در این نوشتار ، بررسی ورودی هوای موتورهای جت هواتنفسی در جنگنده ها از دیدگاه كارایی پروازی و نه تأثیرات آن بر بازتاب های رادای هواپیما مورد توجه قرار گرفته است.

شكل و ابعاد ورودی هوای موتور تابع شرایط مختلفی می باشد از جمله میزان هوای ورودی مورد نیاز موتور در واحد زمان(دبی های جرمی/حجمی) كه خود وابسته به نوع موتور است(به عنوان توربوجت یا توبوفن) به این ترتیب ابعاد كلی مورد نیاز برای ورودی هوا بدست می آید. حتی در رژیم های مختلف پرواز و در ارتفاعات مختلف ، میزان دبی هوای ورودی مورد نیاز ، متفاوت است كه برای نزدیك شدن به حالت بهینه ، برای ورودی هوا ، صفحاتی با شكل های مختلف طراحی می كنند تا با تغییر آن ، متناسب با شرایط ، كمیت های مد نظر ، به حالت بهینه نزدیك شود و این البته تفاوت محسوسی در كارایی هواپیما ایجاد می نماید. به عنوان نمونه ، هواپیماهای میراژ 2000 و اف-16 ، دو جنگنده ی تقریباً همكلاس با ابعاد و اوزان نزدیك به هم هستند و هر دو نیز تك موتوره ، اما میراژ2000 به دلیل استفاده از صفحات مذكور(به صورت نیم مخروطی ، چسبیده به بدنه) دارای بیشینه سرعت 2.2 ماخ می باشد و اف-16 ، حدود 2 ماخ. هرچند این صفحات و مكانیزم های مربوطه ، وزن و پیچیدگی ای را به طرح ، تحمیل می كنند كه باعث شده در جنگنده ای مدرن ، مانند اف-22 نیز از آنها صرف نظر شود. 

لازم به ذكر است ورودی هوای موتور در هواپیماهای مسافربری و گونه های هم رده ی آنها ، فاقد پیچیدگی های خاص طراحی بوده و حتی به صورت نازك و تیز هم ساخته نمی شوند ، زیرا در سرعت های فروصوت ، ویژگی های دینامیكی سیال ، این نیاز را بوجود نمی آورد.


ورودی هوای موتور یك هواپیمای مسافربری

به ادامه ی مطلب مراجعه فرمایید

طرح های اولیه


دهانه ی ورودی هوای موتور انواع گوناگونی داشته كه هر یك با رژیم سرعتی و نوع و اندازه ی موتور تناسب دارد.

در اوائل كار از نظر طراحان هواپیما ، ورودی هوای موتور ، تنها زائده ای روی بال و بدنه قلمداد می شد كه می بایست در حداقل اندازه طراحی شود. ورودی هوا كه در لبه ی حمله و ریشه ی بال هواپیماهایی مانند كامت و برخی هواپیماهای جدیدتر مانند MB-339 قرار داشتند ، به گونه ای طراحی شده بودند كه لایه ی مرزی جریان هوای روی بدنه ، به درون آنها مكیده نشود. اما طراحان ، اطلاعات دقیقی در مورد محدودیت های طبیعی این گونه ی ورودی نداشتند. این محدودیت ها عبارت بودند از توزیع نامناسب سرعت و افت كلی فشار در ورودی و یا حتی اثر سیكل ارتعاشی بدنه ، كه در تغییر فشار ورودی هوای جنگنده ی هانتر بسیار مشكل ساز بود. مسائل دیگری مانند اشباع دهانه ی ورودی و خفگی موتور ، پرواز در زاویه ی بالا ، حساسیت جریان هوا به شعاع لبه ی دهانه ی ورودی هوا ، سكته ی موتور بر اثر بلعیدن گازهای حاصل از شلیك گلوله و یا موشك ، احتمال پوشانیده شدن دهانه ی ورودی دوگانه توسط بدنه در حالات مانوری ، همگی در مراحل عملیاتی و به تجربه شناخته شدند.


برای سرعت زیر صوت و گذرصوت، دهانه ی ورودی نوع لوله ای (مانند نمونه ی به كار رفته در جنگنده ی میگ-15) بسیار مناسب است. این نوع دهانه ورودی در مقابل اختلالات ناشی از اجرای مانور و زاویه ی حمله ی بالا مسئله ندارد و پوش متقارن فشار در آن مقدار افت راندمان را در حداقل نگه می دارد.

جنگنده ی میگ-15


نوع لبه گرد این ورودی در سرعت زیر صوت مشخصه های عملیلاتی بسیار خوبی از خود نشان می دهد ، ولی در سرعت مافوق صوت ، شوك های بسیار قوی ایجاد شده در مقابل ورودی باعث افت شدید فشار كلی در داخل ورودی می شود كه این امر راندمان موتور را كاهش می دهد. لازم به ذكر است كه تنها 9% كاهش فشار كلی ورودی ، باعث افت 15% كشش(رانش) موتور شده و مصرف ویژه ی سوخت یا SFC را تا 6% افزایش می دهد.

در جنگنده ی اف-100 كه یكی از اولین جنگنده های مافوق صوت بود ، ورودی لوله ای ، با سطح مقطع بیضوی ، شكل بود ، كه لبه ی تیز ورودی ، اجازه ی عملیات در سرعت مافوق صوت را می داد.


جنگنده ی اف-100


با افزایش سرعت جنگنده ها به 2 ماخ ، طراحی ورودی هوای موتور ، كه مناسب چنین رژیم سرعتی باشد اهمیت روزافزون یافت. ناگفته نماند ، كه وظیفه ی اصلی ورودی هوا ، كاهش سرعت جریان تا حدود 0.4 الی 0.5 ماخ ، در مقابل صفحه ی كمپرسور است ، بدون آنكه در فشار كل افت زیادی پدید آید(حداكثر فشار استاتیكی بدون ایجاد حرارت). شاید دانستن این واقعیت جالب باشد كه در سرع 2 ماخ ، فشار هوا در دهانه ی ورودی هوا ، بیش از فشار درون موتور است.







تنها راه كاهش سرعت جریان مافوق صوت ، به كارگیری موج شوكی است ، كه بی تردید كاهش فشار كلی را در پی خواهد داشت . به عنوان یك اصل كلی می توان گفت ، كه هرچقدر سرعت جریان در بالا دست ورودی هوا و موج شوكی بیشتر باشد ، شوك قوی تر بوده و به همین ترتیب سرعت در پایین دست ورودی هوا كاهش بیشتری یافته و راندمان نیز افت بیشتری خواهد داشت. در صورت عدم استفاده از زبانه یا سطوح پیش فشار(Pre-CompressionSpike) در ورودی لوله ای و در سرعت مافوق صوت ، یك شوك عمودی بسیار قوی در دهانه به وجود می آید كه به طرز غیرقابل قبولی باعث افت راندمان تبدیل فشار می شود. راه جلوگیری از این افت راندمان ، استفاده از سطوح پیش فشار و ایجاد چندین شوك ضعیف تر است. به این ترتیب در سرعت 2 ماخ می توان ، 27% كاهش راندمان فشار(سرانه ی فشار) در ورودی جت را به 9% رساند. این روشی است كه در جنگنده ی میگ-21 به كار رفته است.البته استفاده از تعداد بیشتری سطح ، هزینه و وزن كل سامانه و همچنین پسا در سرعتهای مادون صوت را بالا می برد.



ورودی هوای جنگنده ی میگ-21








دهانه ی ورودی با هندسه ی متغیر مناسب با رژیم سرعتی وسیع


به دلیل پوش پروازی گسترده هواپیمای جنگنده ، مقدار جریان هوای مورد نیاز موتور نیز متغیر می باشد و ورودی هوا باید توان تطبیق با این نیاز را داشته باشد. اما باید اذعان داشت كه تمام هواپیماهای جنگنده نیز به این نوع ورودی هوا نیاز ندارند چرا كه این نیاز زمانی مطرح می شود كه مقدار تغییر سرعت زیاد باشد. بنابر یك اصل كلی ، زمانی به ورودی هوا با هندسه ی متغیر نیاز است ، كه حداكثر سرعت حتماً از 1.6 ماخ فراتر رود. حتی در جنگنده ی مدرن اف-16 كه سرعتی نزدیك به 2 برابر سرعت صوت دارد ، از ورودی هوا با سطح مقطع ثابت(نوع لوله ای یا پیتوتی) استفاده شده است ولی بد نیست گفته شود كه جنگنده ی فرانسوی میراژ-2000 كه هم اندازه با اف-16 می باشد ، با وجود داشتن موتوری ضعیف تر ، به دلیل استفاده از ورودی هوا با هندسه ی متغیر (نیم مخروط مركزی با دو سامانه ی شوك و كاهش سرعت جریان) دارای سرعتی بالاتر از اف-16 می باشد.



جنگنده ی اف-16                           جنگنده میراژ-2000




تا دهه ی 1970 ، بر اساس شیوه ی مرسوم ، طراحی و ساخت سامانه ی وروردی هوا با هندسه ی متغیر، تنها در جنگنده ای كه حداكثر سرعتش فراتر از 2 ماخ بود ، مدنظر قرار می گرفت تا از كاهش فشار كل ، در این رژیم سرعتی جلوگیری شود. در اوائل دهه ی 1970 ، نیاز عملیاتی به جنگنده ای احساس شد كه توان پرواز در سرعت های بالای صوت (بیش از 2.2 ماخ) و همچنین سرعتهای پایین را داشته باشد و در واقع دارای پوش پروازی گسترده تر از جنگنده های گذشته باشند. نتیجه ی این نیاز عملیاتی ، ساخت جنگنده ی اف-14 برای نیروی دریایی و اف-15 برای نیروی هوایی ایالات متحده ی آمریكا بود.





جنگنده ی اف-14





جنگنده ی اف-15



تغییر سطح مقطع دهانه ی ورودی هوای موتور در جنگنده ی اف-15 با استفاده ی از یك صفحه با حداكثر میزان حركت 15 درجه امكانپذیر شده است كه در تصویر بالا مربوط به چك قبل از پرواز می باشد. این دهانه ی ورودی هوای 4 شوكی(موجی) ، هوای مناسب را در هر شرایط و سرعت پروازی به موتور می رساند.

در تلفیق سامانه ی ورودی هوا به موتور و بال/بدنه ، مشكلات زیادی وجود داشت ، كه باید حل می شد تا این جنگنده های طراز اول جهان به مرحله ی تولید انبوه برسند. ورودی هوا در این جنگنده ها به گونه ای طراحی شده كه اختلالات جریان هوا كه ناشی از پرواز در زاویه ی حمله ی بالا می باشد را به حداقل رسانده تا از ایجاد سكته ی موتور جلوگیری شود.



صفحات متغیر دهانه ی ورودی هوای جنگنده ی میگ-25




در جنگنده ی میگ-29 ، طراحان ورودی هوا ، با نیازمندی دیگری مواجه بودند. بر اساس نیاز نیروی هوایی اتحاد شوروی ، در هنگام خزش و نشست و برخاست از باندهای با استاندارد پایین كه امكان ورود مواد خارجی به دهانه ی موتور وجود دارد ، باید دهانه های ورودی هوا بسته و از شبكه مخصوصی در روی امتداد ریشه ی بال ، هوا به موتور وارد شود.


 


اما دهانه ی ورودی هوا با هندسه ی متغیر معایبی مانند وزن بالا ، پیچیدگی بسیار این سامانه و هزینه ی بالای دوره ی عمر(Life Cycle cost) را نیز دارد و تنها در صورت توجیه الزامات عملیاتی ، می توان از آن استفاده كرد. بهترین مثال ، جنگنده ی پنهانكار اف-22(ساخت لاكهید مارتین-آمریكا) است كه با وجود پیشرفته بودن ، از ورودی هوای ثابت استفاده می كند چرا كه نه از لحاظ عملیاتی و نه از لحاظ اقتصادی توجیهی برای استفاده از ان نبوده است.




چشم انداز آینده


با پیشرفت های شگرف در مهندسی مواد و ظهور مواد پیشرفته از جمله گونه های نوین آلیاژهای حافظه دار (SMA)، پیزوالكتریك ها ، مواد اف.جی.ام. و ... و نیز انواع مواد مركب تركیبی با فلزات هوشمند(SMHC) ، كه می توانند به عنوان عملگرهایی كم وزن ، با دوام مناسب ، قابلیت اطمینان بالا ، نیاز كمتر به تعمیرات ، تعداد قطعات بسیار كمتر ، امكان ایجاد تعداد حالات زیاد و حتی تغییر پروفیل سطح ، تنها با ارسال پالس های الكتریكی و در نتیجه كاهش چشمگیر تعداد و وزن و پیچیدگی قطعات مورد نیاز ، به كارگرفته شوند ،دور از ذهن نیست كه استفاده از سطوح پیش فشار به صورت گسترده ای مورد توجه قرار بگیرد كه تأثیر محسوسی بر كارایی هواپیماهایی كه از موتورهای جت هواتنفسی استفاده می كنند ، به خصوص در جنگنده ها خواهد داشت. همچنین ابزارهای تحلیل بسیار پیشرفته ای برای بررسی رفتار جریان هوا در حالا مختلف در دسترس می باشد كه به كارگیری آنها ، طراحی بهینه ی شكل و ابعاد ورودی هوای موتور را در پی خواهد داشت.