وبلاگ

.. 82
… 82
… 84
. 84
. 85
…. 92
… 94
…. 94
…. 97
… 100
… 102
…. 106
… 106
….. 108
… 109
پیوست    113
. 114
…. 124
…. 127
… 130

• اهداف و انگیزه ها ی پژوهشی

عملکرد بالای اجسام پرنده نیازمند پیشرفت های تخصصی نوآورانه در طراحی واحد های قدرت آنها می باشد. جهت دهی بردار نیروی پیشران[1] به عنوان یک تکنولوژی کلیدی و امید بخش برای اجسام پرنده موجود در حال حاضر و در آینده در حال ظهور است. این تکنولوژی با هدف و گسترش دانش و اطلاعات از چگونگی پاسخ گاز های خروجی از اگزوز موتورهای توربینی می باشد. نازل های جهت دهی بردار نیروی پیشران تحت کلیه شرایط پرواز موثر هستند و آنها می توانند محدودیت های طراحی از قبیل هزینه های پایین ، سر و صدای کم ، وزن سبک ، فاصله کوتاه برای بلند شدن و بهبود بخشیدن مشخصه های رادار گریزی را برآورده کنند.
جهت دهی بردار نیروی پیشران  به صورت دو روش شناخته شده که عبارتند از روش جهت دهی به صورت مکانیکی[2]  و روش جهت دهی به صورت سیالی[3]  انجام می پذیرد. در روش جهت دهی به صورت مکانیکی برای انحراف مسیرگازهای خروجی از قطعات مکانیکی استفاده می شود. این کار نه تنها سبب افزایش وزن و پیچیدگی سیستم می شود بلکه هزینه ها، تعمیرات و نگهداری مورد نیاز را نیز افزایش می دهد. این عوامل محققان را به تحقیق در روش های جدیدی برای رسیدن به همان قابلیت های جهت دهی بردار نیروی پیشران اما بدون استفاده از قطعات متحرک برانگیخت. جهت دهی بردار پیشران به طریق سیالی به عنوان یک روش جایگزین شیوه های مکانیکی مطرح شد. این روش با بهره گرفتن از یک جریان جت ثانویه برای انحراف مسیر جریان گازهای خروجی اصلی استفاده می کند. به طور بالقوه، نازل کنترل بردار پیشران به روش سیالی علاوه بر اینکه انحراف موثر جریان را فراهم می کند همچنین مشکلات مرتبط با قطعات مکانیکی

 اضافی را نیز حذف می کند. تکنولوژی جهت دهی بردار پیشران به طریق سیالی هنوز به صورت کاربردی عملی نشده است. این نکته دلالت بر این دارد که هنوز لازم است تحقیقات و پیشرفت های بیشتر در مورد اثرات آن و تنوع کاربردهای آن انجام گیرد.

در مطالعه حاضر بدست آوردن بیشترین کارایی و بیشترین جهت دهی بردار نیروی پیشران با صرف کمترین انرژی هدف اول این تحقیق می باشد. بررسی پارامتر های موثر و کارآمد هندسی و پارامتر های جریان اولیه و ثانویه بر روی عملکرد نازل می تواند به شناخت هرچه دقیق تر این روش کمک کند. همچنین از اهداف دیگر این تحقیق انجام حل تحلیلی و اعتبار بخشیدن به نتایج شبیه سازی های عددی می باشد.

• معرفی کنترل بردار نیروی پیشران و پیشرفت های این تکنولوژی

تکنولوژی جهت دهی بردار نیروی پیشران می تواند قابلیت مانور اجسام پرنده را از طریق کنترل کردن جریان خروجی از نازل و منحرف کردن آن از محور طولیش بهبود بخشد. علاوه بر این، این تکنولوژی مزایای زیادی را برای اجسام پرنده مدرن ارائه می دهد. نازل های جهت دهی بردار نیروی پیشران می توانند اجسام پرنده را در زوایای حمله بالا از ناحیه واماندگی کنترل کنند، در حالیکه در پروازهای آیرودینامیکی مرسوم این کارایی و توانایی از دست می رود [1]. از آنجایی که نازل های کنترل بردار پیشران ممکن است به طور موثر نیروها و یا گشتاورهای پیچ[4] و یاو[5] با پسای نسبتاً کم ایجاد کنند، ازاینرو این نازل ها می توانند تقویت شده و حتی احتمالاً جایگزین مناسبی برای کنترلر های آیرودینامیکی باشند [2]. در پروازهایی که به جای استفاده از نازل های سنتی از نازل های کنترل بردار پیشران استفاده شده است، می توان نیاز به استفاده از دم های عمودی و افقی را کاهش داد و یا حتی حذف کرد [1]. از مزایای جداسازی دم عقب جسم پرنده می توان به کم شدن وزن و حتی رادارگریزی آنها در مقایسه با مدل های مرسوم آنها اشاره کرد. علاوه بر این، هزینه های تعمیر و نگهداری مربوط به  دم جسم پرنده نیز کاهش می یابد. اجسام پرنده ایی که با اینگونه از نازل ها یکپارچه شده باشند می توانند در بدست آوردن نتایج مورد نظر از قبیل مانور، گشت زنی، صعود و نزول از نیروی پیشران کمتری استفاده کنند و از آنجا که نیاز به نیروی پیشران کمتر نتیجه شده است، این اجسام پرنده می توانند با دستیابی به گستره بیشتر پرواز سوخت کمتری مصرف کنند.
تکنولوژی جهت دهی بردار نیروی پیشران می تواند قابلیت ها و کارایی های عملگرها های مرسوم جسم پرنده را برای نشست و برخاست کوتاه تقویت کند [3]. اجسام پرنده با به کارگیری این نازل ها و موتورهای توربوفن می توانند بردار نیروی پیشران را حتی تا 90 درجه منحرف کرده و امکان نشست و برخاست عمودی را نیز فراهم آورد. با امکان نشست و برخاست در نواحی کوچک، اجسام پرنده می توانند در محیط های کوچکتر مانند ناوهای هواپیمابر و حتی فرودگاه های آسیب دیده عملکرد خوبی از خود نشان دهند [4]. تکنولوژی جهت دهی بردار نیروی پیشران به دلیل کارایی و عملکرد مفیدتر و موثر تر در اجسام پرنده جدید، تبدیل به یک تکنولوژی محبوب و امیدبخش شده است.

• محدودیت هایی از سیستم های کنترل سنتی

یک مسئله اساسی در مورد عملکرد هر جسم پرنده قابلیت مانور، توانایی برای ایجاد و تولید یک تغییر در خط سیر خود، وضعیت قرارگیری، سرعت و شتاب است. یک مانور واکنش هواپیما به یک کنترل ورودی توسط خلبان است و به صورت معمول با بهره گرفتن از سطوح کنترل آیرودینامیکی انجام می شود. این سطوح شامل قسمت های متحرک بال هواپیما  مانند ایلرن[6]، رادر[7] ، الویتور[8] و كانارد  [9]می باشند [5]. سطوح کنترل در قسمت های خاصی از جسم پرنده از جمله بال ها و دم واقع شده اند. انحراف این سطوح، شكل خارجی وسیله را در نقاط بحرانی سازه تغییر می دهند، و منجر به وجود آمدن یک تغییر  و عدم تعادل در نیروهای آیرودینامیكی اثركننده روی وسیله می شود و این عمل  منجر به یک چرخش حول مرگز گرانش می شود که به آن مانورمی گویند. اما این سیستم های کنترل آیرودینامیکی معمول توسط قیودی محدود شده اند، چراکه در شرایطی که نیروهای آیرودینامیکی کوچک هستند مانند ماند حرکت با سرعت پایین و یا در زوایای حمله بالا کنترل از دست می رود. به طور معمول یک هواپیما در هنگام مانور از انحراف سطوح کنترلی در جهت تصحیح شکل خارجی خود بهره میگیرد که به علت محدودیتهای آیرودینامیکی این انحراف برای یک هواپیمای مسافربری بسیار ناچیز و برای یک هواپیمای جنگنده تا ۸۰ % محدوده واماندگی آن است.
یک نیروی آیرودینامیکی برای یک سطح معین با مربع سرعت متناسب است. بنابراین، فقط بالاتر از یک آستانه مشخصی از سرعت، انحراف از یک سطح کنترل موثر خواهدشد. با توجه به زاویه حمله، نیروهای آیرودینامیکی با زیاد شدن این زاویه فقط تا یک مقدار ماکزیمم افزایش پیدا می کنند، و سپس با فراتر رفتن زاویه حمله از مقدار ماکزیمم باعث جدایش جریان و ظاهر شدن واماندگی آیرودینامیکی می شود. در این نقطه، نیروی آیرودینامیکی در نتیجه از دست رفتن راندمان سطوح کنترل به سرعت افت می کند و پایین می آید.

• مزایای کنترل بردار پیشران

توسعه و گسترش منبع دیگری از کنترل به خصوص، برای عملکرد بالای جسم پرنده به منظور بالا بردن قابلیت توانایی در مانور ، لازم شد. از اینرو توجه محققان به سمت نیروهای عمل کننده دیگری بر روی جسم پرنده در کنار نیروهای آیرودینامیکی کشیده شد و از جمله این نیروها وزن و پیشران می باشند. هر چند که اهداف مانور تقریبا در اکثر اجسام پرنده نادیده گرفته شده اند، اما نیروی پیشران همچنین می تواند برای رسیدن به قابلیت مانور مورد استفاده قرار گیرد. معمولاً جهت و مسیر پیشران ثابت است و فقط مقدار آن با توجه به رژیمی که در آن موتور قرار دارد تغییر می کند.
یک موتور توربین گاز وسیله ای است که فرصت های زیادی را برای کنترل جریان آماده می کند [6]. نازل خروجی تنها یکی از اجزای موتور است که عملکرد آن می تواند به وسیله تکنیک فوق تغییر کند. به منظور اینکه مسیر و جهت نیروی پیشران تغییر پیدا می کرد، تراست وکتورینگ[10]  نامی بود که به این تکنیک داده شد و در حدود دهه 1970 بود که علاقه این صنعت به سمت این تکنیک کشیده شد. برای کارایی و عملکرد بالای هواپیما، کنترل بردار نیروی پیشران[11] کمک می کند تا کیفیت های پرواز بهبود بخشیده شود، ازاینرو پرواز در نواحی از  سرعت و زاویه حمله که تنها به وسیله استفاده از کنترل آیرودینامیکی نمی تواند پوشش داده شود گسترش پیدا می کند. کنترل بردار نیروی پیشران همچنین در هواپیماهای غیر نظامی مسافت لازم برای بلند شدن و فرود آمدن را کاهش میدهد و حتی می تواند امکان بلند شدن و فرود آمدن عمودی را به وجود آورد که یک مزیت بزرگ از نقطه نظر عملیاتی است[7]. از آنجایی که یک نیروی کنترل اضافی ارائه شده است، کنترل بردار نیروی پیشران حتی می تواند اجازه دهد که سطوح کنترل آیرودینامیکی معین کاهش پیدا کنند یا به صورت کلی حذف شوند.
برای مثال، کاهش یا حذف دم افقی یا عمودی به صورت چشمگیری اثرات رادار صلیبی شکل و رادار گریزی را کاهش خواهد داد [8].
در حالت کلی روش های کنترل بردار پیشران براساس عامل کنترل کننده به دو دسته روش های مکانیکی و سیالی  تقسیم می شوند. این دسته بندی در ‏شکل (1-1) زیر نشان داده شده است [9]. در ادامه نمونه هایی از هریک از این روش ها معرفی و موارد کاربرد آنها و مزایا و معایب هر یک بررسی می شود.