Τα αεριωθούμενα ατρακτίδια είναι οι προσεκτικά σχεδιασμένες δομές που περιβάλλουν και στεγάζουν κινητήρες αεροσκαφών. Περισσότερο από απλά καλύμματα, είναι κρίσιμα αεροδυναμικά εξαρτήματα που διαμορφώνουν τη ροή αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα και αλληλεπιδρούν με τον αέρα που ρέει πάνω από το φτερό ή την άτρακτο. Η κύρια λειτουργία ενός ατρακτιδίου είναι να εξορθολογίσει τον κινητήρα, ελαχιστοποιώντας την έλξη και μεγιστοποιώντας την αποδοτικότητα της πρόωσης. Κατά τη διάρκεια δεκαετιών επαναλαμβανόμενου σχεδιασμού, η αεροδυναμική διαμόρφωση έχει γίνει ακρογωνιαίος λίθος της ανάπτυξης ατρακτιδίων, επηρεάζοντας άμεσα την κατανάλωση καυσίμου, το θόρυβο και τη συνολική απόδοση των αεροσκαφών.

Η Φυσική του Drag σε Jet Nacelles κινητήρα

Για τα ατρακτίδια, η έλξη προκύπτει από πολλαπλές πηγές. Η παρασιτική έλξη περιλαμβάνει την τριβή του δέρματος (επιφανειακή τραχύτητα και ιξώδες αέρα) και τη σπείρωμα έλξης (διαφορές πίεσης λόγω σχήματος). Η αντίσταση των παρενεργειών[ συμβαίνει όπου το ατρακτίδιο συναντά την πτέρυγα ή το πύλο, διαταράσσει την ομαλή ροή. Η αντίσταση των κρουστικών κυμάτων [] γίνεται σημαντική στις διανωτικές ταχύτητες (γύρω από το Mach 0,85 ⁇ 0.9 για τους εμπορικούς πίδακες), όπου τα κρουστικά κύματα σχηματίζονται στην ατρακτίδα της επιφάνειας, αυξάνοντας σημαντικά την αντίσταση των δέκα ατόμων.

Η κατάρρευση του σύρματος

Μια τυπική βλάβη της nacelle drag περιλαμβάνει περίπου 40 ⁇ 50% τριβή του δέρματος, 20 ⁇ 30% draw μορφή (ειδικά από το πίσω σώμα και εξάτμιση), 10 ⁇ 20% παρεμβολή σύρετε από το πυλώνα και διασταύρωση πτέρυγας, και το υπόλοιπο από drag διαρροής (όταν η ροή αέρα εισόδου υπερβαίνει τη ζήτηση του κινητήρα) και κύμα σύρετε σε υψηλή ταχύτητα.

Ιστορική Εξέλιξη της Αεροδυναμικής Nacelle

Οι πρώτοι κινητήρες αεριωθούμενων (όπως και οι κινητήρες του Havilland Ghost) τοποθετήθηκαν σε πτερύγια που τοποθετήθηκαν σε ατρακτίδια που ήταν λίγο περισσότερο από αεροδυναμικοί σωλήνες. Η εισαγωγή των υπερβολικών στροβιλοελκυστήρων υψηλής παράκαμψης (Pratt & Whitney JT9D, General Electric CF6) έφερε πολύ μεγαλύτερες διαμέτρους ατρακτιδίων. Αυτό απαιτούσε σοβαρή αεροδυναμική τελειοποίηση: το χείλος εισόδου που χρειαζόταν για να χειριστεί υψηλότερη ροή κατά την απογείωση, το ατρακτίδιο ατρακτίδιο σώμα (αύλα του σκάφους) έπρεπε να ελαχιστοποιήσει το διαχωρισμό, και το πύλος έπρεπε να ενσωματωθεί ομαλά. Η δεκαετία του 1980 είδε υπολογιστική δυναμική ρευστών (CFD) να αρχίσει να καθοδηγεί τη διαμόρφωση. Μέχρι τη δεκαετία του 2000, τα σύγχρονα αστραπια όπως αυτά στα GE90 και Trent 1000 χρησιμοποιούνται προηγμένα περιγράμματα, chevrons για τη μείωση του θορύβου, και σύνθετα υλικά που επέτρεψαν πιο σύνθετα σχήματα. Η τρέχουσα γενιά, που παρατηρείται στο GEnx και LEAPB, διαθέτει εξαιρετικά βελτιστοποιημένα προφίλ χειλιών, χείλων και απρόπλου αεροδυναμικών

Βασικά χαρακτηριστικά αεροδυναμικού σχεδιασμού

Διάκενο εισόδου και κόγχη

Το σχήμα του χειλιού της εισόδου είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ των συνθηκών υψηλής ροής (απόληψη, ανάβαση) και κρουαζιέρα. Ένα πιο αιχμηρό χείλος μειώνει την έλξη κατά την κρουαζιέρα, αλλά μπορεί να οδηγήσει σε διαχωρισμό ροής κατά τη διάρκεια υψηλής γωνίας επίθεσης ή λειτουργίας των ανέμων. Τα σύγχρονα αστραπιαία χρησιμοποιούν μια λεπτή καμπυλότητα ⁇ που συχνά ορίζεται από υπερέλιψη ή αμφίκυρτα προφίλ ⁇ για να διατηρήσουν τη συνημμένη ροή σε όλο το φάκελο πτήσης. Το τμήμα της κόλακας προς τα εμπρός έχει συνήθως μια αναλογία συστολής (περιοχή στην επισήμανση vs. λαιμός) γύρω στο 1.1 ⁇ .2; υπερβολικά υψηλές αυξήσεις drag, πολύ χαμηλή ομοιότητα πληγών. Variable γεωμετρία inlets] (σπάνια σε εμπορικά αεροσκάφη λόγω βάρους) έχουν διερευνηθεί αλλά σταθερά βελτιστοποιημένα σχήματα παραμένουν στάνταρ.

Nacelle Πρόσωπα και Κεντροσωλήνα

Το εμπρόσθιο μέρος του ατρακτιδίου (από το χείλος στη μέγιστη διάμετρο) επιταχύνει τη ροή ομαλά. Το σχήμα είναι συχνά σχεδιασμένο χρησιμοποιώντας έναν άξονα ⁇ αποστραγγισμένο ⁇ για να ευθυγραμμιστεί με τις τοπικές γωνίες ροής κοντά στην πτέρυγα. Το τμήμα του κεντρικού σώματος (γύρω από την περίπτωση του ανεμιστήρα) είναι συνήθως κυλινδρικό αλλά μπορεί να έχει μικρό κωνικό. Η επιφάνεια κυματότητα ελαχιστοποιείται για να αποφευχθούν διαταραχές στο στρώμα ορίων. Μερικά ατρακτίδια ενσωματώνουν γεννήτριες vortex ή στρώσεις [[LFT:3] κοντά στο πυλόνο για να καθυστερήσει το διαχωρισμό.

Ουρά και Πτέρυγα Σκάφους

Το πίσω τμήμα του ατρακτιδίου ⁇ η ουρά του σκάφους ⁇ είναι ζωτικής σημασίας για την ελαχιστοποίηση της μετά τη σβάρνα του σώματος. Καθώς οι ταχυμεταφορείς του ατρακτιδίου μέχρι το ακροφύσιο εξάτμισης, η ροή πρέπει να παραμείνει προσαρτημένη. Μια ιδανική ουρά του σκάφους έχει ημιγωνία 7-10 μοιρών. οι απότομες γωνίες προκαλούν διαχωρισμό και υψηλή μορφή σύρσης. Τα σύγχρονα ατρακτίδια χρησιμοποιούν ένα σχήμα σχοινιού[ ή ουρά του σκάφους με περιγράμματος[ που ενσωματώνει το ακροφύσιο του καυσαερίου ως μέρος της αεροδυναμικής επιφάνειας. Τα αμαξίδια (αερωμένες ακμές διαδρομής) στις άκρες του ακροφυσίου όχι μόνο μειώνουν τον θόρυβο αναμειγνύοντας εξάτμιση με ατμοσφαιρικό αέρα αλλά επίσης μειώνουν ελαφρά τη σύρραξη προωθώντας την ανάμειξη και εξομάλυνση της αγρυπνίας.

Ακροφύσιο και βύσμα εξάτμισης

Το σχήμα του ακροφυσίου εξάτμισης επηρεάζει τόσο την εσωτερική απόδοση (πίδαγμα) όσο και την εξωτερική έλξη. Ένα συγκλίνον ακροφύσιο με υπερηχητική κρουζ δεν είναι τυπικό στα εμπορικά υποηχητικά αεροσκάφη, αλλά ένα συγκλίνον ακροφύσιο με προσεκτικά περιγεγραμμένο βύσμα (κέντρο) μειώνει τη σύρραξη. Το σχήμα του βύσματος ⁇ συχνά παραβολικό ή παραβολικό ⁇ δίνει καμπύλη ⁇ στρώνει τη ροή του πυρήνα και μειώνει τη βασική έλξη από την δακτυλική εξάτμιση. Μερικά ατρακτίδια χρησιμοποιούν ένα ενισχυμένο ακροφύσιο ανάμειξης που αναμιγνύει τον ανεμιστήρα και τα ρεύματα πυρήνα για να μειώσει το θόρυβο του αεριωθούμενου και, δευτερευόντως, σύρετε.

Ένταξη Πυλώνα και Πρώτες Νεράιδες

Η αεροδυναμική διαμόρφωση εδώ περιλαμβάνει οπυλόνια προπορευόμενες που ελαχιστοποιούν την αλληλεπίδραση σοκ σε υψηλή ταχύτητα, η διαμόρφωση της σιδηροτροχιάς εδώ περιλαμβάνει [ για να μειώσει την αφύπνιση, και [ακουστικές θεραπείες που διπλώνουν ως συσκευές ελέγχου ροής. Μερικά σχέδια χρησιμοποιούν ένα ]μπλέ φιλέτο πυλώνα-νασέλ για να εξομαλύνουν τη διασταύρωση ⁇ παρόμοιες με τις πλάγιες πτερυγίων στο ίδιο το αεροσκάφος.

Υπολογιστική Δυναμική Υγρού στο Nacelle Design

Η σύγχρονη διαμόρφωση ατρακτιδίων θα ήταν αδύνατη χωρίς CFD. Οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν τους Rynolds-μέσου όρου Navier-Stokes (RANS) λύτες για την προσομοίωση ροής γύρω από χιλιάδες υποψήφια σχήματα. Παράμετροι όπως η ακτίνα των χειλιών εισόδου, η καμπυλότητα περιγράμματος, η γωνία ουράς των σκαφών και η σάρωση των πύλων βελτιστοποιούνται με μεθόδους adjoint ή γενετικούς αλγόριθμους. Η προσομοίωση υψηλής ευκρίνειας (LES) επιλύει τις λεπτομέρειες αναταραχών για τις προβλέψεις θορύβου και διαχωρισμού. Η Boeing και η Airbus έχουν αναπτύξει ιδιόκτητα εργαλεία σχεδιασμού ατρακτιδίων που ενσωματώνουν την CFD με δομικές και ακουστικές αναλύσεις. Για παράδειγμα, το σχήμα ατρακτοειδούς GEnx βελτιώθηκε μέσω πάνω από 10.000 τρεξίματα CFD πριν από δοκιμές ανεμογεννήτων.

Καινοτομίες υλικών και κατασκευών

Η αεροδυναμική διαμόρφωση δεν περιορίζεται στη γεωμετρία ⁇ υλικά επιτρέπουν σχήματα που μειώνουν τη σύρεγγα. [[LFT:0]]Σύνθετα υλικά[[LFT:1]] (πολυμερές ενισχυμένο με άνθρακα-ϊνών) επιτρέπουν την κατασκευή σύνθετων πλακιδίων ατρακτιδίων διπλής καμπυλότητας με λιγότερες ραφές, μειώνοντας την τριβή του δέρματος. Οι ομαλές σύνθετες επιφάνειες αποφεύγουν επίσης τα πριτσίνια και τις αρθρώσεις των μεταλλικών ατρακτιδίων, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν τοπικό διαχωρισμό. [[LFT:2]] ⁇ διατρούμενα πάνελ με υπόστρωμα μελιού-μπορεί να διαμορφωθούν για να διατηρήσουν την αεροδυναμική ομαλότητα ενώ απορροφούν τον θόρυβο. Ορισμένα ατρακτίδια χρησιμοποιούν [ δέρματα μεταβλητής αντοχής[ που παρέχουν δομική δυσκαμψία ενώ διατηρούν αεροδυναμικά περιγράμματα.

Επίδραση στην απόδοση και τις εκπομπές καυσίμου

Σύμφωνα με εκτιμήσεις της βιομηχανίας, προηγμένα σχέδια ατρακτιδίων συμβάλλουν στη μείωση της συνολικής αντίστασης των αεροσκαφών σε σχέση με προηγούμενες γενιές. Για ένα σύγχρονο ευρύ σώμα όπως το Boeing 787, που μεταφράζεται σε εξοικονόμηση καυσίμων περίπου 1 ⁇ 2% ανά πτήση ⁇ εκατομμύρια γαλόνια κατά τη διάρκεια της ζωής του αεροσκάφους. Μειωμένη έλξη επιτρέπει επίσης χαμηλότερες ρυθμίσεις ώθησης, βελτίωση της ζωής του κινητήρα και μείωση των εκπομπών οξειδίου του αζώτου. Επιπλέον, τα εξορθολογισμένα αστραπιαία μειώνουν τις αναταράξεις αφύπνισης, που ωφελεί την παρακολούθηση των αεροσκαφών σε ιδέες πτήσης σχηματισμού που διερευνώνται για μελλοντική αύξηση της απόδοσης.

Μελλοντικές οδηγίες

Καθώς οι δείκτες υπερυψηλής διέλευσης των αεροσκαφών (15:1 και πέρα), οι διαμέτρους των ατρακτιδίων αυξάνονται, δημιουργώντας νέες προκλήσεις. Οι μεγαλύτεροι ανεμιστήρες απαιτούν μεγαλύτερες εισόδους για να αποφύγουν την υπερβολική έλξη, αλλά οι περιορισμοί βάρους περιορίζουν το μήκος τους. Απροσαρμοσμένες έννοιες των ατρακτιδίων ⁇ όπου τα αστραπιαία ή τα αστραπιαία συστήματα εισόδου μπορούν να μορφοποιηθούν κατά τη διάρκεια της πτήσης ⁇ βρίσκονται υπό μελέτη στη NASA και στα ευρωπαϊκά ερευνητικά προγράμματα. Τα Αεροσκάφη υδρογόνου [ ενδέχεται να απαιτούν την ενσωμάτωση πυλών και ατράκτων. Για τα υβριδικά αεροσκάφη, τα ατρακτίδια μπορούν να στεγάζουν θερμικά εναλλάκτες και ηλεκτρονικά, απαιτώντας πολυκλαδική βελτιστοποίηση όπου οι αεροδυναμικές συνεργασίες με τη θερμική διαχείριση [European manage [F] [F] συνεχίζουν [F] [Fol] [F] και η αεροναυλικανική προσέγγιση στην Ευρώπη[F] [F].

Συμπέρασμα

Από την λεπτή καμπυλότητα του χειλιού της εισόδου μέχρι την ακριβή κωνική κωνική γραμμή της ουράς του σκάφους, κάθε περίγραμμα συμβάλλει στη συνολική αποδοτικότητα του αεροσκάφους. Συνεχίζοντας έρευνα υπόσχεται ακόμα πιο εξελιγμένα προσαρμοστικά σχέδια και στενότερη ολοκλήρωση με τις αναδυόμενες τεχνολογίες προώθησης. Για τους κατασκευαστές, τις αεροπορικές εταιρείες, και το περιβάλλον, αυτές οι μικρές αλλαγές γεωμετρίας παράγουν τα οφέλη που υπερβαίνουν το μέγεθος ⁇ λιγότερο drag, χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου, και ένα ελαφρύτερο αποτύπωμα στον πλανήτη. Το ατρακτίδιο, μια φορά μια απλή στέγαση, έχει γίνει μια βιτρίνα της αδυσώπητης αναζήτησης της αποδοτικότητας της αεροναυτικής μηχανικής.