International Workshop Advanced Researches in Computational Mechanics and Virtual Engineering  18 – 20 October 2006, Brasov, Romania

STUDIUL TEORETIC AL ZBORULUI ECRANOPLANELOR

Zelenyak Laurentiu 1 “TRANSILVANIA” University of Brasov, ROMANIA,

Inca de la inceputurile aviatiei piloti puteau sesiza un fenomen ciudat atunci cand se aflau cu avionul in apropierea solului pe panta de aterizare. Chiar inainte de a atinge solul avionul avea tendinta sa sara dintrodata ca si cum nu ar fi vrut sa mai coboare mai jos. Zburand in continuare pe pe aerna de aer care se forma intre aripa si pista de aterizare. Parna de aer este mai bine sesizata la avioanele cu aripa situata in partea de jos a fuselajului si cu suprafata portanta mare. Acest fenomen aerodinamic se numeste efect de sol. Fratii Wright probabil nu au zburat la primele lor incercari inafara efectului de sol si au beneficiat de avantajele oferite de el fara ca macar sa stie de existenta lui. In al doilea razboi mondial pilotii care pierdeau un motor aveau posibilitatea de a reveni la baza zburand la cativa metrii deasupra apei si utilizand astfel mai putina putere si economisind combustibil. Doua fenomene sunt importante cand vorbim de o aripa care zboara in efect de sol: Reducerea rezistentei induse cand vorbim de anvergura . Cresterea relativa a presiunii aerului aflat intre aripa si sol asa numita perna de aer, atunci cand vorbim de coarda. In general cand spun efect de sol se refera la anvergura echivalenta dominata de efectul de sol, pe care apar doua tipuri de rezistenta: - rezistenta la inaintare care este dependenta de suprafata portanta. - rezistenta indusa - cand aripa genereaza portanta, presiunea dinamica a aerului de pe intrados este mai mare decat presiunea de pe extrados. - diferenta de presiune pe suprafata genereaza forta de portanta. P=p/s Problema apare la extremitatea arpii, acolo unde presiunei de pe intrados tinde sa egaleze presiunea de pe extrados, aceasta se realizeaza printr-o circulatie marginala. Circulatie care are loc in jurul capatului aripii, generand in falul acesta o descerstere a fortei de portanta. Fenomenul poarta dennumirea de vartej de capat. Acest fenomen apare la toate suprafetele care genereaza portanta si uneori este vizibil la show-rile aeriene, cand un avion de lupta zboara cu un unghi mare de atac, apa din atmosfera se condenseaza intr-un vartej de joasa presiune, iar la extremitatea aripii apare o linie elicoidala vizibila. Energia acumulata in aceste vartejuri este pierduta de avion sub forma de rezistenta la inaintare. Cantitatea de rezistenta indusa este dependenta de distributia portantei pe aripa si de raportul de trapezoidalitate. Un raport de trapezoidalitate mai pronuntat atrage dupa sine o rezistenta indusa mai mica. Alte solutii de reducere a rezistentei induse sunt aripa cu winglet sau o aripa optimizata din punct de vedere aerodinamic si anume aripa trapezoidala, dar care prezinta dezavantajul unei constructii complicate. International Workshop Advanced Researches in Computational Mechanics and Virtual Engineering  18 – 20 October 2006, Brasov, Romania

Anvergura in efect de sol si in aer liber: se observa ca vartejurile din jurul extremitatii au mai mult spatiu de a se desfasura in aer liber, pe cand in efect de sol circulatia este impiedicata de ecranul creat de sol. Nu exista suficient spatiu pentru ca un vartej sa se poata dezvolta atunci cand aripa zboara in apropierea sollui. In felul acesta curgerea de la intrados spre extrados este redusa. Conform teoriei fondate de Wieselsberger in 1920 aplicand Prandtl rezulta ca la o inaltime de 10% din anvergura rezulta o scadere a rezistentei induse cu 50%.

Influenta efectului de sol in rezistenta indusa conform lui Wieselsberger

Efect de sol datorat pernei de aer International Workshop Advanced Researches in Computational Mechanics and Virtual Engineering  18 – 20 October 2006, Brasov, Romania

Aceste grafice ilustreaza cresterea portantei in efect de sol

Se poate observa perna de aer. Analizele au fost realizate cu Airfoil Calculator cu si fara efect de sol, in ambele cazuri s-a luat un unghi de atac de 5 grade. In aer liber coeficientul de portanta a fost de 0.8, iar in efect de sol la 0.05 din coarda a fost de 1.1

Efect de sol dat de perna de aer Stabilitatea longitudinala

Stabilitatea longitudinala a apratelor care zboara in efect de sol este o problema foarte delicata. Pentru avioane aceasta nu este o problema deoarece ele se afla in zbor in regim de efect de sol doar tranzitoriu, chiar daca apar probleme de instabilitate avionul se afla inca pe sol sau a depasit zona de efect de sol inainte ca efectele sa devina dezastroase. Pentru ecranoplane sau pentru hidroavioane care opereaza un timp mai indelungat in efect de sol instabilitatea poate fi o problema majora. Sunt frecvente accidentele barcilor de curse care datorita instabilitatii se rastoarna; acelasi lucru se intampla si cu un ecranoplan instabil. International Workshop Advanced Researches in Computational Mechanics and Virtual Engineering  18 – 20 October 2006, Brasov, Romania

Acidentul unei barci cu curse Locatia centrului de greutate este foarte importanta pentru realizarea unei stabilitati acceptabile. Motivul acestul acciddent este plasarea relativ indepartata a liniei de distributie a portantei fata de inaltimea mica la care zboara barca si se deplaseaza in fata cand barca iese din efectul de sol. Problema stabilitatii se poate rezolva intr-o oarecare masura prin introducerea unui ampenaj orizontal de dimensiuni mari. Studiile de ultima ora arata ca ele mai stabila aripi se dovedesc a fii cele in sorma de “S”.

Varful profilului nu trebuie sa fie prea subtire intrucat in acest caz ar duce la o separare prematura in efect de sol. Au fost create profile speciale pentru operarea in ecfect de sol, de obicei constructorii de ecranoplane aleg profile obisnuite la avioane cu ar fii familia de profile NACA sau profile Clark Y preferabile deoarece au partea de dedesubt platuita, aspect preferabil in efect de sol. Un profil concav pe intrados este de nedorit datorita faptului ca aceasta duce la o stabilitate foarte scazuta, ceea ce duce la o accentuare a tendintei de cabraj-picaj sus mentionat. Un exemplu de profile elaborate special pentru zbor in efect de sol sunt profilele DHMTU

Exemplu de profil speciel pentru efect de sol, cu un intrados in forma de S Hidrodinamica Cele mai multe modele sunt proiectate sa realizeze aterizarea pe apa, sunt si modele pentru aterizarea pe sol dar foarte putine. International Workshop Advanced Researches in Computational Mechanics and Virtual Engineering  18 – 20 October 2006, Brasov, Romania

Astfel se poate observa din diagrama cum puterea necesara pentru desprindere este cu mult mai mare decat puterea necesara in zbor de croaziera.

Puterea si rezistenta la decolare In cinsecinte se poate ca coeficientul de portanta necesar la decolare sa fie de 10 ori mai mare decat cel in zbor de croaziera.

Diferenta principiului de functionare dintre hovercraft si ecranoplan: la hovercraft peretii de culoare verde coboara, iar canalul de culoare albastra preia debitul de aer de la elice, impingandu-l in cavitatea de sub nava.