Powered By Blogger

sâmbătă, 8 ianuarie 2011

Avionul

Avion lung-curier de mare capacitate Boeing 777-200LR
Avion fata.jpg
Avionul este o aerodină prevăzută cu o suprafaţă portantă fixă ce asigură sustentaţia datorită vitezei de deplasare. Viteza de deplasare poate fi asigurată fie de acţiunea unor grupuri motopropulsoare, fie de acţiunea unei componente a greutăţii (în cazul zborului de coborâre sau al zborului fără motor).[1]

Forţele care acţionează asupra unui avion în zbor
Apărute la începutul secolului XX, primele avioane cereau mult curaj şi îndemânare pentru a le pilota. În acea vreme, ele nu erau nici rapide, nici încăpătoare. Primul zbor cu aeroplanul a fost realizat în 1903, de către fraţii Orville şi Wilbur Wright. Louis Bleriot a fost primul pilot care a traversat Canalul Mânecii, în 1909. Charles Lindbergh a realizat prima traversare a Atlanticului, singur şi fără escală, în 1927. În 1933, Wiley Post a fost primul pilot de avion care a făcut singur turul lumii. A parcurs 25 000 km în 7 zile, 18 ore şi 49 de minute.

 Aerodinamica avionului

Asupra unei aeronave aflate în zbor acţionează patru forţe care trebuie să se afle în echilibru. O forţă în general poate fi interpretată ca o tragere sau o împingere asupra unui obiect într-o anumită direcţie.

 Greutatea

Greutatea este o forţă orientată întotdeauna spre centrul pământului. Ea este direct proporţională cu masa avionului şi depinde de încărcarea sa. Deşi este distribuită asupra întregului aparat, ne putem imagina că ea este colectată şi acţionează asupra unui singur punct, numit centrul de greutate. În zbor, deşi aeronava se roteşte în jurul centrului de greutate, orientarea greutăţii rămâne tot spre centrul pământului. În timpul zborului greutatea scade constant datorită consumării combustibilului din rezervoare. Distribuţia greutăţii şi centrul de greutate se pot şi ele schimba, de aceea pilotul trebuie să ajusteze constant comenzile pentru a ţine avionul în echilibru.

 Tracţiunea

Tracţiunea este asigurată de sistemul de propulsie. Valoarea tracţiunii depinde de mai mulţi factori asociaţi sistemului de propulsie: tipul motorului, numărul de motoare, comanda motorului, viteza şi înălţimea de zbor. În figura alăturată, cele două motoare ale avionului sunt dispuse sub aripi şi orientate paralel cu fuzelajul, deci tracţiunea va acţiona pe linia central longitudinală a fuzelajului. La unele avioane (de exemplu Hawker-Siddeley Harrier|Harrier direcţia tracţiunii poate varia în funcţie de evoluţia pe care o execută. De exemplu la decolare ea este orientată la un anumit unghi faţă de axa longitudinală a avionului, pentru a "ajuta" avionul să decoleze .Însă, la avioanele turboreactoare, deşi gazele de ardere sunt evacuate în direcţie opusă direcţiei de zbor, acest lucru face ca avionul să fie "împins" înainte, pe principiul acţiune <-> reacţiune descris de Newton: oricărei forţe de acţiune i se opune o forţă egală şi de sens contrar, numită reacţiune.

 Rezistenţa la înaintare

Rezistenţa la înaintare (la mişcare) este forţa aerodinamică care se opune oricărui corp ce se deplasează într-un fluid. Mărimea acestei forţe este influenţată de mai mulţi factori: forma aeronavei, densitatea şi compoziţia aerului, viteza. Direcţia acestei forţe este întotdeauna opusă direcţiei de zbor şi putem considera că ea "se concentrează" într-un singur punct numit centru de presiune.

 Portanţa

Portanţă este forţa care ţine avionul în aer şi trebuie înţeleasă în raport cu celelalte trei. Ea poate fi generată de orice parte a aeronavei, dar la un avion obişnuit portanţa este datorată în special aripii şi în particular formei specifice în secţiune a aripii. Portanţa este o forţă aerodinamică datorată "trecerii" unui obiect printr-un fluid. Ea acţionează asupra centrului de presiune şi este definită ca fiind perpendiculară pe direcţia de curgere a fluidului.
Teoriile despre generarea forţei portante au devenit surse de controverse şi subiect de discuţii aprinse. Deşi explicaţia exactă şi completă este destul de dificil de înţeles fără aparatul matematic adecvat, acest articol încearcă să expună principiile ei.
Curgerea în jurul unui profil aerodinamic
Schimbarea direcţiei sau vitezei unei curgeri de fluid generează o forţă. Mai exact, portanţa apare atunci când curgerea unui fluid este "întoarsă" de către un obiect solid. Când curgerea este deviată într-o anumită direcţie, portanţa apare în direcţia opusă, în concordanţă cu principiul acţiunii şi reacţiunii al lui Newton. Dat fiind că aerul este un fluid, moleculele sunt libere în mişcare şi orice suprafaţă solidă poate devia curgerea. Pentru o secţiune de aripă – numită profil aerodinamic – ambele sale suprafeţe, de sus – extrados şi respectiv de jos – intrados contribuie la întoarcerea curgerii. Luând în considerare doar una dintre suprafeţe, ajungem la o teorie incorectă a portanţei, de aceea ele se abordează împreună.
Când două obiecte solide interacţionează într-un proces mecanic, forţele sunt transmise sau aplicate într-un „punct de contact”. Dar când un corp solid interacţionează cu un fluid, lucrurile sunt mult mai greu de descris, datorită faptului că fluidul îşi schimbă forma. Pentru un solid care este imersat într-un fluid, punctul de contact este orice punct de pe suprafaţa solidului. Deci avem de a face cu o forţă distribuită, adică cu o presiune.
Valoarea unei forţei care acţionează asupra unei suprafeţe este egală cu presiunea înmulţită cu aria suprafeţei respective. Presiunea este o unitate scalară legată de distribuţia de presiunii din fluid. O forţă este o unitate vectorială, care are valoare şi direcţie, trebuie deci determinată direcţia forţei. Presiunea acţionează perpendicular sau normal pe suprafaţa unui corp solid, deci direcţia forţei pe o suprafaţă foarte mică a obiectului este normală la suprafaţă. Direcţia normală se schimbă de-a lungul profilului deoarece acesta are o suprafaţă curbată. Pentru a obţine forţa mecanică netă peste întregul profil trebuie adunate contribuţiile componentelor tuturor suprafeţelor mici ale obiectului. Este important de ştiut faptul că dacă presiunea pe o suprafaţă închisă este constantă, atunci nu există nici o forţă rezultantă, deoarece suma tuturor forţelor mici pe direcţiile normale dă valoarea zero. (Pentru fiecare mică suprafaţă, există o altă mică suprafaţă a cărei normală este orientată în exact direcţia opusă normalei primei suprafeţe.)
Câmpul de presiuni în jurul unui profil aerodinamic
Pe un corp aflat într-un fluid în mişcare, viteza va avea valori diferite în puncte diferite de-a lungul suprafeţei închise a corpului. Presiunea locală (dată de acele suprafeţe forte mici de care vorbeam) fiind în relaţie directă cu viteza locală, rezultă de asemenea că ea va varia de-a lungul suprafeţei închise. Însumând toate presiunile locale normale şi înmulţind apoi cu suprafaţa exterioară totală a corpului va rezulta o forţă. Componenta acestei forţe perpendiculară pe direcţia de curgere a fluidului este numită forţa portantă, iar componenta de-a lungul direcţiei de curgere se numeşte rezistenţa la înaintare. În realitate există o singură forţă, cauzată de variaţia presiunii în jurul suprafeţei corpului sau - vorbind de profile aerodinamice - este cauzată de diferenţa dintre presiunile de pe intradosul şi respectiv extradosul profilului. Forţa aerodinamică acţionează într-un punct determinat de distribuţia presiunilor, punct numit centrul de presiune.
Portanţa este o forţă mecanică, generată de interacţiunea şi contactul dintre un solid şi un fluid. Nu este generată de un câmp de forţe precum greutatea, care este generată de câmpul gravitaţional, unde un corp poate interacţiona asupra altui corp fără a fi în contact fizic propriu-zis. Pentru a avea portanţă, corpul solid trebuie să fie în contact direct cu fluidul. Deci, dacă nu există fluid, nu există nici mişcare.
Pe de altă parte, portanţa este generată de diferenţa de viteză dintre corpul solid şi fluid. Trebuie să existe o mişcare între obiect şi fluid. Deci dacă nu există mişcare, nu se poate vorbi de portanţă. Nu are importantă dacă fluidul este în mişcare şi corpul e static, sau dacă corpul se mişcă în fluid.
Factorii care influenţează portanţa sunt forma şi dimensiunea obiectului, viteza şi direcţia sa principală de mişcare faţă de fluid, densitatea fluidului, compresibilitatea şi viscozitatea sa.

 Părţile componente ale avionului şi manevrarea sa

Forma exterioară a avionului, dimensiunile, motorizarea, organizarea structurală a componentelor sale îi influenţează direct performanţele. Avionul este un aparat complex alcătuit în mod normal din patru subsisteme:
  1. structura de rezistenţă
  2. sistemul de propulsie
  3. echipamentele de bord şi aparatele de comandă a zborului
  4. instalaţiile şi mecanizarea aeronavei
În general, un avion este alcătuit din următoarele părţi principale: aripa cu dispozitivele sale de sustentaţie, fuzelajul, ampenajele orizontal şi vertical cu părţile lor mobile, trenul de aterizare şi sistemul de propulsie. Părţile mobile ale avionului sunt: eleroanele, profundorul, direcţia, flapsurile, voleţii, frâna aerodinamică şi compensatoarele.
Structura unui avion civil
Aparatura de bord este alcătuită din: sisteme pentru controlul zborului, sisteme pentru controlul funcţionării motoarelor, sisteme de navigaţie aeriană, aparatură radio/radiolocaţie.
La avioanele militare se adaugă armamentul de bord, instalaţiile de bombardament şi dirijare a rachetelor, blindajul de protecţie, acroşajele şi aparatura adecvată misiunilor de luptă.
Acţionarea comenzilor avionului se realizează prin intermediul instalaţiilor hidraulice şi pneumatice. Esenţiale pentru zborul avionului sunt şi instalaţiile de alimentare cu combustibil şi ulei, instalaţiile electrice, de antigivraj (dezgheţare), sanitară, de izolaţie termică şi fonică, climatizare şi comenzile agregatelor aeronavei, echipamentul de dirijare.
Comanda sistemului de propulsie şi a comenzilor părţilor sale mobile asigură manevrarea aeronavei.
Comanda tracţiunii se realizează prin maneta de gaze care acţionează sistemul de propulsie. Comenzile părţilor mobile sunt asigurate prin manşă, paloniere, flapsuri, frâne, etc. De exemplu, acţionarea manşei înainte şi înapoi implică bracarea profundoarelor în sus şi în jos, fapt care duce la o mişcare a avionului în sus sau în jos. Mişcarea manşei spre stânga sau dreapta acţionează eleroanele de pe aripi, ducând la o mişcare de ruliu (rotaţie) în jurul axei longitudinale. Călcarea palonierelor (pedalelor) spre stânga sau dreapta acţionează direcţia avionului în lateral. Ceea ce trebuie reţinut însă, este că manevrarea aeronavei se face prin acţionarea combinată a diferitelor comenzi.

 Structura avionului

 Aripa

În zborul aerodinamic, bazat pe forţa portantă, cea mai importantă parte a avionului este aripa. Împreună un ampenajele, aripa asigură sustentaţia, stabilitatea şi manevrabilitatea avionului. În general aripa este compusă din structura de rezistenţă, înveliş exterior, rezervoarele integrate de combustibil, aparatura hidro-pneumatică aferentă comenzilor. Sub aripă se instalează trenul principal de aterizare al avionului, sistemul de propulsie, acroşaje speciale rachete, bombe sau rezervoare lărgabile.
Forma în plan a aripii este extrem de diversificată, în funcţie de destinaţia, rolul, dimensiunile, forma sau viteza avionului: aripa dreaptă (An-2, Cessna 172), aripă trapezoidală (F-22 Raptor), aripă în săgeată (A300, BAC 1-11, Su-27), aripă în săgeată cu geometrie variabilă (Tornado, B-1), aripă triunghiulară (F-16, Saab-37 Viggen), aripă delta gotic (Concorde), etc.
Elementele constructive ale unei aripi de avion obişnuite sunt: lonjeroanele, lisele, nervurile, panourile de înveliş şi alte piese componente, de rigidizare (ex: montanţi) folosite pentru transmiterea eforturile între aripă şi fuzelaj sau între tronsoanele aripii.
Aripile cu cel puţin două lonjeroane împreună cu învelişul formează chesonul de rezistenţă, care are sarcina de a prelua eforturile aerodinamice şi mecanice la care este supusă aripa.
Cheson de rezistenţă
Componentele principale ale chesonului
Lonjeroanele sunt elemente de rigidizare aşezate de-a lungul aripii, care preiau cea mai mare parte din forţele şi momentele ce acţionează asupra acesteia. Au aspectul unei grinzi consolidate alcătuite din tălpi (profile corniere) şi inimă (platbandă), îmbinate între ele cu nituri. Sunt realizate de regulă din materiale rezistente la încovoiere şi răsucire: duraluminiu, titan, oţeluri speciale.
Nervurile sunt elemente de rigidizare transversală a aripii, montate de obicei perpendicular pe bordul de atac al aripii. Nervurile au rolul de a păstra forma aripii şi de a transmite solicitările aerodinamice la lonjeroane şi lise. Pot fi nervuri simple sau nervuri de forţă, acestea din urmă având rolul suplimentar de a prelua forţele concentrate datorate diverselor echipamente şi instalaţii acroşate de aripi.
Lisele sunt elemente de rigidizare montate în lungul aripii cu rolul de a prelua solicitările axiale datorate încovoierii aripii. Ele trebuie să fie rezistente la întindere şi compresiune şi măresc rezistenţa învelişului la deformaţie. Sunt obţinute tehnologic prin extrudare sau îndoire şi sunt alcătuite din duraluminiu, aliaje pe bază de titan sau oţel inoxidabil.
Învelişul aripii are rolul de a menţine forma sa şi este realizat din tablă de duraluminiu sau aliaje pe bază de titan, magneziu etc. Învelişul este solicitat la eforturi de încovoiere şi răsucire. Ele este prins de celelalte elemente prin nituri. Dacă distanţa dintre lise este mică se foloseşte pentru rigidizarea învelişului tablă ondulată. Îmbinarea tablei ondulate cu invelişul se poate face prin metoda suduri, nu prin nituire. Dacă aripa are grosime mică, învelişul se poate realiza prin panouri monolit. Construcţia unei astfel de aripi se realizează prin îmbinarea panourilor dintr-o singură bucată. La aripile cu grosime foarte mică, spaţiul interior nu mai cuprinde elemente de rigidizare, ci este umplut cu structură de tip fagure sau cu alt material compozit, rezultând o structură compactă, cu rezistenţă mecanică mare.

Fuzelajul

Fuzelajul (din franceză fuselage) este partea aeronavei în care este plasată cabina piloţilor, cabina pasagerilor, încărcătura de transport şi cea mai mare parte a echipamentelor şi instalaţiilor de bord. El reprezintă corpul central de care se leagă aripa, ampenajele şi trenul de aterizare. Fuzelajul trebuie să aibă o rezistenţă la înaintare minimă. De aceea forma sa trebuie să fie aerodinamică, să aibă cât mai puţine proeminenţe, suprafaţa "spălată" de curentul de aer să fie bine finisată şi cu cât mai puţine ondulaţii.
Fuzelajele tip cocă sunt cele mai folosite în prezent în construcţia aerospaţială, ele s-au impus definitiv odată cu apariţia motoarelor turboreactoare. Elementele principale ale fuzelajelor de tip cocă sunt: structura longitudinală formată din lonjeroane şi lise, structura transversală formată din cadre, şi învelişul rezistent.
Structura fuzelajului
Se folosesc în prezent la aeronave două tipuri de fuzelaje tip cocă:
  • semimonococă cu structură formată din lonjeroane puternice şi dintr-o reţea rară de lise şi înveliş subţire
  • semicocă, structura constând dintr-o reţea deasă de lise, lonjeroane false (lise rigidizate) şi înveliş subţire.
Fuzelajele tip cocă sunt rigidizate cu ajutorul unor pereţi şi podele care formează împreună cu restul structurii diverse compartimente folosite pentru amplasarea echipamentelor şi instalaţiilor de bord, pentru depozitarea încărcăturii de transport.

Ampenajele

Structura unui ampenaj orizontal văzut "de sus"
Ampenajele sunt elemente care reprezintă pentru aeronavă organele de echilibru, stabilitate şi comandă. După modul cum sunt construite depinde în mare măsură capacitatea de manevră a aeronavei. Se compun de regulă din ampenajul orizontal format din stabilizator (partea fixă) şi profundor (partea mobilă) şi ampenajul vertical format din direcţie (partea fixă) şi derivă (partea mobilă). La aeronavele supersonice se instalează câteodată două ampenaje verticale, iar stabilizatorul are numai parte mobilă, fiind realizat dintr-o singură bucată. În configuraţia clasică stabilizatorul este plasat în spatele aripii, dar la avioanele de vânătoare moderne poate apare în faţa sa, rezultând aşa-zisa configuraţie "canard" (raţă) (de exemplu la Eurofighter).
La alte avioane moderne ambele ampenaje pot lipsi, aripa preluând în totalitate rolurile de stabilizare şi comandă (de exemplu la B-2) prin folosirea suprafeţelor de comandă numite elevoane.
Construcţia ampenajelor respectă în general schemele de construcţie ale aripii.

 Sistemul de propulsie

În general sistemele de propulsie ale unei aeronave se compun din:
  • motoare
  • elice (sau ventilator, dupa caz)
  • sistem de răcire
  • sistem de admisie
  • sistem de ungere
  • sistem de evacuare
  • demaror (starter)
  • comenzi ale motoarelor
Rolul sistemului de propulsie este de a asigura tracţiunea avionului. În prezent există o mare diversitate de motoare de aviaţie cu combustibil chimic, iar în continuare voi încerca să fac o scurtă clasificare după modul în care se realizează tracţiunea:
  • motoare cu piston (cu elice)
  • motoare aeroreactoare
    • motorul turboreactor
    • motorul statoreactor
      • cu ardere subsonică - ramjet
      • cu ardere supersonică - scramjet
    • motorul pulsoreactor
    • motorul motoreactor
  • motoare cu tracţiune combinată
    • motorul turbopropulsor
    • motorul turboreactor cu dublu-flux (turboventilator)
    • motorul cu piston cu evacuare reactivă
  • motoare rachetă
    • motoare rachetă cu combustibil lichid
    • motoare rachetă cu combustibil solid
În continuare sunt prezentate două dintre cele mai utilizate motoare în prezent: motorul simplu reactor (MTR) şi motorul reactor cu dublu flux (MTRDF).
Motorul turboreactor este motorul care echipează în prezent aeronavele care zboară la altitudini mari şi viteze peste 0,6 Mach. Principiul său de funcţionare este următorul: aerul care intră prin dispozitivul de admisie este comprimat de către compresor, intră în camera de ardere unde formează împreună cu combustibilul injectat amestecul de gaze de ardere şi are loc arderea propriu-zisă. Gazele arse trec apoi prin turbină, unde are loc destinderea lor parţială prin rotaţie, apoi trec prin ajutajul de reacţie şi ies din sistem cu o energie cinetică mult mai mare decât cea de intrare, asigurând astfel componenta de tracţiune a avionului. Eventual, la avioanele supersonice putem întâlni sistemul de postcombustie. Acesta se află încorporat în sistemul de evacuare şi are rol de a injecta o nouă doză de combustibil în amestecul de gaze arse provenit din camera de ardere. Noul amestec mai arde o dată, rezultând o creştere considerabilă a tracţiunii.
Motoarele turboreactoare cu dublu flux - denumite generic turboventilatoare - sunt de fapt turboreactoare modificate. Ele se caracterizează prin existenţa a două fluxuri de curgere paralele: unul secundar, de aer, antrenat de un ventilator montat pe acelaşi ax cu compresorul de joasă presiune a turbinei, care îmbracă fluxul de aer primar (interior) format din gaze de ardere. Tracţiunea MTR-DF este suma tracţiunilor rezultate de cele două fluxuri. Nu trebuie uitat că ventilatorul are rol de propulsie, funcţionând ca o elice. Un sistem MTR-DF este prezentat în desenele alaturate.
Trebuie menţionat faptul că motoarele turboreactoare cu dublu flux sunt cele mai răspândite tipuri de motoare de aviaţie, echipând cea mai mare parte din avioanele civile si o bună parte din avioanele militare.

 Exemple de motoare MTR

 Exemple de motoare MTR-DF

În domeniul civil:
În domeniul militar:

 Clasificarea avioanelor

Există multe criterii de clasificare a aeronavelor (unele însă destul de subiective). Urmează câteva dintre ele, exemplificând, fără a lua în consideraţie elicopterele, dirijabilele, avioanele ultrauşoare sau cele fără structură de rezistenţă.
Un prim criteriu este după destinaţia lor:
Aeronavele cu destinaţie civilă sunt folosite pentru transportul pasagerilor, al mărfurilor sau aeronavele utilitare. Din punct de vedere al distanţei de zbor, ele se clasifică în aeronave pentru:
  • distanţe scurte – scurt-curiere (Airbus A318, Embraer ERJ-145)
  • distanţe medii – mediu curiere (Airbus A300, Boeing 737, BAe, BAC 1-11)
  • distanţe mari – lung-curiere (Boeing 747, Airbus A340, Concorde)
  • transport cargo -( Antonov AN-124),
Multe linii aeriene împart avioanele cu destinaţie civilă în alte două categorii din punct de vedere operaţional:
  • avioane regionale - avioane de capacitate redusă, pentru curse scurte, din oraşe mici, către un punct central, deseori operate de o sucursală sau un partener al liniei aeriene : Embraer ERJ 135, Bombardier Canadair CRJ 200, Avro RJ, Fokker F100 etc.
  • avioane de linie principală, capabile de capacităţi şi distanţe mai mari, cu servicii oferite direct de linia aeriană : toate modelele civile Airbus şi Boeing, Tupolev 154, Il-96, etc.
Aeronavele cu destinaţie militară se subclasifică din punctul de vedere al misiunii specifice:
În general insă, avioanele militare au misiuni multirol, de exemplu: vânătoare-intercepţie-strategie-bombardament (F-16, F/A-18, MIG-29, Tornado, Saab-39 Gripen, Rafale).
Aeronavele cu destinaţie specială sunt utilizate pentru cercetare sau experimentare. Tot în această categorie se încadrează aeronavele experimentale ale căror soluţii constructive de natură aerodinamică sau tehnologică urmează a fi implementate la viitoarele aeronave de serie.
După sistemul de propulsie, aeronavele se clasifică în:
  • aeronave cu elice (AN-2, Cessna 172, ZLIN Z-142)
  • aeronave cu reacţie (Boeing 747, A340, MIG-21, F-16, AN-124, Concorde)
  • aeronave cu elice şi reacţie (turbopropulsor) (ATR-42, C-130 Hercules)
Din prima categorie fac parte aeronavele echipate cu motoare clasice cu piston şi elice, din cea de-a doua categorie aeronavele cu motoare turboreactoare, iar din ultima, cele echipate motoare turbopropulsoare.
După numărul de motoare, aeronavele se clasifică în:
  • monomotoare (AN-2, ZLIN Z-142, MIG-21, F-16, Mirage F1)
  • bimotoare (Airbus A300 A310, A330, Boeing 737, 777, Rafale, BAC 1-11, F-14, F-18, ATR-42)
  • multimotoare (care pot fi : tri-motoare : McDonnell-Douglas DC-10, Boeing 727, patru-motoare : Boeing 747, Airbus A340, C-5 Galaxy, AN-124 sau cu mai multe motoare : An-225 - 6 motoare, B-52 - 8 motoare).
Avioanele de pasageri au, în general, între două şi patru motoare.

Niciun comentariu:

Trimiteți un comentariu