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


EmelkedésΣΣΣΣ Fp, e{

emelő hajtóművek


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


Emelkedés


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.)


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.


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


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.


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)


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



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 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


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


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!).


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.


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:


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 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.


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!)


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!

VTOL V T o L STOL Short Take off Landing;...Bell cég hagyományos építésű AH-1G Huey Cobra-ja...

Documents

Transcript of VTOL V T o L STOL Short Take off Landing;...Bell cég hagyományos építésű AH-1G Huey Cobra-ja...