VTOL V T o L STOL Short Take off Landing;...Bell cég hagyományos építésű AH-1G Huey Cobra-ja...
Transcript of VTOL V T o L STOL Short Take off Landing;...Bell cég hagyományos építésű AH-1G Huey Cobra-ja...
VTOL – Verical Take off Landing;
STOL – Short Take off Landing;
• VTOL/STOL repülőgépek szükségessége, története, velük szemben támasztott általános követelmények
• A függőlegesen végrehajtott fel- és leszállás megvalósításának technikai lehetőségei:- egyetlen menet-emelő hajtómű alkalmazásával;- külön menet- és külön emelő hajtómű alkalmazása;- emelő és menet-emelő hajtóművek együttes alkalmazása.
- VTOL/STOL repülőgépek kormányzása függésben és átmeneti repülési üzemmódokon
- VTOL/STOL repülőgépek le- és felszállási sajátosságai, környezeti hatásai
• A jelen és a közeljövő
Grg = mrg·g
Fp =mlev,sec(w5-v)Fz,j
Fz,b
Az összefüggésekben:cy; cx – felhajtóerő és légellenállási-erő tényező;ρ – a közeg (levegő) sűrűsége [kg/m3];v – repülési (megfúvási) sebesség [m/s];A – szárny- (hord-) felület [m2];mlev,sec – a hajtómű levegő fogyasztása [kg/s];w5 – a hajtómű fúvócső kilépő keresztmetszetén távozó gáz sebessége [m/s];
Az aerodinamikai elven megvalósított repülés és kormányzás sajátosságaiA (hagyományos) repülőgépre, repülés közben ható eredő erők:
A2
ρ=
vcF
2
xx
A2
ρ=
vcF
2
yy
Egyenesvonalú, vízszintes (H = const), állandó sebességű (v = const) és irányú (csúszás, dőlés, stb. mentes) repülés feltétele, hogy az azonos hatásvonalú erők egyensúlyba legyenek és a működő nyomatékok eredője zérus legyen:
Fy = Grg, Fx = Fp, Fz,j = Fz,b azaz ΣΣΣΣFy(x;z) = 0 és ΣΣΣΣMy(x;z) = 0Mindezekből következik, hogy:• a fel- és leszálláshoz, a levegőben maradáshoz (repüléshez, kormányzáshoz)
szükséges légerők létrejöttéhez elengedhetetlen a légijármű és a közeg (levegő) egymáshoz képest történő, megfelelő sebességű (vev≤v) folyamatos elmozdulása;
• 0≤v<vev repülési sebesség tartományban a VTOL/STOL repülőgépek levegőbe emelkedéshez, folyamatos repüléshez, valamint a kormányzáshoz és stabilizáláshoz külön eljárásokra, szerkezeti elemekre és berendezésekre van szükség.
A hagyományos merevszárnyú repülőgépek a fel- és leszállásához (vmin eléréséhez szükséges gyorsítási, innen történő fékezési út-hossz) előkészített pá-lyák, és/vagy kiépített repülőtér hálózat fenn-tartását igénylik,
• katonai alkalmazás ese-tén könnyen felderíthe-tőek, sebezhetőek és megsemmisíthetőek;
• csak a lakott telepü-lésektől távolra telepíthe-tőek (környezet- és balesetvédelem!);
• hagyományos repülőgé-pek esetében a nekifutá-si/kigurulási úthossz nem azonos a fel/leszálláshoz szükséges pálya hosszá-val.
15
-25
m
15
-25
m
melyek:• nagyméretűek, működ-
tetésük energiaigényes, így nagyon drágák, költ-séges infrastruktúra kié-pítését, fenntartását és üzemeltetését igénylik;
A hagyományos repülőgép le- és felszállási sajátossága
Fp
Fy, szárny
Grg = Fy, szárny
Fp
Grg = Fy,p + Fy, szárny
Fy,pFy, szárny
Fx,p
A VTOL/STOL repülőgép repülési sajátosságai:• Fp>Grg toló-/vonóerőt (is!) előállítva képes függőlegesen felemelkedni (süllyedni), függeni;• 0≤v≤vev sebesség tartományban repülve is kormányozható és megfelelően stabil;• v>vev sebességtől repülése és kormányzása nem különbözik a hagyományos repülőgépekétől;• gazdaságossági, repülésbiztonsági mutatói nem maradnak el lényegesen a hagyományos rg-től.
Grg ≤ Fp
Fp
Átmeneti repülésiüzemmód
Aerodinamikai repülésiüzemmód
vrep
1
0
vev
Evolutiv (gyak., min.repülési sebesség)
µµµµGF
rg
p=Fp>Grg emelkedik;
Fp=Grg lebeg;
Fp<Grg süllyed;
A függőleges emelőerő létrehozásának módja 1.
A vízszintes haladó mozgáshoz szükséges toló-/vonóerőt létrehozó hajtómű(vek), biztosítja(k) a függőleges emelőerőt is. Innen elnevezésük:menet-emelő hajtómű.
Itt:
ΣFp ,m-e > Grg
Emelkedés
Vízszintes repülés
Fp, m-e, 1Fp, m-e, 2 Fp, m-e, 3Fp, m-e, 4
Fp, m-e, 1Fp, m-e, 2
Fp, m-e, 3Fp, m-e, 4
Külön emelő hajtómű(vek)hozzák létre a teljes függőleges emelőerőt (ΣFp,e) ebben - a csak vízszintes haladást biztosító, un. -menet hajtómű(vek) nem vesznek részt, (mivel erre szerkezetileg nem is képesek). Itt:
ΣFp ,e > Grg
A függőleges emelőerő létrehozásának módja 2.
EmelkedésΣΣΣΣ Fp, e{
emelő hajtóművek
Vízszintes repülés
ΣΣΣΣ Fp, m
menethajtóművek
A vízszintes gyorsításhoz és folyamatos haladáshoz szükséges toló-/vonóerőt kizárólag a menet-hajtóművek biztosítják. Ezek kialakíthatóak:
Fm ≤ Grg vagy Fm ≥ Grg
feltételekkel a VTOL/STOL köve-telményektől függetlenül, funkcio-nális kategóriájának megfelelően
A függőleges emelőerő létrehozásának módja 3.
Emelkedés
Vízszintes repülés
Fp, m-e, 2
Fp, m-e, 1
Fp, m-e, 1 Fp, m-e, 2{ΣΣΣΣFp,eAz menet-emelő hajtómű(vek)
által létrehozott a függőleges emelőerő (ΣFp, e) kiegészíti(k) az emelő hajtómű(vek) függőleges toló-/vonóerejét úgy, hogy
ΣFp, e < Grg és ΣFp, m-e ≤ Grg
de
ΣFp ,e + ΣFp ,m-e > Grg
A tartós vízszintes haladáshoz (menethez) szükségestoló-/vonó erőt (ΣFm) csak amenet-emelő hajtómű(vek)biztosítják.
Természeti modell, a „bio-VTOL/STOL”: a kolibri,amely, fszárny = 35-80 1/s frekvenciájú, nyolcas alakú szárnycsapásokkal biztosítja a lebegést, függőleges emelkedést és süllyedést.
Több más madár és számtalan rovar is képes hasonlóra. Jelenleg azonban ezt – akár a minimálisan elvárható gazdaságossággal és hatékonysággal - mesterségesen reprodukálni nem lehetséges .
Környezetbarát légi
utántöltés!
Magyar eredmények (is):
1916-ban Petróczi István, Kármán Tódor és Zurovecz Vilmos a sérülékeny, kötött, tüzérségi megfi-gyelő ballonok kiváltására, kötött, megfigyelő helikoptert épített, amivel sikeres kísérleti repüléseket végeztek. (A képen a továbbfejlesztett PKZ- 2változat látható. Megoldatlan stabilitási gondok miatt gyakorlatban nem alkalmazták.)
FFSZ Fy
Fx
Az első helyből felszálló repülőgépek a helikopterekForgószárnyuk vonóereje (FFSZ) meg-haladja a helikopter súlyát (Ghe), annak nagyságának és irányának vezérlésével egyidejűleg alkalmasak:
• emelőerő (Fy);• vonóerő (Fx);• kormányzóerő (nyomaték)
létrehozására.
Maximális vízszintes repülési sebességük (vmax=280÷320) km/ó növelésének akadálya, maga a forgószárny.
Ghe
Helikopter történet
Forgószárnyas repülőgépekosztályozása
A konvertiplán átmenet a helikopterek és a merevszárnyú repülőgépek között. A nagy átmérőjű légcsavarjait (esetleg szárnnyal és hajtóművel, vagy csak hajtóművel együtt) függőleges helyzetbe állítva helikopterszerűen száll fel, majd azokat fokozatosan vízszintesbe fordítva a merevszárnyú repülőgépként repül. (A leszállás fordított sorrendbe történik.)
Konvertiplánok 1.XV-3 Bell, 1955
X-22A Curtiss-Wright, 1963
XC-142
V-22
Előnye:repülési se-bessége elér-heti az 500-550 km/h-t.
Hátránya:rendkívül bo-nyolult a ve-zérlése és ma-gas a tüzelő-anyag fo-gyasztása.
A képeken az XC-142A kísérleti, légcsavarjaival együtt billenőszárnyúrepülőgép látható, amely első átmeneti üzemmódú repülését 1965-ben végezte.
Az VFW VC-400-at Nyugat-Német-országban fejlesztettek ki a 60-as években, de sorozatban nem gyártották.
Az X-19A kísérleti VTOL repülőgép (USA, Bell, 1963).
Konvertiplánok 2.
A Ryan X-13 Vertijet-et egyetlen sugárhajtómű emelte fel, illetve biztosította vízszintes haladását. Haditengerészeti fej-lesztésének célja, a kisméretű, szabad fedélzet-nélküli hajók oldalára (oldaláról) történő le-és felszállás.
XFV-1 függőleges helyzetből indult és ugyan így szállt le. Átmeneti üzemmódon kor-mányzása, a légcsavarok áramlási zónájába elhelyezett hagyományos aerodinamikai kormánylapokkal történt. A ~6000 N súlyú repülőgépet, koaxiális légcsavarjai ~9000 N vonóerővel, 30 m/s sebes-séggel emelték.
Függőleges helyzetből induló és leszálló repülőgépek 1.
A repülés „neuralgikus fázisai” a vízszintes repülésből áttérés függésbe, majd a „visszapillantó tükörből” végrehajtott leszállás.
Kérdés: a viharos, hullámzó ten-geren dülöngélő (emelkedő-süllyedő), viszonylag kis hajó oldalához, milyen eséllyel képes egy ilyen repülőgép biztonságosan, pontosan közel manőverezve leszállni, majd rögzíteni magát?
Nem feltétlenül volt új ötlet!
Franciaországban a SNECMA 1959-ben gyűrűsszárnyú, kísérleti repülőgépet építettColeopter C 450 típusjellel. A gyűrűs szárny és törzs közötti belső csatorna nagy repülési sebességeken aerodinamikailag sűrítette a beáramló levegőt. Ebbe tüzelőanyagot adagolva és meggyújtva, járulékosan torlósugár-hajtómű is létrejött.
Függőleges helyzetből induló és leszálló repülőgépek 2.
Az emelkedés és függés során szükséges stabilitásés kormányozható-ság vizsgálatára,1955–ben, gyakorla-ti, kísérleti eszközt isépítettek.
X-14A Bell, 1957
A Bell X-14A kísérleti repülőgép hajtóműveinek fúvócsöveire szerelt zsaluk állás-szögének vezérlésével, valamint az azokat rögzítő keretek differenciált elforgatásával hozták létre a kívánt nagyságú és irányú, eredő toló- (emelő-) erőt.
A Grumman 698-as kísérleti modell a függőleges emelő-, majd gyorsító erőt hajtóműveinek függőleges síkban történő elfordításával, átmeneti üzemmódokon a kormányzását, a hajtóműházra rögzített, gázsugárba helyezet aerodinamikai kormánylapokkal végzik.
Grumman 698
Aerodinamikai kormánylap
Vízszintes helyzetből induló és leszálló repülőgépek 1.
A leszállás fázisai, idő éssebesség jellemzői
A felszállás fázisai, idő éssebesség jellemzői
A kis, szabad-fedélzet nélküli hajók oldalára történő áhított le- és felszállás megvalósítására, a későbbiekben csuklós törzsű repülőgép terveit is elkészítették. A törzs hátsórész – rajta a hajtó-művekkel és vezérsíkokkal – mozgatását hidraulikus munkahengerekkel kíván-ták megvalósítani. (Az el-képzelés a rajzasztalnál nem jutott tovább.)
Vízszintes helyzetből induló és leszálló repülőgépek 2.
Kérdés:A viharos, hullámzó, tenge-ren dülöngélő (emelkedő-süllyedő), viszonylag kis hajó oldalához milyen esély-lyel képes egy repülőgép biztonságosan és pontosan közel manőverezni, majd leszállva rögzíteni magát?
Elfordíthatófúvócsövek
A JAK-36 kísérleti vadászrepülő-gép egyetlen, egyáramú gázturbi-nás sugárhajtóműve elfordítható fúvócsővégeinek forgásközéppont-ját a súlypont vonalába helyezték el. Bennük a gázáramlás vesz-tességeinek csökkentésére áram-lásterelő profilokat alkalmaztak.
Vízszintes helyzetből induló és leszálló repülőgépek 3.
Magasnyomású kompresszorÉgőtér
Ventillátor
Mellső fúvócső Tüzelőanyag csőkollektor
Mellső fúvócsőHátsó fúvócső
Az egyetlen, szériában épített VTOL vadászrepülőgép 1.
A tolóerő vektor irányának vezérlése, a kis-tömegű fúvócsövek gyors, pontos, késleltetés mentes, alacsony energiaigényű, mechanikus (Gall-lánc) elfordításával valósult meg.
Egyes változatoknál a hajtómű teljesítményét a „hi-degkörbe” (Πk~3!) tüzelőanyag befecskende-zésével és elégetésével, a „melegáramban” után-égetéssel, vagy vízbefecskendezéssel növelték.
A Harrier (1969, Hawker P 1127, 1961) kétáramú„Pegas” hajtóművei „hideg és forró körei” fúvócsöveinek kiáramló keresztmetszeteire, két-két, ~950-os szögben, szinkronban elforgatható fúvócsövet szereltek.
Az egyetlen, szériában épített VTOL vadászrepülőgép 2.
Függésben
Fúvócső függőleges helyzetben
Vízszintes repülésben
Fúvócső vízszintes helyzetben
Az ábrán látható megoldásnál a környezetkímélő felhajtóerőt, a gázturbinás hajtóműről, tengelykapcsolón és közlő-művön keresztül működtetett, nagy-teljesítményű centrifugálkompresszorok biztosították.
Gázturbinás hajtómű
Közlőműház
Centrifugál kompresszor elforgatható fúvócsöve
Menet-emelő hajtóművek tolóerő-vektor vezérlésének néhány lehetséges elvi megoldása 1.
A tolóerő irányát, a kompresszor-házakon elhelyezett fúvócsövek, függő-leges síkban, ~950-os szögben történő elforgatásával kívánták megvalósítani.
A „Pegass” hajtómű „meleg körének” egy-fúvócsöves kialakításával csökkenthetőek az áramlási vesztességek, javítható a propulziós hatásfok. A HARRIER-benezt a megoldást már nem alkalmazhatták a sárkány teljes átalakítása nélkül, de a BOEING JSF koncepcióján az ábrán látható elképzelést kivitelezték, ha nem is díjnyertesen (lásd később!).
Gázturbinás menet-emelő hajtóművek tolóerő-vektor vezérlésének néhány lehetséges elvi megoldása 2.
Gázterelő zsaluzatElfordítható fúvócsőVízszintes tolóerő üzemmód
Függőleges tolóerő üzemmód
Gázterelős fúvócsőNégy elfordítható fúvócsőKét elfordítható fúvócső
Függőleges tolóerő üzemmód
MozgathatóGSF
Gázterelő zsaluzat
Vízszintes tolóerő üzemmód
Létrehozásuk célja: a hagyományos helikopterek utazó és maximális repülési sebességét lényegesen meghaladó repülési sebesség biztosítása.
Kombinált helikopterek 1.
A kombinált helikoptereknél járulékosan megjelenik egy merev szárny és vízszintes toló-/vonóerőt biztosító lég-csavar. Ezek tehermentesítik a forgószárnyat, lehetővé téve nagyobb repülési sebesség (400-430 km/h) elérését. A vízszintes repülés során, a forgószárny alacsonyabb for-dulatszámon, vagy autórotáci-ós üzemmódon is üzemelhet.
Ennek a megoldásnak egy korai példánya a Lockheed cég AH-56 Cheyenne helikoptere, amely 1965-ban megnyerte a US Army AAFSS (Advanced Aerial Fire Support System) harci helikopter tenderét. Maximális sebessége elérte a 407 km/h-t.
Mégsem rendszeresítették a fejlesztések elhúzódása és rendkívül magas üzemanyag fogyasztása miatt. (Helyette a Bell cég hagyományos építésű AH-1G Huey Cobra-jasorozatgyártását kezdték el.)
AH-56 Cheyenne
Kombinált helikopterek 2.
Szakértők úgy vélik, hogy a technológia fejlődésével érdemes újra elővenni ezt az elképzelést. A US Army megbízta a PiaseckiAircraft Co.-t, hogy az általa kifejlesztett Vectored Thrust Ducted Propeller (VTDP)-t, (tolóerővektoros csőlégcsavar) próbálják integrálni a ma is rendszerben állóhagyományos helikoptereken.
Az S-72 helikopter vízszintes haladását gázturbinás hajtóművek biztosították.
Kombinált helikopterek 3.
KA-22
A szárnyvégeken elhelyezett légcsavaros gázturbinák, speciális tengelykapcsolók segítségével alkalmasak voltak a forgószárnyak meghajtására is.
Felszálláskor a hajtóművek csak a forgószárnyakat működtették, azok vezérlésilehetősége megegyezett a helikopterekével (közös és ciklikus beállítási szög). A kívánt, minimális repülési magasságot elérve, a forgószárny forgási síkjának előredöntésével (ciklikus „φ” vezérlés) megkezdődött a gyorsítás.
Átmeneti üzemmódon, a vízszintes repülési sebesség növekedésével a hajtómű teljesítményét a forgószárnyakról fokozatosan átadták a légcsavarokra, miközben a szárny és az aerodinamikai kormányszervek is – az egyre növekvő vízszintes sebesség-összetevő hatására - egyre hatékonyabban kapcsolódtak be a felhajtóerő termelésébe, valamint a kormányzásba.
Hagyományos repülőgépként repült vev elérését követően, a forgószárnyak pedig önforgási (autorotációs) üzemmódon működtek)
Kombinált helikopterek 4.
Rotodyn
Felszálláskor a hajtóművek csak a forgószárnyat működtették, vezérlé-se megegyezett a helikopterekével (közös és ciklikus beállítási szög). A kívánt repülési magasságot elérve, a forgószárny forgási síkjának előre-döntésével (ciklikus „φ” vezérlés) megkezdődött a gyorsítás. A reaktív forgószárnymeghajtás miatt reakciónyomaték nem ébredt, így faroklégcsavar sem kellett.
Átmeneti üzemmódon, a vízszintes repülési sebesség növekedésével a hajtómű teljesítményét a forgó-szárnytól fokozatosan átvették a légcsavarok, miközben a szárny és az aerodinamikai kormányszervek is egyre hatékonyabban kapcsolódtak be a felhajtóerő termelésébe és a kormányzásba.
A repülőeszköz hagyományos repülőgépként haladt vev elérését követően, a forgószárnyak pedig önforgási (autorotációs) üzemmódon működtek.
A további sebességnövelésnek azonban a forgószárny megléte elháríthatatlan akadálya, függetlenül annak üzemmódjától.
Az angol Rorodyn két 3860 kW-os hajtóműve a légcsavarjait mechanikusan, forgó-szárnyát reaktív módon - a hajtómű gázainak lapátvégi fúvókákhoz vezetésével -hajtotta meg.
Kombinált helikopterek 5.Mivel haladó repülés során az áramlásban
lévő álló, motorosan vagy autorotációsanműködő forgószárny közel azonos mértékben akadálya a további repülési sebesség növelésnek, tervek születtek az átmeneti üzemmódot követően annak megállítására, összecsukására és a törzsbe (hajtómű gondolába) történő bevonására. (Leszállás előtt a folyamat fordítva játszódik le.)
Már a modell-kísérletek is igazolták, hogy a forgószárny ki-/ beemelése v>vev sebességeken, alig kompenzálható, nagymérvű bólintó-nyomaték változást eredményez.
A forgószárnyak leállító, fékező, rögzítő, összecsukó, bevonó (kiemelő) mechanizmus további tömeg növekedésen kívül, túlzottan megnövelik a szerkezet bonyolultságát, meghibásodások és ezáltal repülő-esemény bekövetkezésének valószínűségét.
(A bemutatott megoldások csak modell-kísérlet
stádiumáig jutottak el, repülőképes példány nem épült
belőlük.)
Kísérleti X-forgószárnyas helikopter X-forgószárnyas harci-helikopter tanulmány
Ciklikus beállítási szög vezérlő rudazat
Forgószárny tengely
Mellső és hátsó belépőéllevegő-tápláló csatornája
Álló szelepsorForgó szelepsor
Coanda-felület
A forgószárnylapátok kialakítása speciális, a húr 50 %-ánál állított merőlegesre szimmetrikus, vastag profilja be- és kilépőélén, a teljes terjedtség mentén gázkifúvó rések vannak, Coanda-felülettel. Azt, hogy a lapát melyik oldalán van kifúvás a forgószárny üzemmódja határozza meg.
A betáplált levegő mennyiségét az álló és forgó szelepsor kölcsönös helyzete határozza meg. Vezérlésük a helikopter belső kormányszerveivel történik.
Felszálláskor a forgószárnyat a lapátok kilépőélén kiáramló levegő reakció-ereje hozza forgásba.Átmeneti üzemmódon a repülőeszközt forgószárnya helikopterként gyorsítja.Az evolutív sebesség (vev) elérve a forgószárnylapátokat fokozatosan lefékezik, majd a törzs szimmetria-tengelyéhez képest „X” pozícióba rögzítik úgy, hogy egy előre- és egy hátranyilazott szárnyat alkosson. Ezt követően levegőkifúvás már csak az új helyzetnek megfelelő kilépőélekenkeresztül történik. A betáplált levegő mennyiségének (a cirkuláció) vezérlésével szabályozható a létrejövő felhajtóerő. A jobb és bal szárnyfeleken kifújt levegőmennyiség differenciálásával, a kereszirányú kormányzás is biztosítható.
VTOLfelszállás
Átmeneti üzemmód
Utazó üzemmód
ωvmegfúvás
Kombinált helikopterek (megállítható „X”-forgószárnnyal) 6.
Kombinált helikopterek (C-130 „Gyrolifter”) 7.
A ‘80-as években előtervek készültek a legnagyobb szériában készült közepes nyugati szállító repülőgép, a C-130-as egy forgószárnnyal felszerelt változatának a kialakítására is. (Végül is soha nem épült meg.)
Az emelőventillátorok meghajtása a menet-hajtómű(vek) elterelt gázaival, illetve mechanikusan, tengelykapcsolón keresztül
turbina
ventillátor
gázterelő szelep
A függőleges emelkedéshez és a vízszintes gyorsításhoz szükséges emelőerő létrehozható ventillátor(ok) segítségével is, melyek meghajtha-tóak a menet-hajtóműtől elterelt forró gázokkal, vagy a forgórészről mechanikusan oldható tengelykap-csolón keresztül. (Utóbbi megoldás részleges adaptációja tanulmányoz-ható a díjnyertes JSF modellen is.)
TerelőzsaluÁlló terelő lapátsor
Zsalu Álló terelő lapátsor
Ventilátor lapát
Gázvezető csatorna
Meghajtó turbina
Az emelőventilátor szerkezeti felépítése és működése
Felszálláskor a hajtóműtől elvezetett forró gázok a ventilátor gázvezető csatornájából, annak külső gyűrűjére rögzített turbina fokozatra kerülnek és forgásba hozva azt, megkezdődik a környezeti levegő beszívása és szárny alá komprimálása.
Átmeneti üzemmódon a ventilátor alsó zsaluinak elfordításával az emelőerőnek víz-szintes (gyorsító) összetevője is keletkezik.
Vízszintes (v>vev) repüléskor megszűnik a levegő betáplálása a ventillátorokhoz, a zsaluzat becsukódva felveszi a szárnyprofil alakját. A forró gázok a fúvócsövön távoznak.
Megvalósított emelőventillátoros repülőgép az XV-5A Ryan (1964)
Gázvezető csövek
A ventillátorokkal – mint tolóerő erősítővel - történő felhajtóerő létrehozás jó hatásfokú, környezetkímélő. A szárnyak és a törzs belső térkihasználása rossz, a beépített járulékos berendezések miatt. Hangsebesség alatti repülőgépeknél Aszárny/Aventillátor~ 4.A mechanikusan meghajtott ventillátorok fajlagos felületi teljesítménye 5÷20 kW/m2, a hajtómű forró gázaival működtetetté 15÷30 kW/m2.
Tervezett emelőventillátoros repülőgépek
Az ausztrál terv a repülőgépet a nagy, sivatagos területeken keresztülfutó olaj-, gáz- és elektro-mos vezetékek ellenőrzésére és szükségszerinti karbantartására szánta, a helikoptereknél gyor-sabban repülve és gazdaságosabban üzemeltet-ve.
Kérdés: a nagytávolságú, hosszú időtartamú
sivatagi repülésekhez szükséges - vélhetően
tetemes - üzemanyag mennyiséget a sárkányon
belül, vajon hol kívánták elhelyezni?
emelőventillátor fel-/leszálláskor
emelőventillátor üzemen kívül
csillagmotorgyűrűs koaxiális
légcsavarok
emelőventillátor
tengelykapcsoló
Az emelőventillátoros, szuperszo-nikus vadászrepülőgép terve soha nem jutott tovább a rajzasztalnál.
Tolóerő erősítési tényező:
ahol:
A1; A2; A4 – keresztmet-szetek;
n – ejekciós tényező;
Az ejekciós tényező azonos sűrűségű gázokra:
A gázok különböző sűrűségéből adódó eltérés:
ρ1; ρ2 – az ejektáló és ejektált gáz sűrűsége;
A Ф érétke vesztességek és diffúzor nélkül, a gázok teljes keveredését feltételezve elérhetné a 2-es értéket. Gyakorlatban a különböző áramlási vesztességek miatt:
A4
A2
A1
L1 L2
Környezeti hideg levegő
Nagysebességű, kis-tömegű, forró levegő
Keveredett „langyos”, nagy-tömegű, kissebességű levegő
;cA
A
2
1= ;f AA
A
21
4
+=
ρ
ρ=
1
2
0nn
nc
1)(n22
2
1f1c
cΦ
−
⋅+
=+
fc
ffcn 22
222
0 1
11)(2c)c1
(1f+
+−−++⋅=
1,0 2,21,81,41,4
1,8
Ф
A4/A2
A Ventouri-cső működési elve
Felső záró-fedél
Alsó záró-fedél
1957
XV-4A, Lockheed, 1964 XV-4B, 1968
Ejektor-tér
Hajtómű fúvócső
Hajtómű
Gáz-fúvóka
Alsó zárófedél Gázterelő zsaluzat
Gázterelő szelep
Kísérleti ejektoros VTOL-repülőgépek
Kérdés: Az a repülőgép, amelynek egész törzsét az – egyébként jó hatásfokú, környezetkímélő, tolóerő erősítő – ejektor tölti ki, hol fog hasznos terhet szállítani?
Környezeti levegő
A hajtóműforró gázai
Meleg, levegő-gáz keverék
XFV-12A, kísérleti, szuperszonikus VTOL vadászrepülőgép
Hajtómű
Gázterelő zsalu
Levegő elvezető cső
•Emelő-ejektorrá a szárny- és mellső vezérsík mechanizált hátsó része alakul át, a teljes terjedtség mentén. Hozzájuk a szükséges gázokat a kétáramú hajtómű „hideg” és meleg fokozataitól vezetik.
•A mozgatható szárnyelemek pozíciójának változtatásával az átáramló gázkeverék mennyisége (a tolóerő) és iránya is vezérelhető.
•Kérdés: az ilyen vadászrepülőgépen(?) tüzelőanyag és fegyverzet hol helyezhető el?
XFV-12A, kísérleti, szuperszonikus VTOL vadászrepülőgép
Közforgalmú kísérleti repülőgépek
Hátránya:• mindhárom megoldásnál rendkívüli magas a hajtó-
művek fajlagos tömege (mhmű/mrg), tüzelőanyag-fogyasztása, valamint karbantartási igénye. Ebből adódóan kevesebb hasznos terhelést képes szállítani, rövidebb távolságra, drágábban;
• az emelő hajtóművek külön gondolába történő elhelyezése növeli a homlokellenállást;
• az emelő hajtóművek súlyponttól távoli elhelyezése miatt – függéskor és átmeneti üzemmódokon –közülük akár csak egyetlennek a meghibásodása is, nehezen kompenzálható kiegyensúlyozatlanságot eredményez.
Do 231, 1969
FIAT G.222
Létrehozás célja: a repülés biztonság növelése a legkritikusabb repülési fázisban, le-és felszálláskor.
Súly- (tömeg-)hányad táblázat
ξi
………
………
…
…
…
…
…
…
…
………
0,20 … 0,250,25 … 0,300,30 … 0,35
0,16 … 0,180,12 … 0,140,06 … 0,08
0,12 … 0,140,10 … 0,120,08 … 0,10
0,30 … 0,320,26 … 0,280,28 … 0,32
KönnyűKözepesNehéz
Katonai szállító
repülőgépek
0,35 … 0,400,45 … 0,500,55 … 0,60
0,10 … 0,120,07 … 0,100,06 … 0,08
0,10 … 0,120,08 … 0,100,06 … 0,08
0,26 … 0,280,22 … 0,240,18 … 0,20
KönnyűKözepesNehéz
Bombázó
repülőgépek
0,25 … 0,300,12 … 0,140,18 … 0,220,28 … 0,32Vadászrepülőgépek
0,08 … 0,120,06 … 0,080,08 … 0,100,48 … 0,52Segédmotoros vitorlázórepülőgépek
0,10 … 0,200,12 … 0,150,12 … 0,150,34 … 0,38Könnyű hidroplán
0,08 … 0,120,12 … 0,150,12 … 0,150,24 … 0,30Mezőgazdasági repülőgépek
0,10 … 0,150,06 … 0,070,26 … 0,300,32 … 0,34Sport-, műrepülőgépek
0,12 … 0,180,12 … 0,140,14 … 0,160,29 … 0,31Több célú, kishatótávolságú repülőgépek
0,45 … 0,520,07 … 0,090,08 … 0,100,20 … 0,24Hangsebesség felettiutasszállító repülőgépek
0,18 … 0,220,26 … 0,300,35 … 0,40
0,12 … 0,140,10 … 0,120,09 … 0,11
0,12 … 0,140,10 … 0,120,08 … 0,10
0,30 … 0,320,28 … 0,300,25 … 0,27
KönnyűKözepesNagy
Hangsebességalatti utasszállítórepülőgépek
ξhasznosξtüaξhműξsárkRepülőgép megnevezése
1 = ξállandó+ ξváltozó= ξsárk.ü+ ξhmű+ ξEMO+ ξR-L+ ξfe. ber+…+ ξtüa+ ξlőszer, rakéta+ ξhasznos
mm
rg
hmű
hmű=ξ
Mirage Balzac, 1962
315,04,35
427,08,6
5*41,613,4
619,4
725,6
26,72,15
µ2 = 0,95 eseténµ1 = 0,90 esetén
Kényszerleszálláskor a talajfogás függőleges sebesség-összetevője
vy [m/s]
Fel-/leszállás közben a toló-/vonóerőcsökkenés bekövetkezésének repülési
magassága [m]
(*) talajfogáskor a repülőgép futómű rugózó elemei rendszerintvy ~ 5 m/s függőleges sebességet képesek sérülés nélkülcsillapítani.
Hátránya:• Ennél a megoldásnál
rendkívüli magas a haj-tóművek fajlagos tömege (mhmű/mrg), tüzelőanyag-fogyasztása, valamint kar-bantartási igénye. Ebből adódóan kevesebb hasz-nos terhelést képes szállí-tani, rövidebb távolságra;
Előnye:• A súlypont közelében
elhelyezett emelőhajtó-művek valamelyikének működésképtelenné válá-sa esetén, a kiegyensú-lyozatlanság egyszerüb-ben kompenzálható, föld-közelből nem zuhan le.
Kísérleti VTOL-vadászrepülőgépek
A MIRAGE III „Balzac” emelőhajtóműveinek elrendezése
Légterelő zsaluzatLégterelő zsaluzat
Emelő hajtómű
Menet hajtómű szívócsatorna
Menet hajtómű szívócsatorna
Menet hajtómű szívócsatorna
Emelő hajtómű
Emelő hajtómű
Emelő hajtóműtér zárófedelei
Az emelő hajtóművek nem csak a fajlagos tömeget növelik, de jelentős térfogatot is igényelnek a sárkányon belül, csökkentve ezzel az elhelyezhető tüzelőanyagot, avioni-
kai berendezéseket és fegyverzetet.
Az emelő hajtóművek szívási hatásfokának javítására, felettük üzemközben légterelő zsaluk nyílnak ki.
Emelő hajtóművek terei nyitott , alsó
zárófedéllel
Működési sajátosságai:
• földközelben, közel függőleges helyzetben, szűk fordulatszám-tartományban, rövid ideig (egy feladat során maximum 6-10 percig), nem túlter-helt repülési üzemmódon működnek;
• nincs szükség segédberendezésekre (kenőrend-szerként akár ejtőtartályos olajzás is megfelel!), így kistömegű, egyszerű szerkezeti felépítésűre alakíthatóak ki.100125ΣΣΣΣ
3-44,5Csővezetékek
3-44,5Gyújtó rendszer
5-67Üzemanyag rendszer
5-67Fúvócső
21-2227Égőtér
2025Turbina
40-4250Kompresszor
[%][kg]
tömegSzerkezeti elem megnevezése
Hatfokozatú kompresszor forgórésze
ÉgőtérházA
forgórész támaszai
Egyfokozatú turbina
Gyújtó egység
Nincs külső kihajtás!
KOMPOZITOKTurbinaház
Felső áramlásterelő
Kompresszorház rögzítő gyűrű
Kompresszorház álló lapátokkal
Keverő-tér
Olaj betáplálás
Az emelőhajtómű működési sajátosságai, szerkezeti kialakítása
Kutatások a SzovjetunióbanA hidegháború következményeként
az egykori Szovjetunió is törekedett légierejét függetleníteni a kiépített repülőtér hálózattól. Ezért megépítet-ték valamennyi rendszeresített vadászrepülőgépük kísérleti STOL változatát, a súlypontban elhelyezett emelő-hajtóművekkel.
T-58VD
MIG-23PD
MIG-21PD
E megoldás előnye, hogy nem igé-nyel külön gázdinamikai kormány-vezélő rendszert.
Az elkészült repülőeszközökkel csak kísérleti repüléseket folytattak, fejlesztését, széria gyártását egyik-nek sem kezdték el. A startrakétás, katapultos felszállás, fékernyős, fékező köteles leszállás egyszerűbb, közel hasonló hatásfokú és nem foglal el hasznos törzstérfogatot.
FÜGGŐLEGES EMELKEDÉS:
Működési elv
Fe1 Fe2 Fe3 Fe4Fm-e,1-2
A repülőgépbe olyan menet-emelő hajtóműve(ke)t építenek be, amely hagyományos légijárműként - kategóriájának megfelelően – „csak” a vízszintes haladáshoz szüksége toló-/vonó erőt képes(ek) biztosítani . Így rendszerint Fp,m-e<Grg, de a tolóerő (-vektor) függőleges irányba is elfordítható. Az emelő hajtómű(vek) által létrehozott a függőleges emelőerő (ΣFp,e) kiegészíti(k) a menet-emelő hajtómű(vek) függőleges toló-/vonóerejét úgy, hogy ΣFp, e < Grg, de ΣΣΣΣFp ,e + ΣΣΣΣFp ,m-e > Grg
FERDE EMELKEDÉS
+ GYORSÍTÁS
vev-ig:
Működési elv
Fe1 Fe2 Fe3 Fe4Fm-e,1-2
Fm-e,1-2
A repülőgépbe olyan menet-emelő hajtóműve(ke)t építenek be, amely hagyományos légijárműként - kategóriájának megfelelően – „csak” a vízszintes haladáshoz szüksége toló-/vonó erőt képes(ek) biztosítani . Így rendszerint Fp,m-e<Grg, de a tolóerő (-vektor) függőleges irányba is elfordítható. Az emelő hajtómű(vek) által létrehozott a függőleges emelőerő (ΣFp,e) kiegészíti(k) a menet-emelő hajtómű(vek) függőleges toló-/vonóerejét úgy, hogy ΣFp, e < Grg, de ΣΣΣΣFp ,e + ΣΣΣΣFp ,m-e > Grg
A vízszintes haladáshoz (menethez, vrep≥≥≥≥vev esetén!) szükséges toló-/vonó erőt (ΣFm)csak a menet-emelő hajtómű(vek) biztosítják.
VÍZSZINTES HALADÁS:
Működési elv
Fm-e,1
Fm-e,2
Fm-e,1-2
A repülőgépbe olyan menet-emelő hajtóműve(ke)t építenek be, amely hagyományos légijárműként - kategóriájának megfelelően – „csak” a vízszintes haladáshoz szüksége toló-/vonó erőt képes(ek) biztosítani . Így rendszerint Fp,m-e<Grg, de a tolóerő (-vektor) függőleges irányba is elfordítható. Az emelő hajtómű(vek) által létrehozott a függőleges emelőerő (ΣFp,e) kiegészíti(k) a menet-emelő hajtómű(vek) függőleges toló-/vonóerejét úgy, hogy ΣFp, e < Grg, de ΣΣΣΣFp ,e + ΣΣΣΣFp ,m-e > Grg
Do. 31, 1967
Menet-emelő hajtómű (GTH)
Emelő hajtóművek (GTH)
Közforgalmú kísérleti repülőgépek repülőgépek
Hátránya:
• e megoldásnál rendkívüli magas a hajtóművek fajlagos tömegaránya (mhmű/mrg), tüzelőanyagfogyasztá-sa, valamint karbantartási igénye. Ebből adódóan kevesebb hasznos terhelést képes szállítani, rövidebb távolságra, a hagyományos szállító repülőgépnél lényegesen magasabb költségért;
• az emelő hajtóművek szárnyvégi elhelyezése miatt – függéskor, vagy átmeneti üzemmódokon – közülük akár csak egyetlennek a meghibá-sodása is nehezen kompenzálható kiegyensúlyozatlanságot eredmé-nyez.
Tervezett kísérleti katonai repülőgépek
Menet-emelő hajtómű el-fordítható fúvócsővel
Kihajtható, elfordítható emelő
hajtóművek
Elfordítható menet-emelő hajtómű
Kihajtó szinkron-tengely
Emelő ventillátor
Közbülső reduktor
Tengely
A tervezett változtatható szárnynyilazási szögű szuperszonikus vadászrepülőgép menet-emelő hajtóművei tolóerejét felszálláskor 4 db emelőhajtómű egészítette (és/vagy egyensúlyozta?) volna ki, amennyiben az elképzelés megvalósul.
Az emelő ventillátor tolóerő-vektorának szabá-lyozása a kiáramló keresztmetszetére épített terelő-zsaluk elmozdításával biztosítható.
Bonyolultsága, magas költségei és tüzelő-anyag-fogyasztása miatt szériagyártásra egyiket sem ítélték alkalmasnak.
súlypont
VJ 101 C-X31, 1963, Entwicklungsring Süd
Megépített kísérleti vadászrepülőgépek
VAK 191B, 1970Míg a VJ 101-nél a szárny-végeken elhelyezett hajtóműpárokvízszintesből függőleges helyzet-be ~1000-kal átfordulva működtek „menet” vagy „emelő” üzem-módon, addig a VAK 191B ugyan-erre súlypontjába beépített hajtó-műve fúvócsövei elfordításával volt képes.Az emelő hajtóművek tolóerő-
vektorának szabályozása a fúvó-csövekre épített terelőzsaluk elmozdításával biztosítható.Bonyolultsága, magas költségei
és tüzelőanyag fogyasztása miatt szériagyártásra egyiket sem ítélték alkalmasnak.
Kis hatósugara, alacsony fegyverzeti terhelhetősége miatt inkább presztízs repülőgépnek számított.
Emelő hajtóművek
Menet-emelő hajtómű elfordítható
fúvócsövekkelLégterelő redőny
Gázterelő redőny
Elfordítható fúvócső
Megvalósított haditengerészeti vadászrepülőgép
1 170Max. rep. seb. [km/ó]
15,25Repülőgép hossz [m]
7,00Szárnyfesztáv [m]
8 700Felszálló tömeg [kg]
1x90Menet hajtómű [kN]
2x20Emelő hajtómű [kN]
Vizsgált jellemző
A repülőgép aerodinamikai kormányzásának lehetősége
A merev, tömeggel rendelkező anyagi pontként vizsgált repülőeszközök térben 6 szabadságfokú elmozdulásra képesek, a hozzájuk rögzített koordináta rendszer 3
Következtetés:
A v*ev>vrep≥0 sebességtartományban történő hatékony kormányzáshoz a repülőgépen szükségszerű nem aero-dinamikai elven működő külső kormány-szervek elhelyezése is.
Megvalósítandó feladat:ezekben az irányokban a repülő-eszköz térbeli helyzet és/vagy mozgásállapotának kívánt irányú és intenzitású, akaratlagos meg-változtatása (visszaállítása), azaz kormányzás, a teljes üzemel-tetési tartományban, a hagyomá-nyos aerodinamikai kormányszer-vek hatástalanná válásakor is (vev>vrep≥0).
tengelye (x, y, z) körül (bólin-tás, bedöntés, legyező mozgás), valamint e tengelyek irányába.
Kormányzás alapfogalmai
(*) – vev, evolutiv sebesség az a gyakorlati minimális repülési sebesség, amellyel a repülőeszköz még ny= függőleges túlterhelésű manővert képes végrehajtani, toló-/vonóerő növe-lése nélkül.
2
Általános követelmények, a nem aerodinamikai elven működő kormányszervekkel:
Nem aerodinamikai kormányzó erő (nyomaték) létrehozható:• az emelő hajtóművek vonó-/tolóerejének differenciált vezérlésével;• külön kormányzó vonó-/tolóerőt biztosító berendezések alkalmazásával.
A kormányzás lehetőségei v~0 sebességtartományban
• biztosítson a repülőgépnek, a hozzárendelt koordináta-rendszer tengelyei körül megfelelő szögsebességű (ωx,y,z), szöggyorsulású (εx,y,z) elfordulást;
• a kívánt elmozduláson kívül más, járulékos helyzetváltozás nem következhet be.
A kormányzás lehetőségei v~0 sebességtartományban
Speciális követelmények:• minimális teljesítmény igény →→→→ a kormányszerveket a súlyponttól lehető legtávolabb
kell elhelyezni;• nagytömegű berendezéseket a súlypont közelébe szükséges koncentrálni (kicsi
legyen a tehetetlenségi nyomaték!);• késleltetés mentes, követő rendszerű, pontosan szabályozható működés (→→→→ gáztur-
binás hajtómű tolóerő vezérlése korlátozottan alkalmas erre, helyette) célszerű a hajtómű kompresszorától megcsapolt, sűrített levegőt felhasználni, vagy a kormány-zásra /is/ alkalmas légcsavarok lapátjainak közös beállítás szögét vezérelni!);
• a külső kormányszervek működtetése, lehetőleg az aerodinamikai kormányszervek mozgatásához szükséges belső kormányszervekkel azokkal azonos elven valósuljon meg.
kormányszerv emelő hajtómű súlypont
Az emelő hajtóművek és kormányszervek lehetséges elhelyezése
l - szárnyfesztáv
Lt – törzshossz;
Kiinduló adatok a kormányvezérlő rendszer kialakításához
A külső kormányszervek teljesítmé-nyének előzetes meghatározásához -függetlenül azok típusától, főként a külső zavarások hatásának megbíz-ható kompenzálására – az egyes tengelye körül, az alábbi közelítő formulákkal meghatározható szög-gyorsulásokat (ε) kell biztosítani:
εx,vez= e-0,015m
εz,vez= 0,55e-0,015m
εy,vez= 0,27e-0,015m
ahol,
m – a repülőgép tömege [t];e=2,71… természetes alapú logaritmus;
A repülőgép előzetesen meghatáro-zott főbb geometriai méretei (szárny-fesztáv /l/, törzshossz /Lt/) ismere-tében, a szükséges szöggyorsulások értéke grafikon segítségével tovább pontosítható.
Koaxiális faroklégcsavar
A légcsavarok leáramlásába helyezett csűrők
Kormányzás függésben és átmeneti üzem-módon:
Bólintás: a koaxiális faroklégcsavarok vonóerejé-nek vezérlésével.
Bedőlés: a légcsavarok közös beállítási szögének differenciált vezérlésével. (Járulékos legyező-mozgást is eredményez, a reakciónyomatéki egyensúly megbomlása miatt!)
Légcsavaros repülőgépek kormányzása 1.
Útirányú: a légcsavarok leáramlásába helyezett csűrőlapokkal és/vagy szárnymechanizációs eszközökkel.
Megjegyzés: mivel a légcsavarok vonóerejét rendszerint n=const mellett, a légcsavarok közös beállítási szögének hidraulikus vezérlésével valósítják meg, a késleltetés mentes, követő-rendszerű elmozdulás biztosított.
Mz Mx
Bólintás: elől és hátul differenciált közös φ vezérlése
ΣΣΣΣMy
-Mr
-Mr
+Mr
+Mr
ΣΣΣΣMy
Útirányú: elől és hátul differenciált ciklikus, átlósan azonos, egymás mellett differenciált közös φ vezérlése
Légcsavaros repülőgépek kormányzása 2.
Bedöntés: jobbról és balról differenciált közös φ vezérlése
Megjegyzés: a differenciált közös beállítási szög változtatás, mindig járulékos legyező-mozgást is eredményez, a reakciónyomatéki egyensúly megbomlása miatt!)
Bólintás repülőgép üzemmódon:mellső és hátsó kormánylapok differenciált kitérítése.
Bólintás VTOL üzemmódon:elől és hátul differenciált közös φ vezérlése (ld. előző!).
Útirányú VTOL üzemmódon:a légcsavarok áramlásába helyezett aerodinamikai kormányfelületekkel.
Útirányú repülőgép üzemmódon: jobb és baloldalon a légcsavarok beállítási szögének differenciált vezérlésével. (A függőleges vezérsíkon nincs oldalkormány, csak stabilizál!)
Bedöntés repülőgép üzemmódon: jobb és baloldali kormánylapok differenciált kitérítése.
Bedöntés VTOL üzemmódon: jobbról és balról differenciált közös φ vezérlése (ld. előző!).
Légcsavaros repülőgépek kormányzása 3.
Gázturbinás hajtóművű repülőgépek kormányzása 1.A kormányzáshoz szükséges propulziós erő, a hajtóművek kompresszorának hátsó fokozataitól megcsapolt magasnyomású levegő, szárny-, illetve törzsvégi, szabályozható kiáramlású fúvókáihoz vezetésével történik.
Magassági fúvóka
Magassági fúvóka
Csűrő fúvóka
Csűrő fúvóka
Csűrő fúvóka
Oldal fúvóka
Oldal fúvóka
Magassági fúvókaMagassági
fúvóka
Csűrő fúvóka
Csűrő fúvóka
HVK
fúvóka helyzet-vezérlés
Emelő hajtóművek tolóereje
A késleltetés mentes működés biztosítására a fúvókákból folyamatosan egyensúlyi kiáramlás biztosított. Működtetéskor az összetartozó fúvóka pár egyikének növelik, a másiknak pedig csökkentik a fojtásfokát.
A kormányfúvókák működtetése, ugyan-azokkal a belső kormányszervekkel történik, mint az azonos funkciójú, aerodinamikai külső kormányszerveké.
A hajtóművek (fúvócsövek, terelő zsaluk) függőleges síkban történő elforgatása külön kezelőszerv, több emelő hajtómű alkalmazása, azok viszonyított tolóerejének kijelzésére alkalmas műszerbeépítését igénylik.
Gázturbinás hajtóművű repülőgépek kormányzása 2.
Kialakításuk, felépítésük elve hasonló az előzőekben bemutatott megoldásokéval. Az aerodinamikai és gáz-dinamikai vezérlőrendszer integrált, működtetésük azonos belső kormányszer-vekkel történik.
Gázturbinás hajtóművű repülőgépek kormányzása 3.Függésben és átmeneti üzemmódokon a kormányozhatóság tesztelésére működő
sztendeket (repülő próbapadokat) építenek. Ezeken a hajtómű, a gázdinamikai kormányszervek helyzete, típusa, teljesítménye, súlyponttól mért távolsága, a repülőszerkezet felszálló tömeg (lehetőség szerint annak x, y, z tengely irányú tömeg-megoszlása), megegyezik az eredeti repülőgépével.
Az alsó ábrákon a JAK-36 repülőgép gázdinamikai kormányszerveinek kísérleti, repülő próbapadja látható.
Menet-emelő + emelő hajtóműves repülőgép kormányzása
A kormányzás, a hajtóműcsoportok tolóerő vektorai nagyságának és irányának változ-tatásával (vezérlésével) történik. Az aerodi-namikai és hajtóművekkel történő vezérlési körök integráltak
Függőleges emelkedés: valamennyi haj-tómű tólóerejének, azonos értelmű, szinkron növelésével (csökkentésével).
Vízszintes gyorsítás: a menet-emelő haj-tóművek fokozatos, szinkronba történő elő-refordításával, egyidejűleg az emelő hajtó-művek zsaluit is azonos irányba elfordítják.
Bólintó mozgás: a menet-emelő hajtómű-vek és az emelő hajtóművek ellentétes értel-mű tolóerő vezérlésével.
Bedöntés: a jobb és baloldalon elhelyezett menet-emelő hajtóművek ellentétes értelmű tolóerő vezérlésével.
Legyező mozgás: a bal- és jobboldali haj-tóműblokk „Ψ” szöggel történő, ellentétes irányú elfordításával.
A VTOL/STOL felszállás módozatai
Kattintson ide! A legnagyobb baleseti kockázatú un. átmeneti üzemmód (v=0 →→→→ v= vev) annál rövidebb (ezáltal annál biztonságosabb minél nagyobb a felszálláskor elérhető maximális hajtómű tolóerő/repülőgép súly viszonyszáma (µ=Fpmax/Grg).
Mindenek előtt az egyetlen menet-emelő hajtóművel rendelkező VTOL légijárművekreveszélyes ilyenkor – különösen függéskor - a toló-(emelő-)erő csökkenése, vagy pillanatnyi megszünése.
VTOLSTOL
A repülőgépek felszálláshoz akár VTOL, akár STOL eljárást alkalmaznak, vev repülési sebesség eléréséig – a párnahatás kihasználása érdekében és repülésbiztonsági megfontolásból - nem emelkednek H=30 m repülési magasság felé.
A helyből felszálló repülőgépek a katapult rendszereinek, kötelezően biztosítania kell álló helyzetben is (H = 0 repülési magasságon, v = 0 repülési sebességnél) a légijármű biztonságos vészelhagyását. (Ez, az un. ‘0-0’-ás katapult.) Működésük annyiban különbözik a hagyományos kialakításúaktól, hogy az ülésbe épített többfokozatú rakétahajtómű, az indítópozícióhoz képest, Hmax=70÷110 m magasságig emeli azt, lehetővé téve ezzel a repülőgépvezető az leválasztását az ülésről, valamint a személyi mentőernyő kellő magasságon (Hmin=20÷25 m) történő biztonságos belobbanását.
1.
2.
4.
3.
5.
6.
70 ÷
110
m
20 ÷
25
m
Katapultálás VTOL/STOL légijárművekből
Megjegyzés: az utóbbit, egyes megoldásoknál külön berendezés is segítheti.
A talaj közelében - függőleges körüli fúvócső helyzetben - függő( emelkedő, süllyedő) repülőgép talajjal ütköző gázáramának áramlási viszonyai bonyolultak. (Vörös a legforróbb, kék a legalacsonyabb hőmérsékletű gázáramot jelöli.)
Gázturbinás VTOL/STOL repülőgépek gázárama 1.
A hajtómű(vek)ből kiáramló gázsugar(ak)nak földközelben rendszerint a talajjal, sárkány elemekkel (egymással), a környezeti mozgó levegővek ütközve interferálnak, bonyolult áramképeket létrehozva jelentős az erroziót is okozhatnak. (Ld. következő dia!)
Gázturbinás VTOL/STOL repülőgépek gázárama 2.A különböző szerkezeti kialakítású hajtóművekből kiáramló gázok (levegő) eltérő
mértékű hő és nyomásterhelést okoznak a felszállópályán.
A nyomás és hőmérsékleti értékek ismeretében belátható, hogy különösen az egyáramú gázturbinás sugárhajtóművek (főleg utánégető üzemmódon!) jelentős mértékben terhelik (rombolják) a felszálló pályát. Emellett, a felmelegített talaj, hosszú ideig árulkodó termo-jeleket biztosít a légi-és műholdas felderítés számára.
Aszfalt Közúti beton Döngölt talaj
Különböző felszálló pályák nyomás- és hőállósága
Különböző borítású felszálló felületek roncsolódása, 10 másodpercnyi, gázturbinából kiáramló gázsugár hatására. A megfúvás magassága, a GTH fúvócső átmérő kétszerese. A mérőszalag hossza 1,5 m.
t=620 0C →→→→ 1,5 mm mély repedés;t=815 0C →→→→ 6,5 mm mély repedés;t=1630 0C →→→→13 mm mély repedés;
2,24 m2 sérült felület, 0,71 dm3
kiszakadt.1,22 m átmérőjű, átlagosan 23 cm mély gödör keletkezet, 0,267 m3
talaj kiszakadt.
GTH után-
égetés-sel
GTHKétáramú GTH
Ejektor,Ventillá-
tor
Üvegszál
Acél
GTH után-
égetés-sel
GTHKétára-mú GTH
Ejektorventillá-
tor
A kiáramló nagysebességű és nyomású forró gázok, a bennük lévő égéstermékekkel és a feltépett talaj darabokkal, földközelben könnyen visszakerülhetnek a hajtómű szívó-csatornájába, annak sérülését, teljes eltömődését okozva.
A függőlegesen leáramló forró hajtóműgázok hatása 1.
Következtetés: a gázturbinás sugárhajtóművel felszerelt VTOL repülőgépek nem képesek a terep és szél viszonyoktól függetlenül biztonságosan felszállni.
vszél
vszél
A szemből, vagy oldalirányból fújó szél a gázok és szennyeződés recirkulációját tovább fokozhatja.
A függőlegesen leáramló forró hajtóműgázok hatása 2.
H≤
l
A nagysebességgel leáramló gázok a talajnak ütközve 900-kal elfordulnak, a szárny alatt, vízszintes megfúvást (vz,x>0) létrehozva. Eközben a szárny felett a levegő nyugalomba marad (v~0), így itt a nyomás is magasabb lesz mint a szárny alatt, vagyis lefelé mutató (szívó) légerő keletkezik, nehezítve a felszállást („kúthatást” létrehozva). (Gázadással, teljesítmény- /gázkiáramlási sebesség-/ növelésével a szívóhatás fokozódik!)
+ + + + + + + +- - - - - - - - - - -∆Fy
A függőleges emelőerő csökkenés mértéke (-∆Fy/Fy,p):• a felszín feletti relatív szárnytávolságtól (H/l) (a repülési magasságtól, H);• így, a repülőgép egyes geometriai méreteitől (l);• a hajtómű(vek) sárkányon belüli elrendezésétől függ.
[%]
,FF
py
y∆−
Következtetés: VTOL repülőgépeket vállszárnyas elrendezésűre célszerű építeni.
A kívánt emelkedési magasság (Hem) és idő (tem) ismeretében µ közelítő értékei:
aminek, különböző magasságra számított értékei grafikusan is megjeleníthetőek:
A függőlegesen leáramló forró hajtóműgázok hatása 3.
gtH
em
em21+≈µ
Ismerve azt, hogy az emelkedés feltétele ΣFy>Grg, azaz µ>1, felírható:
aholGrg – a repülőgép súlya;vy – függőleges emelkedési sebesség;c’y - az emelkedő repülőgép
légellenállási tényezője;Arg – a repülőgép felülnézeti
alaprajzának felülete;Függéskor vy=0, így µ=1.
FAv
cGdvG
p,y
'
rg
y'
yrg
yrg
dtgΣ=
ρ++
2
2
Több fúvócső alkalmazása esetén – a „kút”-hatás mellett - a kiáramló gázok interferenciája emelő erőt is indukálhat, a sárkány megnövelve a sárkány hőterhelését.
Az ábra alapján (is) megállapítható, hogy a földközeli (H<l) zónában való emelkedés időtartama - ezáltal annak kedvezőtlen hatásai - az alábbi módszerekkel csökkenthetőek:
• µ értékének növelésével (µ=1,05→1,45);• a vízszintes gyorsítás felszín felett történő meg-
kezdésével;• speciális indítóhely kiépítésével;• STOL felszállási módszerrel (pl. „Sky Jump”
alkalmazásával).
A függőlegesen leáramló forró hajtóműgázok hatása 4.
A hajófedélzetre utólag is telepíthető, ívelt acélrámpa segítségével végre-hajtott STOL felszállás teljesen meg-szünteti a „kúthatást” és nagyságrend-del csökkenti a repülőgép gázárama által, a hajó teherviselő vázszerkezetére átadódó vibrációs, fárasztó terhelést.
A vastag, hőálló beton tal-pazatra épített, többton-nás acél szerkezet csak a bázis repülőtéren telepít-hető és alkalmazható gazdaságosan.
Tapasztalatok szerint működésközben, függéskor:• a forgószárny 10-25 m/s; • a légcsavar 40-60 m/s;• a gyűrűs légcsavar 60-90 m/s;• a ventilátor 100-150 m/s;• a gázturbinás hajtómű 200-600 m/s (kisebb érték a nagyobb kétáramúsági fokhoz
tartozik!)sebességig képesek a környezeti levegőt felgyorsítani.Ezekhez az értékekhez:• forgószárnyak esetében 7÷15 dN/kW;• gázturbinás hajtóműnél 0,25÷0,5 dN/kWfajlagos tolóerő (egységnyi munkavégzés változásra eső tolóerő növekedés) tartozik.
A függőlegesen leáramló forró hajtóműgázok hatása 5.
Minél nagyobb toló-/vonóerőt jön létre egységnyi felületen, annál nagyobb a tüzelőanyag fogyasztás. Így belátható, hogy függési üzemmód fenntartására, a helikopter forgószárnya a leggazdaságosabb.
cf,helikopter≈≈≈≈ 0,06÷0,1 kg/dNó;
cf,GTH ≈≈≈≈ 1,1÷1,3 kg/dNó;
(A különbség tízszeres!)
A függőlegesen leáramló forró hajtóműgázok hatása 6.
VTOLSTOLhagyományos
0,653,277,5L≥≥≥≥90 dB hangteljesít-ményű zóna [km2]
Repülőgép fajta
A különböző kialakítású hajtó-művek gáz-(levegő)kiáramlási sebességével arányos azok zajszintje (hangteljesítménye) is.
(Az ábrán azonos, Fp=300 kN toló-/vonóerejű, különböző meg-oldású hajtóművek által előidé-zet zajszintek láthatóak, a zaj-forrás 250-3000 m-es körzetben, ahol: k - kétáramúsági fok.)
Azonos hajtómű fajta, illetve tolóerő esetén, az L≥90 dB-eszajszinttel terhelt le- és felszállózóna területe, VTOL repülőgépek esetében kevesebb mint 1/100-a a hagyományos repülőgépének.
Ennek megfelelően lakott területekhez közelebb (esetleg azon belül is!) telepíthetőVTOL/STOL le-/felszállóhely.
JAK-141
Sorozatgyártásra pénzügyi fedezet hiányába nem került, Kínával vagy Indiával esetleges kooperációs előállítása nincs végleg elvetve.
A JAK-141 hajtóműveinek elrendezése
950-kal elfor-díthaó gáz-sugár
Menet-emelő hajtómű Emelő hajtóművek
Menet-emelő hajtómű elfordított fúvócsöve
Emelő hajtóművek
A hangsebesség feletti kísérleti repülőgépnél - a JAK-38 MP-nélkipróbált - egy menet-emelő + két emelő hajtómű biztosítja a függőleges felszállást. A fő-hajtómű típusa, az aviónika és fegyverzet megegyezett a MIG-29-esével.
A menet-emelő + emelő haj-
tóműves megoldás, melynek
kialakítása megegyezik a JAK-
38/141 konstrukciós elvével.
A bíráló bizottság már az
előminősítés során elvetette, az
alkalmazni kívánt két különböző
hajtóművéből adódó megnöveke-
dett kiszolgálási igénye, illetve
meghibásodási valószínűsége
miatt.
MCDONNELL DOUGLAS/NORTHROP GRUMAN/BRITISH AERSPACE JSF* (STOVL** változat)
*JSF – Joint Strike Fighter
** STOVL - Short Take-Off and Vertical Landing
Gázdinamikai kormányok
BOEING JSF (STOVL változat)A Boeing egy, menet-emelő hajtóműves változata végig versenyben maradt, végül is nem nyert. (De nem a hajtómű elrendezése miatt!)
LOCKHEED MARTIN JSF (STOVL változat)
Emelő ventillátor
Menet-emelő hajtómű
Meghajtó tengely
Utazó helyzet Emelő helyzet
Ellenforgás
LOCKHEED MARTIN JSF (STOVL változat) hajtómű elrendezés és gázdinamikai kormányszervek
tengely-kapcsoló
elfordítható, teleszkópikus
fúvócső
fúvócső-szegmensek
csúszófelülete
állandó helyzetű forgássík
változó helyzetű forgássíkok
A menet-emelő hajtómű fúvócsövének elfordulása
V-22 OspreyAz első szériagyártásra váró elfordítható légcsavaros repülőgép a Boeing és a Bell
által gyártott V-22 Osprey. A fejlesztése, gyártásara előkészítése között közel két évti-zed telt, amit gazdasági, politikai dilemmákon kívül néhány katasztrófa is indokolt. A repülőgépet az USA-ban minden fegyvernemnél rendszerbe állítják. Az első alakulatok a tervek szerint 2005-ben érik el a hadrafoghatóságot. Maximális sebes-sége 510 km/h, áttelepülési távolsága 3892 km, és a levegőben is utántölthető üzemanyaggal. A fedélzetén tartózkodóknak lezuhanáskor - vy=12 m/s becsapódási sebességig - a sérülésmentes túlélése konstrukciósan biztosított.
Polgári és katonai kísérleti repülőgép
Köszönöm a figyelmet!