مهندسی مکانیک

کلیدواژه ها:-WIG شناور پروازی -زاویه رانش

چکیده:

گر چه طراحی و ساخت قایق های پرنده در مقایسه با وسایل پرنده دیگر ارزان تر است، اما طرف دیگر دستیابی به دانش فنی آن نیاز مند دقت و توجه بیشتری از سوی متخصصان می باشد. در تحقیق حاضر، که سعی شده تا یکی از پارامترهایی که در طراحی و عملکرد قایق های پرنده نقش عمده ایفاء می کند، یعنی " سیستم پیشرانه" تحلیل گردد. با توجه به آنکه سیستم رانش در این شناورها برای حالت برخاست سایز می گردد، نقش مکان استقرار و سایر مشخصات آن به تنهایی و به طوراهم نسبت به دم افقی از اهمیت ویژه ای برخوردار خواهد بود.

مقدمه

به موازات توسعه قایق های پرنده در دفاتر طراحی، انجام تحقیقات پرامتریک آن نیز در مراکز تحقیقات دنیا ادامه دارد. در واقع پس از پرواز موفقیت آمیز این شناور ها بود که ارزش سرمایه گذاری در تحقیقات آن بیشتر مطرح شد. هر یک از مراکز تحقیقاتی به نوبه خود بر روی بررسی پارامترهای مختلفی همچون ضرائب آیرودینامیکی، ضرائب و کیفیت های هیدرودینامیکی، کنترل و پایداری،بهینه سازی، نقش هندسه بال و بدنه، تاُثیر دم افقی و سیستم رانش و محل استقرار آن و... متمرکز شدند. به همین خاطر هم در هریک از زمینه های فوق موفقیت های چشمگیری کسب شده است، گر چه هنوز هم به جراُت نمی توان مباحث طراحی این شناورها را به تنهایی منطبق بر تحقیقات مستقل آنها در نظر گرفت. به هر حال در این شناور نیز، همانند هر وسیله پروازی دیگر، تغییر هر یک از پارامتر های طراحی نقش عمده ای در عملکرد پروازی آن خواهد داشت.

پس از جنگ جهانی دوم، استفاده روز افزون از شناور های تندرو، روند رشد و تکامل انواع شناور ها را سرعت بخشیده است.

شناور هایی مانند کاتاماران ها، هیدروفویل ها، قایق های تندرو تک بدنه و چند بدنه، قایق های پرنده و هاور کرافت ها به همراه پیشرفت فناورانه زیر سیستم های آن،رشد و توسعه یافته اند. حجم گسترده آب بر روی کره زمین از یک سو و لزوم افزایش سرعت شناور های موجود از سوی دیگر، تغییر نگرش در طراحی و ساخت شناور های با ویژگی های متفاوت را اجتناب ناپذیر ساخته است. حال آنکه انگیزه های دیگری مانند کاهش مصرف سوخت و راحتی حرکت نیز در این راستا قابل حصول می نماید.

سیستم پیشرانه در قایق های پرنده

سیستم پیشرانه در قایق های پرنده را می توان شبیه سیستم پیشرانه هواپیما ها دانست . در واقع استفاده از موتورهای پیستونی در شناورهای کوچک و موتورهای جت در انواع بزرگتر و موتورهای توربوجت در اواع سنگین همانند  هواپیما می باشد.

اما باید توجه داشت که به هرحال این موتورها باید طوری تنظیم شوند که در شرایط سطح دریا پیوسته و باحداقل  صدمات حاصل از املاج موجود در آب دریا و خوردگی ناشی از آن به کار خود ادامه دهند . در واقع موتور در این شرایط با دمای محیطی بالاتری نسبت به شرایط کارکرد در هواپیماها روبرو است. علاوه بر این شرایط خوردگی در محیط نیز به مراتب بیشتر است و همین امر نیز سبب محدودیت های بی شماری در طراحی سیستم رانش و انتخاب موتور در این شناور ها شده است .

 مکان و توان سیستم پیشرانه

مکان سیستم پیشرانه در هواپیما معمولاً بر روی دماغه ، جلوی بال ها و یا محل تقاطع محور دم می باشد که در طرح های متعارف بیشتر همین موارد مشاهده  می گردند . اما در قایق های پرنده به علت شرایط محیطی ، بویژه وجود رطوبت ناشی از بخار اشباع آب دریاها ، این سیستم  باید حتی الامکان در بالاترین ارتفاع و حداکثر فاصله تا سطح آب طراحی گردد. در قایق های پرنده معمولاً سه شکل در آرایش سیستم پیشرانه مرسوم است:

1-سیستم رانش در جلو بال به منظور ایجاد ram effect خاصل  از هوای خروجی از ملخ بر روی بال ها ، شکل(1)

2-سیستم رانش بر روی بدنه در ناحیه پشت کابین در بالاترین قسمت، شکل (2)

3-سیستم رانش در جلو دم و در بالاترین مکان ممکن ؛ شکل (3)

شکل (3) نمونه هایی از سیستم رانش جلو دم و در بالاترین مکان ممکن در هواپیماها و حتی قایق های تندرو و مقدار توان محاسباتی (برچسب درگ بیشینه وسیله) و برای سرعت بیشینه و یا شرایط مانوری بحرانی طراحی می گردد. نمودار نیروی درگ و تراست مورد نیاز بر اساس سرعت در قایق های پرنده را م توان در شکل (4) مشاهده نمود. 

          در این نمودار دو نقطه بیشینه مفروض وجود دارد که نقطه اول مربوط به پیشینه  درگ هیدرودینامیکی یا  Hump Drag و نقطه بعدی نشان دهنده مقدار درگ در سرعت بیشینه است .در واقع پدیده غالب تا نقطه 1 درگ های هیدرودینامیکی و از این نقطه تا نقطه 2 درگ های آیرو دینامیکی همانند هواپیما ها است .این درگ ها ناشی از شکل ، ممنتم،زبری سطحی و درگ القایی بال است . اما نکته حائز اهمیت فاز برخاست  این شناورها سات. چنانکه اگر شناور در طول مسیر پرواز دچار انحراف از تریم اولیه خود گردد و زاویه pitch اضافی به خود بگیرد، عمل برخاست مشکل و شناور تابع سطح موجدار زیرین می گردد ؛ و نوع دیگری از درگ به نام " تریم درگ" در شناور ایجاد می شود که گاه ممکن است برخاست را غیر ممکن سازد؛شکل (5).

در این شرایط شناور نمی تواند به سرعت نامی خود برسد و در واقع شرایط بسیار نامناسبی برای آن ایجاد می گردد .

در این حالت سیستم پیشرانه بیشترین صدمه را خواهد دید ؛ زیرا به علت وجود سرعتکم و در نتیجه عدم دسترسی موتور به مقدار هوای مناسب و از طرف دیگر کارکرد موتور در دور بیشینه؛ دمای نقاط حساس موتور افزایش می یابد . و احتمال وارد آمدن صدمات جدی به نقاط موتور وجود دارد . این شرایط در حالتی که امواج دریا از مقدار تعریف شده برای شناور نیز بیشتر شود ؛  ممکن است حادث گردد؛ زیرا بر اساس طول موج امواج دریا شناور از حالت تریم خود خارج شده و نمودار حرکت شناور از حالت A به B تغییر پیدا می کند .در این شرایط دقت در تنظیم زاویه نصب موتور اهمیت ویژه ای می یابد ؛ زیرا با تغییر زاویه نصب موتور در این شرایط می توان تمایل شناور را به حرکات موجی کاهش دادو با تاثیر مضاعفی که می توان از دم افقی گرفت . دماغه شناور را با دوران مثبت ؛ و جدا از آب نمود .

در قایق های پرنده برای افزایش قابلیت دریانوردی در امواج با فورس بالاتر،معمولاً از یک موتور اضافی (واترجت)در پایین ترین قسمت بدنه در موقعیت Step استفاده        می گردد  .تا هم فشار کمتری به موتور اصلی که معمولاً موتور هوایی است وارد شده  و هم با تغییر در مکان نیروی  تراست . ممان منفی بر روی شناور کاهش یابد .شکل (6) 

در مجموع تغییرات زاویه برداری نیروی تراست حاصل از ملخ هوایی که بر اساس تبعیت از شکل امواج دریا به صورت لحظه ای تغییر می کند ، تصحیح گردد.

با توجه به موارد فوق ، ملاحظه می گردد  که گاهی به علت شرایط محیطی به اجبار باید شرایط بحرانی تری را در طراحی در نظر گرفت و سیستم پیشرانه را بر آن اساس طراحی نمود . به همین خاطر معمولاً سیستم رانشی قایق های پرنده توانی بیش از آنچه در پرواز کروز نیاز است. دارند  با توجه به استانداردهای موجود ( هواپیماهای آب نشین far)، کافی است نیروی  تراست ؛ 20درصد بالاتر از مقدار بیشینه درگ سرعت بیشینه برسد ، امام در قایق های پرنده گاه باید تا 30 درصد ؛ این نیرو را بالاتر گرفت؛ زیرا این شناور علاوه بر رسیدن به سرعت بیشینه هیدرودینامیکی باید برخاست از آب را نیز پشت سر بگذارد؛ در چنین شرایطی است که در پرواز نرمال شناور دارای مقداری توان اضافی خواهد بود .

نقش زاویه موتور در کیفیت برخاست

زاویه موتور نیز از دوسو در کیفیت برخاست نقش بسزایی خواهد داشت. از یک سو با زاویه دار شدن موتور بردار نیروی تراست دارای مولفه قائم می شود و مقداری از وزن شناور مستقیماً خنثی می گردد و مولفه دیگر باید بر برآیند نیرویهای درگ غلبه نماید و از سوی دیگر نیز Downwash ملخ تاثیر عمده ای بر روی سطوح کنترل بخصوص دم افقی و الویتور خواهد داشت .

مشکلات نصب سیستم پیشرانه در قایق های پرنده

هر چند شکل سیستم پیشرانه در این شناورها شبیه هواپیما است ؛ اما به علت پرواز در سطح دریا و با وجود دمای محیطی به مراتب بیشتر ؛ اغلب نصب موتور بدون اعمال تمهیدات لازم؛ مشکلات و صدمات جدی را در برخواهد داشت . این مشکل از همان ابتدای تست این شناور ها قابل مشاهده می باشد . به منظور رفع این مشکل و به طور خاص حذف افزایش دما در نقاط حساس  موتور و کنترل عملکرد سیستم رانش ؛ موارد زیر قابل اجرا خواهد بود:

1-افزایش حجم آب سیستم خنک کننده تا 5/2 برابر .

2-نصب سیستم فن بر روی رادیاتور به منظور کاهش سریع دما در مواقع لازم .

3-جابه جایی مکان رادیاتور به منظور افزایش حجم هوای آزاد عبوری از آن ؛

4-جا به جایی مکان رادیاتور روغن مانند مورد 3 و افزایش حجم آن ؛

5-نصب کانال هوایی بر روی سیلندر ها جهت هدایت بهتر هوا بر روی بدنه سیلندرها و خنک شدن آن ؛

6-نصب Aircooler در حد فاصل خروجی توربو شارژر و ورودی کاربوراتر،

7-جابه جایی مکان اگزوز جهت کاهش انتقال حرارت به بدنه سیلندر و خنک شدن بوسیله هوای آزاد؛

8-نصب سنسورهای اضافی در موقعیت های حساس جهت مشاهده و کنترل به موقع دما،

9-تنظیم فاصله الکترود شمع ها مطابق دستورالعمل موتور؛

10-اضافه کردن پمپ سوخت کمکی به منظور تنظیم و افزایش نسبت سوخت به هوا در هنگام ضروری (افزایش نسبت سوخت به هوا در شرایط لازم.)

11-استفاده از سوخت با مشخصه های سازگار با موتور؛

به این ترتیب با بررسی دماهای نقاط حساس مانند هوای خروجی اگزوز . دمای آب گردشی در سر سیلندر ها؛ دمای خود سر سیلندرها ؛ دما و فشار روغن،   می توان به کنترل عملکرد موتور پرداخت . در این میان یکی از نتایج کسب شده از تست های  پروازی در شرایط مختلف ، آن بود که به وجود توربو شارژر در قایق های پرنده باید با حساسیت بیشتری کنترل گردد. و یا حتی الامکان در شرایط اقلیمی گرم از موتورهای بدون توربو شارژر در قایق های پرنده استفاده نمود.

نتیجه گیری

به طور کلی می توان از بسیاری از موتورهای هوایی در قایق های پرنده استفاده نمود . تجربیات موجود در دنیا نیز حاکی از همین امر است . لیکن به منظور تطبیق شرایط موتور با عملکرد وسیله باید تمهیداتی را در سیستم های خنک کننده  و کنترل دما در نقاط حساس اعمال نمود . در آینده نیز می توان نیز     می توان امیدوار بود که برخی موتورهای درایی قابلیت نصب بر روی قایق های پرنده  را با توجه به پیشرفت های فناوری پیدا نمایند  که مستلزم ارضای محدودیت های وزن و عملکرد آنها است .

مرجع

1-محمد رضا صادقی زاده ؛ گزارش تست های میدانیSTA  و بهینه سازی بر اساس نتایج هر مرحله .1382

 

 

نقل از: مجله پژوهشیار