsonic la cel supersonic, unde exista o delimitare clara a carcteristicilor de zbor, in cazul regimului hipersonic, nu exista asemenea praguri.

Termenul a fost dat de Hsue-shen Tsien  in 1946. Nacut in China in 1911, specialist de geniu, a lucrat la Caltech si MIT, fiind unul din fondatorii Jet Propulsion Laboratory  al Nasa, apoi in anii 50 a fost expulzat din SUA,  in perioada anticomunista McCarthy 

A devenit in RPC, fondatorul programului spatial chinez. Prima data a fost depasita viteza de M 5 in 24 februarie 1949, la White Sands, New Mexico, cand o racheta germana de tip V-2, dotata suplimentar cu un con ce continea o a doua treapta, dupa ce a atins apogeul de 400 km, aceasta a revenit in atmosfera, fiind inregistrata pe radar cu M>5, dupa care s-a dezintegrat.

  De remarcat ca pentru proiectarea rachetelor V 2, nemtii au avut la Peenemunde un tunel aerodinamic  cu viteza de M 4.4. Urmau sa construiasca un tunel cu debit continuu, la Kochel (Bavaria) avand sectiunea 1m x1m, cu viteza M 14. Acesta necesita o putere de 57 Mw ce urma sa fie asigurata de doua hidrocentrale din zona.

Acesta a fost realizat in final si instalat  in 1950 in centrele de testare ale USAF din Tennessee si US Navy din  White Oak Maryland (cu specialisti si documentatie cu tot). Aici s-au facut cercetarile pentru X-15, naveta spatiala, etc..

Exista trei tipuri de vehicule cu regim  de zbor hipersonic :

- lansate cu o racheta purtatoare in spatiu, dupa care urmeaza intrarea in atmosfera , in general cu posibilitati reduse de manevra . Toate vehiculele spatiale au la reintoarcerea in atmosfera acest regim 

In cazul rachetelor balistice intercontinentale, viteza de intrare este de 6-8 km/s ,

Incadrarea rachetelor balistice ICBM in randul armelor hipersonice este fortata, probabil din motive de propaganda.

-  vehicule "planor hipersonic". lansate cu un motor racheta , dupa care urmeaza un zbor planat la viteze M >5, si aterizare pe pista. Pot fi de tip avion sau naveta spatiala.

- vehicule cu motor propriu aeroreactor scramjet, ce functioneaza in regim de croaziera si are o raza mare de actiune avand si mare manevrabilitate.

Primul proiect al unui avion hipersonic, Silbervogel,  apartine lui Eugen Saenger, fiind proiectat la sfarsitul anilor '30. Era lansat de pe o rampa cu o sanie propulsata de rachete. apoi cu propriul motor racheta azbura la limita atmosferei. Misiunea sa era bombardamentul oraselor din SUA, aterizarea urmand a se face in Japonia.  

                                                                          Silbervogel

Proiectul nu a fost realizat, dar cercetarile au fost foarte utile in dezvoltarea zborului hipersonic.

Sanger a lucrat dupa razboi in Franta, interesant fiind ca Stalin si-a trimis pe fiul sau Vasily sa il convinga sa lucreze in URSS, fara succes, existand se pare si un plan nereusit de rapire organizat de NKVD.

Primele zboruri hipersonice au fost efectuate de avionul experimenta X 15 incepand cu 1959.

Cele trei exemplare construite au efectuat 200 de teste pana in 1968, atingand viteza maxima de 6.32 M - 7274 km/h (h-31 km) si altitudini de peste 100 km.

O parte din fuzelaj a fost realizat dintr-un aliaj de nichel (Inconel X-750).

Din pilotii care l-au zburat , au devenit celebri ulterior Neil Armstrong si Joe Engle, primul pilot al navetei spatiale.

Lansat de pe un B 52, urca apoi cu propriul motor racheta  ce functiona 90 secunde, dupa care urma planarea. Raza maxima era de 450 km.

A fost practic avionul pe care s-au testat aspectele zborului hipersonic.

X-15

X-15  la M 6 in tunelul hipersonic

Temperaturi X 15 la M 6 

Cabina X 15 

(fara displayuri , calculatoare)

Un alt proiect a fost X 43, cel care detine recordul de viteza de M 9.6 (10617 km/h) , realizat in 2004. A avut ca scop testarea unui motor tip scramjet.

Modelul scara 1:1 in tunel fierbinte 

Programul , care trebuia sa continue a fost suspendat in 2013, dar propabil discursul lui Putin ii va creste imediat bugetul.

Au mai existat proiecte anulate in diverse etape :
Boeing X 20 Dyna Soar

                                                                              X-20

Rocwell X-30  (anulat 1993) - cu motor scramjet

X -30 

Testele continua se pare cu succes pentru X 51 waverider , acesta depasind M 5 .
Este deocamdata un demonstrator

 X 51

Alte vehicule cu viteze hipersonice au fost cele tip naveta spatiala NASA, Buran si cea a indienilor
RLV-TD  .

Americanii au mai testat fara succes HTV 2 , vehicule care dupa ce au atins M 20 , s-au  dezintegrat  in zbor

HTV 2

Exista si alte proiecte de vehicule gen naveta reutilizabila : Lynx (XCORE), PRIDE (ESA), Skylon (UK), etc.

In domeniul militar exista mai multe programe.

Prompt Global Strike  (PGS)are ca scop realizarea unor vehicule capabile sa transporte oriunde in lume in maxim 1 ora, incarcaturi nucleare sau conventionale.

Programul este gestionat de DARPA si are in vedere realizarea si testarea se vehicule hipersonice.
cu urmatoarea planificare in timp

China

In ultimul timp chinezii investesc sume uriase in dezvoltarea tehnologiei vehiculelor hipersonice.
Au inceput constructia unui tunel aerodinamic pentru M 40, care va fi gata in 2020, alaturandu-se numeroaselor tunele deja existente.

WU-14   /DF-ZF

Vehicul tip planor hipersonic cu viteza de M 5-10, capabil sa atace in primul rand nave tip portavion.
A fost testat incepand cu 2010, de 7 ori, testele fiind observate si de americani.
Este lansat cu o racheta purtatoare.

Rusia

Kinzhal

Este una din rachetele prezentate recent de Putin.

Se pare ca este un Iskander M  modificat pentru a putea fi lansat de la bordul unui MIG 31.

Desi ca origine este o racheta balistica cu raza scurta (500 km), prin lansarea de la inaltime si viteza mare, poate avea o raza de pana la 2000 km. Are posibilitatea de manevra, regimul de zbor fiind hipersonic (M 10). 

Tinand cont ca este vorba de o tehnologie deja testata, Kinzhal reprezinta o arma redutabila, greu de contracarat. 

3M22 Zircon

Este o racheta hipersonica tip anti-nava cu motor scramjet.

Ar trebui sa fie de fapt Brahmos II, dar se pare ca indienii nu au acces la asa ceva.

In afara de prezentarile facute de rusi , nu sunt cunoscute alte date .

Putin a mai vorbit si de o racheta de croaziera cu motor nuclear si raza nelimitata, care aminteste de proiectul SLAM (Supersonic Low Altitude Missile), o racheta cu ramjet nuclear (Pluto project) , abandonata inca din 1964. A

Desi aparent tehnologia hipersonica nu este asa noua, ultimele noutati tehnice in simulare aerodinamica CDF , putere marita de calcul, materiale noi, toate contribuie la rezolvarea problemelor dificile ce impiedicau inca dezvoltarea.

Simulare CDF la M 7

Daca dezvoltarea ICBM urilor si a doctrinei MAD (mutual assured destruction), a asigurat pentru mult timp echilibrul de forte, se pare ca zborul hipersonic al unor avioane sau racheta de croaziera, poate crea avantaje celui care le foloseste.

Viteza si raza mare de actiune , posibilitatea de manevra (aproape nula la rachetele balistice), usurinta de a depasi sistemele radar ale A2/AD, sunt calitatile aduse de astfel de vehicule.

Se pare ca exista discutii intre marile puteri privitoare la semnarea unui tratat de neproliferare a armelor cu viteze hipersonice.

Investitiile imense, tehnologia necesara, fac ca accesul la acest gen de tehnologie sa fie accesibila unui numar foarte mic de tari , practic USA, China si Rusia.

Probabil vom asista la o competitie acerba in domeniu, dar e greu de crezut ca se poate schimba major echilibru existent datorat ICBM urilor.

Este evident ca SUA  au o experienta mult mai mare si bineinteles si resursele necesare viitoarelor proiecte, in care sunt implicate marile firme din domeniu. 

Sa fim optimisti (asa cum deja sunt prezentate  multe proiecte futuriste in mass media) si sa speram ca tehnologia dezvoltata in domeniul militar, va fi apoi transferata si in transportul aerian civil .

Oare vom zbura si noi cu M5+  !?

Costuri in aviatie

           Costurile pentru proiectarea, testarea, productia, achizitia si exploatarea avioanelor militare , au atins valori astronomice.

Parca si miliardul de dolari este mic in acest domeniu.

Pretul unui avion de lupta modern din generatia 4+/ 5 , depaseste 100 mil $, iar costul de operare este pe masura.

Evolutia preturilor avioanelor de lupta

                              

Definitii :

LCC - life cycle cost  - include totalitatea costurilor pe toata durata unui produs :

         

-  flyaway cost - este costul de productie pentru un avion la nivel cheltuieli de fabricatie, fara armament, sau echipamente de exploatare si intretinere. Nu include cercetarea, proiectarea, testarea. 

         Este dependent de cadenta de fabricatie. 

In mod similar la nave se foloseste sailaway si la vehicule rollaway.

-  weapon system cost  - este costul flyaway plus manuale, training, echipamente exploatare, simulatoare, ( are sensul de avion gata de lupta si este de multe ori folosit in contractele de vanzare - nu include armament)

- procurement cost -  weapon system cost plus piese schimb initiale

- program aquisition cost  - se adauga la  procurement cost, costurile de proiectare si constructiile militare necesare exploatarii

                 - costuri dezvoltare  (RTD&E - research, test, devloppment and evaluation)

                - costuri constructii militare (MILCON) Military Construction – (baze, hangare, scoli, piste ..etc) . De ex. India, in programul de cumparare Rafale, are prevazut 1,2 mld $ pentru doua hangare climatizate, din total 8.8 mld $ pentru 36 buc.

- life cycle cost  - program aquisition cost plus costuri operare si service O&S 

                    - costurile O&S includ toate cheltuielile bazelor aeriene, salarii,  combustibil, si cheltuielie cu reparatiile si intretinerea , piese schimb,  modificari, etc.

Se folosesc si alte calcule de costuri:

- cost mediu de productie : cost flyawayplus RDT&E impartit la numarul de avioane

- cost mediu total - costul din life cycle impartit la numarul de avioane

Ca si exemple de costuri :

- F 18E/F Hornet a avut costul flyaway 57 mil $, iar cel de weapons system cu 39.8% mai mare, respectiv 80.4 mil $.

- costul programului de achizitie  F 35, pentru 2456 aparate este de 406.5  mld$, inclusiv RDT&E si constructii militare. La acest cost, se mai adauga inca 1 100 mld $, cheltuieli de operare si service pe toata perioada de viata. Cu o suma de peste  1500 mld pentru life cycle cost, este cel mai scump program militar din istorie.

Costul flyaway F 35 in functie de volumul productiei

In general, calculat statistic, costurile cele mai mari sunt in perioada de operare si service.

                                         

      Un alt parametru de masurare folosit in exploatarea avioanelor militare este costul orei de zbor CPFH.

      Calculul costului orei de zbor include :

- combustibil

- consumabile

- costul de exploatare si intretinere

- manopera la nivelul bazei

- modernizari

- amortizare....

Valorile calculate pentru ora de zbor sunt indicative si depind de multi factori specifici : profilul de zbor, costurile locale, etc.

                                                               Costuri inclusiv amortizarea

Top 10 US 

Costuri per ora zbor 

                                         

  Pentru a face o comparatie mai simpla, se folosesc valorile pentru costul orei de zbor in care sunt incluse doar cheltuielile directe :

   - consumabile                (10 - 15 %)

   - combustibil                  (20 - 25%)

   - intretinere si reparatii  ( 60 - 70%)

Si fiindca in ultima vreme subiectul TAROM a fost mult discutat, mai jos sunt prezentate costurile unui operator de aviatie civila.

Costuri linie aeriana

Companie low cost

                                          

 In concluzie, la aceste sume imense, calculul bugetului destinat achizitiei si exploatarii avioanelor de lupta, trebuie facut cu multa precizie.

Costurile de exploatare ridicate , necesita un buget pe masura. 

Cei 2% din PIB la noi pentru bugetul armatei  trebuie repartizati pe cheltuieli de operare, inzestrare salararii si pensii, etc

Orice achizitie implica automat costurile de operare viitoare, practic realizandu-se o proiectie a bugetelor viitoare necesare acestui capitol

Si totul ar trebui facut cu mult profesionalism, fara politicieni cu zero pregatire in domeniu.

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.

Douglas XB -42 Mixmaster  SUA 1944

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.

North American XF-82 SUA 1945

 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.

McDonnell XF-85 Goblin SUA 1946 

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.  

 Aerodina Alexander Lippisch  Germania 1972

 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)