Uçak itme gücü

İtme , bir de uçak olarak adlandırılan bir kuvvet yaratarak elde edilir itme bunun hareketi karşısında bir kütle hava yön hızlanmasından sonuçlanmaktadır. Bu hava kütlesinin yakalanması ve uçağın yapısına mümkün olduğunca yakın bir hava akımına yönlendirilmesi gerekiyordu. Bu sonucu elde etmek için, ilk çözüm, bir hava kütlesinin bir kütleye iletilmesine izin veren eksenel aerodinamik kuvvetlerin gelişmesine izin veren göreceli bir radyal rüzgara maruz kalması için döndürülen profillerden veya kanatlardan oluşan bir yapının geliştirilmesiydi. belli bir hız.

Pervane adı verilen bu yapı, başlangıçta bir termal pistonlu motor tarafından tahrik edilir ve havanın sıkıştırılabilirliği ile bağlantılı olan ve ses bariyeri adı verilen aerodinamik limitleri takip ederek zamanla değişir .

Bu pervane, enerjinin bir hava / yakıt karışımının yanmasıyla sağlandığı türbin motoru adı verilen yeni bir makinede aerodinamik bir biçimde bulunur .

Çoğunlukla bir, iki veya dört motordan oluşan güç aktarma organı, uçağın ana bileşenlerinden biridir. Bu özellik genellikle uçakları sınıflandırmak için kullanılır: tek, çift veya dört motorlu, çift veya dört turboprop, tek, çift veya dört motorlu.

Tek akış turbojet sırasında ortaya çıktı İkinci Dünya Savaşı : türevlerine yol açtı turboprop ve turbofanın hemen hemen tüm ağır ya da hızlı uçaklarda (az kullanılan (çift akışlı turbojet), 800  km / s olarak), sivillere ve askerlere savaş uçaklarında olduğu gibi . Bu iki sistem arasında " propfan  " adı verilen bir melez de vardır  .

Hız ve kaldırma

Yasalar of aerodinamik bir tatbik profili arasında kanat bir çekme işlemine tabi göre rüzgar bir kuvvet bileşkesi oluşturmak yatak etkilerini engellemek amacıyla adı geçen profilin ağırlığını dengelemek için yerçekimi . Açıktır ki, bir uçak ancak yerçekimi kuvvetlerini karşı kaldırma kuvvetleri ile telafi edebiliyorsa, kalkış yapabilir ve seviyeyi koruyabilir. Uçağın destek yapıları, ağırlığını dengelemek için gerekli kaldırma kuvvetlerini geliştirmek için yeterince hızlı bir göreceli hareketli hava akışında tutulmalıdır. Bu , uçağın yapısı üzerinde, onu yavaşlatma eğiliminde olan ve dolayısıyla uçağın etrafındaki hava akışının göreceli hızının korunmasına karşı koyan, sürükleme denen direnç kuvvetleri oluşturur .

Özerk uçağın hareketini sağlamak için kalkıştan için iniş seyir yoluyla, iticileri elastik bir ortamda reaksiyonu ilkesine dayalı geliştirilmiştir.

Başında XXI inci  yüzyıl, pistonlu motor bir pervaneyi getiren en hemen tüm hafif uçak sistemde kullanılan kalır ( ULM , uçaklar ve helikopterler ışık). Sivil ve askeri, ağır veya hızlı helikopterler için türbin motoruyla değiştirildi .

Reaktörler seyreltme oranlarına göre sınıflandırılır: soğuk havanın hızlanmasından kaynaklanan itme kuvveti ile sıcak havanın oranı. Bu sınıflandırma, farklı teknolojilerde mevcut olsa bile tahrik için tek bir ilkenin kullanıldığını gösterme hakkına sahiptir. Bu nedenle, bu makale, önemli bir gelişme yaşamamasına rağmen sunumun sürekliliğinin bir parçası olan örtülü pervaneli motor, ramjet ve pulsoreaktörü içermektedir.

Tanım

Tahrik, bir cismin hareket etmesine izin verir; bir itme kuvveti üreterek elde edilir. İtici bu itici gücü oluşturan bir cihazdır.

İtme kuvveti

İtme kuvveti farklı şekillerde elde edilebilir:

statik bir sistemle Planör söz konusu olduğunda , motor yerçekimidir . Düşüş hızının büyük bir bölümünü yatay hıza dönüştüren kanat itici güçtür. yerleşik bir mekanik sistem ile M kütleli bir uçağı V hızında hareket ettirmek için , bir hava kütlesinin hızını bir dV değeri kadar artıran bir F kuvveti (çekme veya itme) da oluşturabiliriz ; dV, girişteki l havanın hızı ve çıkış. .

İticiler

İtici bir etki elde etmek için bir hava kütlesini hızlandırmanın birkaç yolu vardır:

Körükler omurgalı , turboprop , propfans turbofanlar pervane "saf" ve ramjet "saf" arasındaki ara cihazlardır.

Özel durumlar

Roket motoru özel bir durum, gerek bu kendi oksitleyici taşıyan motor ve oksijeni dış havadan çalışmasına. "Anaerobik" bir motordan bahsediyoruz, oysa yukarıda bahsedilen tüm motorlar "aerobik" tiptedir.

Yanma sonrası , askeri uçakta çok mevcut bir cihaz, hiçbir şekilde bir sevk sistemi içindedir. Sistematik olarak bir turbojet ile ilişkilendirilmemiş olsaydı, bir uçağın itişini kendi başına sağlayamazdı.

Seyreltme oranı

Olarak çift akış turbojet ( turbofanlar ) terimi, “seyreltme oranı” sıcak akış soğuk akış hava kütlesinin arasındaki orana ve ifade etmek için kullanılır.

Örneğin, bir baypas turbojetinde "sıcak" akış, genellikle motorun "kalbi" olarak adlandırılan kısımda meydana gelen hava / yakıt karışımının yanmasından kaynaklanan gazları içeren oldukça basittir. "Soğuk" akış, motorun kalbini atlayan ve herhangi bir yanmaya maruz kalmayan motorun ikincil kanalından gelen akıştır.

Aşağıda listelenen motorlar, bir pervaneli motorun pervanesinden geçen akışın "soğuk" bir akış olduğu benzetilerek, seyreltme oranlarına göre sınıflandırılmıştır. Bu düzen, tarihsel gelişmeyle uyuşmuyor.

Pistonlu motor ve pervane

Tarih

Pistonlu motor, ilk güçlü uçuşu mümkün kıldı. Motor Wright Flyer arasında 1903 4 silindirli idi. İlk uçakların bazıları dönen yıldız motorlarla donatıldı  : krank mili sabitlendi ve motor + pervane grubu dönüyordu. Bu çözüm soğutmayı iyileştirdi, ancak uçağın manevra kabiliyetine zarar veren jiroskopik bir tork yarattı . 1940'ların askeri uçakları , P-51 Mustang'lere güç veren Rolls-Royce Merlin gibi su soğutmalı V-12 motorlar veya çok ünlü R- gibi hava soğutmalı 7 veya 9 silindirli sabit çift sıralı yıldız motorlar kullandı. P-47 Thunderbolt ile donatılmış 2800 Double Wasp . 1950'lerin ticari uçakları , en güçlü ( 3550 hp ) için dört sıraya kadar 7 silindire sahip bu yıldız motorlarla donatıldı .  

Havacılık için yüksek güçlü pistonlu motorun geliştirilmesi turbojetin gelişiyle 1950'lerin sonunda tamamlandı . Şu anda pistonlu motor sadece hafif uçakları ve eğlence ve spor amaçlı bazı çok hafif helikopterleri donatıyor (örnek: Robinson R22 ).

Motor

Pistonlu motor havacılık endüstrisinde kullanılan en sık olan dört zamanlı ısı motoru ile genel olarak, kıvılcım ateşlemeli . Var İki zamanlı , daha hafif motorlar kanatlar ve kullanılan güç gibi ultralight (ULMs), Colomban MC-10 . Ağırlığın azaltılması için blok alüminyum esaslı alaşımlardan yapılmıştır ve soğutma hava ile yapılmaktadır.

İletim

İki zamanlı motorların yüksek hızı (hızı) , motor ile pervanesi arasına mekanik bir redüksiyon dişlisinin takılmasını gerektirir . Öte yandan, dört zamanlı motorların daha düşük hızı ( 2.500 ila 3.000  rpm ), pervanenin doğrudan tahrikli olarak monte edilmesini sağlar. Yeni dizel motorlar, motor ile pervane arasına bir redüksiyon dişlisinin takılmasını gerektirebilecek daha yüksek dönüş hızına sahip, daha küçük birim deplasmanlı motorlardır.

İtici

Pervane, motorun mekanik enerjisini itici güce dönüştürür. Krank mili, seyir halindeyken havayı yaklaşık% 10 hızlandıran bir pervaneyi çalıştırır (uçak 200  km / s hızla uçuyorsa, pervanenin arkasındaki hava hızı 220  km / s'dir ), ancak hızlanma aşamasında çok daha fazlası zemin ve yokuş yukarı. Egzoz gazlarının ürettiği itme gücü, egzoz boruları doğru yönlendirilmişse pervane tarafından üretilen çekişe eklenebilir. "İtici egzoz borularından" bahsediyoruz. Bu sistem neredeyse tüm İkinci Dünya Savaşı savaşçılarına sistematik olarak kuruldu .

İtme verimi uzun çevresel hızın altında kalmaktadır (ileri hız ve bıçak ucu dönme hızının toplamı) olarak 0.87, 0.75 mertebesindedir Mach 0.7. Hızın ve aktarılacak gücün artması, uçuşta çapın sınırlandırılmasını, kanat sayısının artırılmasını ve kanatların eğimlerinin (değişken adım) değiştirilmesini gerekli kılar . Hafif uçaklar , 80 ila 160 hp arasında değişen güçler için 1,50 ila 2 m çapında iki kanatlı pervanelere sahiptir  . Daha büyük pistonlu motorlar, 4,20 m'ye kadar çapın 4,5 katı pervane kanatlarına sahiptir  ( Vought F4U Corsair , Pratt & Whitney R-4360). Hatta bazı uçaklara ters yönde dönen pervaneler takıldı ( Supermarine Spitfire'ın PR.XIX versiyonu ).  

Türbin motoru

Bir türbin motorunda, yanmanın ürettiği enerjinin neredeyse tamamı türbinler tarafından geri kazanılır ve şanzıman milinde torka dönüştürülür. Aslında, meme çıkışında artık bir itme, havada asılı uçuşun sürdürülmesine zarar verecektir . Gazlar bu nedenle çıkıştaki gazları yavaşlatan ıraksak nozullardan boşaltılır.

Türbinler tarafından geri kazanılan enerji , kompresörü ve bir redüksiyon dişlisi aracılığıyla helikopterin ana rotorunu çalıştırmak için kullanılır. İkincisi, dönme düzlemi yatay olan bir pervaneye eşdeğerdir.

Turboprop

Turboprop, türbini dönüş düzlemi dikey olan bir pervaneyi tahrik eden bir türbin motorudur. Turboprop genellikle çift ​​namlulu , yani çıkışta iki koaksiyel şaftı döndüren iki türbini vardır. Birinci türbin, "rejenerasyon" adı verilen kompresöre, ikincisi ise "güç" adı verilen pervaneye bağlanır. Turboprop motorun geliştirilmesi zordu çünkü turbojet ve pervanenin zorluklarını birleştiriyor . Verimliliği turbojetinkinden daha büyüktür, ancak kullanımı pervanenin verimliliğinin Mach 0.7'nin ötesinde ve deniz seviyesinden 8.000 metrenin üzerinde düşmesiyle sınırlıdır. Bu, yüksek irtifa uçuş süresinin bir jetin fark yaratması için çok kısa olduğu kısa mesafelerde (bir saatlik uçuş, 400 km ) ticari nakliye uçakları için en uygun tahrik modudur  . ATR 42 ve ATR 72 tipindeki birçok bölgesel nakliye uçağı bununla donatılmıştır.

Ticari hizmetteki ilk turboprop, 1945'te geliştirilen ve Bristol Britannia'yı donatan Bristol Siddeley'den Protheus'du . Amerika Birleşik Devletleri güvenilir bir turboprop sağladıklarını dan 1956 , T56 için Allison askeri hala kargo uçakları donatır, Lockheed C-130 Hercules .

Tahrik verimliliği Mach 0.4'te% 80'i aşabilir. İrtifa ile birlikte pervane verimi hızla düştüğü için, turboprop motorların çalışma sahası, bölgesel nakliye uçakları gibi yavaş hareket eden uçakları, deniz devriyesi ( ATL-2 ) gibi askeri görevleri ve uçakları kapsamaktadır. Kısa kullanmak zorunda askeri kargo uçakları pistler (örnek: Airbus A400M Atlas ).

Turbojet

Tek akışlı turbojet

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra inşa edilen ilk turbojetler "saf" tek akışlı, tek gövdeli turbojetlerdi: tek bir türbin kompresörü çalıştırdı ve hava akışının tamamı reaktör gövdesinden geçti. Sıkıştırma verimliliği nedenleriyle, kompresörü farklı hızlarda dönen düşük basınç ve yüksek basınç olmak üzere ikiye ayırmak gerekli hale geldi. Daha sonra tek akışlı ikiz gövdeli turbojetler geliştirildi: ilk türbin HP kompresörünü ve ikincisi LP kompresörünü çalıştırdı.

Baypas turbojeti (aşağıya bakın) her zaman çift namlulu değildir. Daha eski nesiller, LP ve HP türbinlerini çalıştırmak için tek bir şafta sahipti. Günümüzde baypas reaktörleri, LP ve HP kompresörlerinin kademeleri için veya hatta üç gövdeli modeller için LP, MP ve HP kompresörleri için farklı dönüş hızlarına izin vermek için genellikle iki, hatta üç gövdeye sahiptir.

Tek akışlı turbojet, II.Dünya Savaşı'nın sonundan itibaren geliştirilen her tür uçakta kullanıldı . Ses altı moddaki düşük verimliliği ve gürültü standartları, ticari uçaklar için baypas motoru lehine kademeli olarak ortadan kalkmasına neden oldu. Mach 1.5'in üzerindeki hızlarda% 75'lik maksimum itme verimliliği elde edilir. Bu nedenle, tüm irtifalarda iyi hız performansına ihtiyaç duyan askeri uçakları (özellikle önleyiciler) donatmaya devam etse de, bu kullanım alanında baypas turbojetleri de çok sayıda yerini almaya başlamıştır.

Turbofan motoru

Genelde " turbofan  " veya hatta "turbofan" olarak da adlandırılan bu motor türü  , içinden birincil akışı, sıcak akışı dolaştıran "saf" turbojeti (tek akış),  tahrik eden " fan " olarak adlandırılan bir kanat çarkı ile  birleştirir. ikincil eşmerkezli akış, soğuk akış. Soğuk akış veya ikincil akış ile sıcak akış veya birincil akış arasındaki orana seyreltme hızı denir . İlk turbofan turbofan motorları 1.5: 1 seyreltme oranına sahipti, ancak şimdi 15: 1 oranları aşıldı.Yüksek seyreltme turbofanda, tam güçte - yani tam güçte. Kalkışta - üfleyici yaklaşık% 80 üretiyor motor tarafından üretilen toplam itme gücünün oranı.

% 70'lik maksimum itme verimliliği Mach 0.8 civarında elde edilir . Seyreltme oranı ile orantılıdır. Bir uçak Mach 0.8'de uçtuğunda , hava tüm yapıda aynı hızda dolaşmaz ve transonik olaylar meydana gelebilir. Mach 0,8 - 0,9 mertebesindeki hızlar bu nedenle neredeyse tüm sivil nakliye uçakları için standart haline geldi ve bu da bu tür bir iticinin büyük gelişimini açıklıyor.

Bu motorların türevleri, dişli turbofanlar ve propfanlar , önemli itme kuvvetleri ve daha düşük tüketim elde etmek için her zamankinden daha yüksek seyreltme oranlarına güveniyor.

Ramjet

Ramjet a, jet motoru hava kompresyon iç kanalın şekline ve hava, havada hareket eden göreli rüzgar kuvveti ile temin edildiği. Turbojetten farklı olarak kompresörü yoktur ve sadece ana borunun ortasına yerleştirilmiş bir gaz kelebeği yanmayı sağlamak için basınç oluşturulmasına izin verir. Tüp gibi göründüğünden ve hareketli herhangi bir parça kullanmadığından tasarımı çok basittir, bu nedenle "statik" için "stato" adı verilir. Öte yandan, yalnızca hızı yüksekse çalışabilme dezavantajına sahiptir ve bu nedenle otonom olarak kalkış yapan bir uçak için kullanılamaz.

Bu itici yakıt, uçaklarda önemli bir gelişme görmedi. Öte yandan, ramjet'i başlatmak için kendi hızı kullanılan bir uçaktan fırlatılan havadan havaya füzelerde kullanılır. Yüksek özgül tüketimi onu kısa süreli kullanımlarla sınırlar. Bir süre "turbo ramjetler" olarak bilinen, kalkışta geleneksel turbojetler gibi davranan ve ardından yüksek hızlı ve yüksek irtifa uçuşları gerçekleştirmek için kademeli olarak ramjet moduna geçen hibrit motorlar vardı. En iyi bilinen örnek, Amerikan Lockheed SR-71 Blackbird casus uçağına takılan Pratt & Whitney J58'dir .

Özel durumlar

Yanma sonrası

Yanma sonrası, yakıtın geleneksel bir turbojetin sıcak egzozuna püskürtülmesinden oluşur; bu, büyük bir alev ve itme kuvvetinde önemli bir kazanç (bazı durumlarda +% 150) üreten bir fenomendir. Kalkış mesafesini azaltmak ve tırmanma hızını artırmak, savaşta hızla hızlanmak veya süpersonik devirlere ulaşmak için kalkışta kullanışlıdır. Ancak turbojetin yanma sonrası devreye girdiğinde özel tüketimi çok yüksektir; Genelde kısa bir süre içinde yapılan kullanımı, Concorde ve Tupolev Tu-144 haricinde askeri uçaklar için ayrılmıştır .

Bazen geleneksel bir turbojetin arkasına monte edilmiş bir ramjet olarak kabul edilse de, kesinlikle bir tahrik sistemi değildir, çünkü ramjet, çalışması için gerekli basıncı oluşturmak için bir gaz kelebeği bölgesine sahipken, son yakıcı yoktur ve kullanmaktan memnun değildir. ek yakıt enjekte etmek ve yakmak için zaten yanan gazlar. Aslında, PC açıldığında , turbojet motorun nozülü egzozda üretilen karşı basıncı azaltmak için maksimum dağıtıyor, bu da ramjet'te istenen etkinin tam tersi.

Pulsoreaktör

Pulsoreactor döner elemanlar olmadan bir reaktördür, geometrisi mümkün mütevazı ama gerçek itme üretilmesini mümkün kılar. Bazı pulsejet modellerinin hava girişinde, yanmış gazları çıkışa yönlendirmek için panjurlar bulunur. II.Dünya Savaşı sırasında kullanılan V1 füzelerine güç veren Argus As 014 motorlarında durum böyleydi ( V2'ler başka bir tür itici kullanıyordu: sıvı yakıtlı roket motoru ). Diğer pulsoreaktörler, bir enjeksiyon + egzoz / yanma döngüsünü sürdüren bir rezonansa izin veren geometrik oranlara uyan basit bir bükülmüş tüpten oluşturulur. Motor, akışa ilk hızı veren bir basınçlı hava enjeksiyonu ile çalıştırılmalıdır.

O zamandan beri, model uçak üreticileri uçuşta başarılı bir şekilde kullandı, modellerde gerçekten dayanılmaz derecede gürültülü. Şu anda bu tür reaktörü kullanan uçak yok, ancak bazen Amerika Birleşik Devletleri ve Avustralya'da geliştirilen çok yüksek hızlı bir motor casus uçak projesinden bahsediliyor .

Roket motoru

Roket motoru, oksitleyicisini ve yakıtını toz (katı yakıt) veya sıvılar (itici gazlar) şeklinde taşır . Havadaki oksijeni oksitleyici (anaerobik) olarak kullanmadığı için atmosfer dışında da çalışabilir. Operasyon süresi çok kısa olduğu için sadece havacılıkta füzelerin itilmesi için kullanılmaktadır. Geçmişte, birçok askeri uçağa kalkış veya uçuş sırasında önleme ( Mirage uçağı ) için yardımcı roket motorları takılmıştır . Bu, onlara görevleri için gerekli yakıttan tasarruf etmeyi amaçlayan daha yüksek bir başlangıç ​​gücü vermekti. Modern uçakların neredeyse tamamı , uçuş sırasında yakıt ikmali sistemleriyle donatılmıştır , bu da görev sürelerini uzatmayı ve menzili / menzili artırmayı ve güçlendirici roket motorlarını modası geçmiş hale getirmeyi mümkün kılar.

Havacılık tarihinde yalnızca bir roketle çalışan avcı uçağı hizmete girdi, Messerschmitt Me 163 Komet . Havayı sadece itiş gücü üzerinde on dakika tuttu, uçuşun geri kalanı tabanına doğru süzülerek yapılıyordu. Kullanması son derece tehlikeliydi ve kendi kampında düşmandan daha fazla hasara yol açtı ...

Teknolojik sınırlamalar

Turbomakineler karmaşık makinelerdir; performanslarını sınırlayan faktörleri belirleyebiliriz:

Notlar ve referanslar

Notlar

  1. Fransızca "turbopropulseur" terimi aslında  , turbo ve pervaneden (pervane) oluşan ve kelimenin tam anlamıyla [bir türbin tarafından tahrik edilen] pervane anlamına gelen İngilizce " turboprop " kelimesinden türemiştir  . Bu tür motorlarla donatılmış bir uçağı belirtmek için kullanılan "turboprop" ifadesi bir metonimidir (örnekte olduğu gibi: transistör = radyo alıcısı).
  2. Hareketli yapraklar kapalı konumda kalırsa, motor pompalama olayının kurbanı olur ve yaratılan "aerodinamik tıkaç" etkisi nedeniyle uçuş sırasında durur.

Referanslar

  1. Larousse sözlüğünün tanımı
  2. (in) Stephen Vogel, "Comparative Biomechanics: Life's Physical World," About Lift, sayfalar 225 ve 252 "Kısacası, itme bileşenine sahip olacak ..."
  3. (in) [video] Jet Nozul Testi - Türbin Motorları: Yakından Bakış üzerine YouTube

İlgili Makaleler