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diverterless supersonic intake

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vorrei chiedere ai più esperti il principio di funzionamento di questa presa d'aria. nello specifico mi interessa sapere come fa ad evitare l'ingestione dello strato limite? le uniche informazioni a riguardo le ho trovate su questo sito ma sono spiegazioni striminzite :

" The DSI bump functions as a compression surface and creates a pressure distribution that prevents the majority of the boundary layer air from entering the inlet at speeds up to Mach 2"

 

un disegno che spiega il fenomeno avrebbe risolto tutti i miei dubbi ma nella rete non lo ho trovato. quindi chiedo a voi quale è il suo principio di funzionamento?

 

quale è il suo rendimento rispetto agli altri tipi di presa?

 

quale sono i suoi vantaggi e gli svantaggi?

 

per onor di cronaca la presa è presente sui j-10b cinesi , jf-17, f-35, j-20 ed è stata testata (non per implementarla ma per il programma jsf) sul f-16

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I vantaggi, secondo Lockheed Martin sono l'assenza di una piastra di separazione dello strato limite e l'eliminazione di qualsiasi eventuale parte mobile.

Di conseguenza si ha una riduzione di complessità che si traduce in un peso inferiore (oltre 100kg in meno), in un costo minore di fabbricazione (oltre 200 mila dollari in meno) e manutenzione (0.03 ore di manutenzione uomo per ora di volo).

A questo si aggiungono i vantaggi della stealthness, poichè una piastra di separazione aumenta la superficie bagnata e crea qualche eco radar di troppo, con probabilmente la necessità di un massiccio impiego di delicati materiali ram.

 

Tale presa d'aria è invece in grado di impedire allo strato limite di entrare e generare una pessima qualità di vena e quindi un calo di prestazioni del motore.

In pratica il rigonfiamento davanti alla presa d'aria e l'esterno della presa d'aria stessa creano un campo di sovrapressione davanti all'ingresso del condotto circondato da una zona di depressione circostante che aspira lo strato limite fuori dalla presa d'aria prima che venga inghiottito.

L'aria più veloce e lontana dalle pareti su cui scorre lo strato limite finisce invece dentro il condotto.

Nel contempo a velocità supersonica si creano delle onde d'urto inclinate che comprimono l'aria con basse perdite di carico finchè questa non entra nel condotto a velocità subsonica.

 

Sono un po'arrugginito in proposito e quindi non mi spingo oltre ma, se ci si vuol proprio far del male e approfondie l'argomento, penso che non ci sia nulla di meglio del documento di brevetto presentato da Lockheed Martin con tanto di disegni e grafici esplicativi...

 

http://www.freepatentsonline.com/5749542.pdf

Modificato da Flaggy

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Io immaginavo che come principio di funzionamento potesse essere una semplificazione della presa d'aria con cono mobile dei mirage ma vedendo il profilo dritto della presa d'aria immagino che sia una cosa diversa.. Non riesco a capire se il bordo della presa d'aria deve essere forzatamente "dritto" per "tagliare" la vena dello strato limite o potrebbe essere anche circolare..

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metto un disegno estrapolato dal brevetto LM sul DSI (il link del brevetto è stato postato da flaggy nel 2 post)divertless.jpg

 

ora se non ho capito male. il rigonfiamente (bump, in figura il punto 20) crea una sovrapressione appena davanti a esso e quindi alla presa d'aria, la forma e la presenza della presa d'aria (in figura punto 36, 32) aiutano a mantenere questa sovrapressione dietro ad esso. tranne che hai lati della stessa. (in figura nel punto 42)

lo strato limite incontra la sovrapressione e devia, devia soprattutto ai lati grazie alla depressione li creata dalla presa d'aria (sempre punto 42)

a questo punto mi par di capire che l'aria aggira lo strato limite da sotto (nds. perdonatemi i termini non tecnici) ed entra dove indica la freccia 11 facendo piu o meno il percorso della freccia.

giusto?

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Dal poco che so io, quindi non prendere per oro colato:

1) Il comportamento dell'aria in regime subsonico e supersonico cambia fino ad essere completamente diverso se non addirittura opposto. In regime subsonico l'aria dovrebbe comportarsi in modo uniforme, mentre in supersonico cessa di scorrere attorno all'aereo uniformemente, ma lo fa in aree di pressione-depressione che si alternano in onde di compressione.

 

2) lo staro limite è l'insieme dei "foglietti" d'aria che scorrono più vicini alla parete di un condotto e di una fusoliera. In un tubo, il fluido che scorre al centro ha la velocità massima, mentre quello che scorre ad intimo contatto con le pareti ha la velocità minima ed anzi può essere considerato a vel. zero (immobile) a causa dell'attrito con la parete.

Mano a mano che mi allontano dalla parete del tubo l'attrito diminuisce e la vel. aumenta: è questa la parte di fluido buona per il compressore.

Lo strato limite non è buono in fluidodinamica. E' troppo lento, troppo caldo (attrito) e può staccarsi dalla superficie di fusoliera e scomporsi in vortici (moto turbolento). Questo non va bene nè per le superfici portanti, nè per le palette del compressore di bassa pressione o del fan, che devono essere alimentate invece con aria omogenea, non turbolenta, uniforme e alla giusta vel. subsonica e alla giusta pressione e temperatura.

 

3) Siccome le prese d’aria devono alimentare correttamente il compressore sia che l’aereo voli in supersonico che in subsonico, le prese d’aria stesse devono adattarsi a tutta una serie di situazioni anche diversissime tra loro.

In subsonico, bisogna allontanare lo strato limite e questo viene fatto in vari modi, sia con il diverter, che separa lo strato limite della fusoliera da quello diretto al motore e infine lo aspira, cioè si possono creare aree di depressione che aspirano lo strato limite fuori dalla presa d’aria e lo dissipano.

In supersonico, coni (come sull’F104) e deflettori interni tengono l’onda di pressione lontano dal compressore e la rallentano (pannelli interni che modificano il diametro della presa d’aria di fronte al compressore).

 

3) In supersonico, le onde di pressione generate dall’aria in entrata devono essere tenute lontane dal primo stadio del compressore di bassa pressione o dal fan (nelle turbo ventole). Il loro moto è assimilabile per puri fini descrittivi alle onde di mascone (di prua) di uno scafo in acqua, la cui prua può essere sempre a scopo esemplificativo paragonata alla punta del cono delle prese dell’F104, o del Mig-21, ecc... A seconda di dove posiziono il cono, l’onda di pressione mi va a cadere in un certo punto, ma sempre lontano dal compressore:

 

 

bowwave1.jpg

 

 

Queste onde vanno dissipate e l’aria rallentata PRIMA che arrivi al compressore o al fan.

Diverter e pannelli interni sono utili, ma sono un peso in più, per cui si è passati alle prese d’aria moderne (F35) che non hanno questi dispositivi (guadagno in peso) e hanno “solo” dei dissipatori di velocità e pressione esterni, davanti alla presa d’aria.

Modificato da Hobo

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a questo punto mi par di capire che l'aria aggira lo strato limite da sotto (nds. perdonatemi i termini non tecnici) ed entra dove indica la freccia 11 facendo piu o meno il percorso della freccia.

giusto?

 

Diciamo che lo strato limite in gran parte passa sopra e sotto la presa d'aria e che, grazie alla sua ridotta velocità, viene deviato dal campo di pressioni che si instaura intorno alla presa d'aria.

L'aria lontana dalle pareti segue invece un percorso abbastanza "regolare"ed entra nella presa d'aria scorrendo sopra dello strato limite stesso che "sfugge via" passando sopra e sotto la presa d'aria.

In parte verrà anche ingerito dalla presa stessa, ma dopo essersi rimescolato con l'aria acquisendo di nuovo velocità.

 

Ovviamente lo strato limite non viene eliminato da questa o da altre prese d'aria: dove c'è una parete e un flusso c'è anche uno stato limite (e ci deve essere altrimenti l'aria non seguirebbe nemmeno la superficie).

Il punto è che all'interno della presa d'aria se ne deve formare uno nuovo, più sottile e ben aderente al condotto, di modo che non si distacchi da esso impedendo il corretto funzionamento del motore.

Lo strato limite che si vuole eliminare è infatti quello prodotto dal muso e che si è inspessito scorrendo per qualche metro sulla fusoliera, diventendo soggetto a distacchi e turbolenze che con un motore non vanno molto d'accordo.

 

In campo supersonico la compressione dell'aria avverrà tramite onde d'urto prodotte dalla "gobba" del diverterless ed entrando nel condotto il flusso sarà già subsonico e quindi pronto a una ulteriore compressione e rallentamento che avverrà in un condotto di sezione via via crescente.

Il motore verrà quindi sempre alimentato da un flusso ampiamente subsonico che consentirà il corretto funzionamento delle palette del compressore che ruotano a migliaia di giri al minuto, ma che non devono produrre dannose onde d'urto all'estremità.

 

 

Non riesco a capire se il bordo della presa d'aria deve essere forzatamente "dritto" per "tagliare" la vena dello strato limite o potrebbe essere anche circolare..

La forma della presa d'aria, con superfici piatte e squadrate penso sia determinata essenzialmente da ragioni di stealthness.

D'altra parte nel J-11 ha una forma già più tondeggiante.

Certo, la necessità di far passare lo strato limite esternamente alla presa d'aria probabilmente richiede che l'ampiezza del condotto sia relativamente ridotta alla base.

A parità di sezione di ingresso probabilmente una forma più squadrata garantisce però una distanza minore fra i due lembi della presa d'aria che devono separare lo strato limite facendolo passare all'esterno.

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dal basso della mia preparazione mi sovvengono delle considerazioni.

 

la tecnologia DSI è stata testata da LM nel 96, il brevetto è del 98. non ho trovato altre applicazioni prima. quindi tale tecnologia è più recente dei prototipi dell yf-22 e yf-23, che infatti non la incorporano ed usano sistemi tradizionali (se quello del yf-23 si può definire cosi) per evitare l'ingestione dello strato limite. ora tali sistemi in teoria aumentano la superficie bagnata e soprattutto la RCS. per ovviare a tutto ciò si è ricorsi in quella specifica area a uso esteso e avanzato di materiali e vernici RAM.

progetti americani più recenti quali f-35 e xf-32 invece fanno uso della tecnologia DSI. con i vantaggi scritti nelle risposte precedenti.

 

quello che vorrei mettere bene a fuoco è a quanto ammontano veramente questi vantaggi. visto che gli aerei più invisibili al mondo (b-2 e f-22) non incorporano queste tecnologia. (per il b-2 il discorso è un pelo più complesso perchè le prese sono sul dorso alare, quindi nascoste dai radar terrestri dalla struttura stessa dell aereo, ma l'f-22 non ha scusanti.)

 

altro motivo di riflessione è il fatto che il progetto del su-50, anche se recente, non incorpora la tecnologia DSI. sempre considerazione personale credo che i russi se ne intendano più di aerodinamica che di materiali e vernici ram. quindi avrebbero fatto meno "fatica" ad usare una presa d'aria DSI e progettare di conseguenza i condotti che portano l'aria al motore piuttosto che fare ricerche sui materiali e vernici RAM che difficilmente saranno performanti come quelle occidentali in tempi brevi.

 

continuando coi motivi di riflessione passiamo al caso cinese. il j-20 fa uso del DSI. e "sembrerebbe" (è un prototipo e le virgolette ci stanno tutte) il primo aereo con tecnologia DSI capace di supercruise.

il discorso si fa più interessante pensando al jf-17 ed al j-10b. aerei che sono nati senza questa tecnologia e ne sono stati dotati successivamente. sicuramente non sono aerei stealth ma hanno accorgimenti per ridurre la traccia radar, almeno quella frontale. non conosco le stime della loro RCS ma le ritengo poco superiori a raffale e ef-2000 (anche loro a bassa osservabilità e senza tecnologia DSI). l'implementazione di queste tecnologie su jf-17 e j-10b quanto ha modificato l'RCS e quanto ha modificato le prestazioni dell aereo?

(dati credo impossibili da reperire). ma sarebbe interessante fare un confronto prima e dopo l'implementazione.

 

 

in conclusione credo che si la tecnologia DSI porti dei vantaggi per quanto riguarda rcs. ma minimi, credo che il vantaggio principale sia nella semplicità costruttiva e nella mantenibilità non dovendo ricorrere a paratie e soprattutto a uso esteso ed intensivo di vernici ram.

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molto interessante tutte le spiegazioni e le considerazioni sulle DSI.

una domanda:

l'utilizzo di materiali RAM in che modo compensa la mancanza di una DSI ?

bye

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