Δημήτριος-Περικλής Γιαννούλης
Δρ Πανεπιστημίου Πατρών, Μηχανικός ΣΜΑ
Η συνεχής προσπάθεια για τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου των αεροσκαφών επικεντρώνεται, συνήθως, στη βελτίωση επιμέρους υποσυστημάτων και λειτουργιών και περιλαμβάνει επανασχεδιασμό κινητήρων για αύξηση της προωθητικής απόδοσης, τοποθέτηση winglets για τη μείωση της επαγωγικής οπισθέλκουσας και χρήση σύνθετων υλικών για τη μείωση του βάρους.
Παράλληλα με τους ανωτέρω τομείς, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί ιδιαίτερα το ενδιαφέρον για πιο ολοκληρωμένες προσεγγίσεις, οι οποίες μπορούν να βελτιώσουν συνολικά την απόδοση του αεροσκάφους. Μια τέτοια τεχνολογία είναι η εισρόφηση και επανενεργοποίηση του οριακού στρώματος της ατράκτου από το προωθητικό σύστημα (Boundary Layer Ingestion Propulsion – BLIP).
Αρχή λειτουργίας
Στόχος αυτής της τεχνολογίας είναι η πληρέστερη ενσωμάτωση του προωθητικού συστήματος στο αεροσκάφος, με εκμετάλλευση της αλληλεπίδρασης αεροδυναμικής – επιδόσεων του αεροκινητήρα. Το βασικό πλεονέκτημα της ενσωμάτωσης της τεχνολογίας BLIP είναι η αύξηση της προωθητικής απόδοσης. Η προωθητική απόδοση είναι ο λόγος της χρήσιμης προωθητικής ενέργειας προς το άθροισμα αυτής και της αποβαλλόμενης κινητικής ενέργειας των καυσαερίων. Εκφράζει το μέτρο της αποτελεσματικότητας με την οποία η εγκατάσταση του προωθητικού συστήματος συνολικά χρησιμοποιείται για την πρόωση του αεροσκάφους και διαφέρει από την απόδοση λειτουργίας των μηχανικών μερών του αεροκινητήρα και την απόδοση μετατροπής ενέργειας στο εσωτερικό του.
Η αύξηση της προωθητικής απόδοσης, επιτυγχάνεται με τη μείωση της μέσης ταχύτητα εισόδου του αέρα στο προωθητικό σύστημα με την εισρόφηση του οριακού στρώματος της ατράκτου, καθώς αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της απαιτούμενης ταχύτητας εξόδου των καυσαερίων στο ακροφύσιο, για τη διατήρηση ίδιου επιπέδου ώσης. Κατά συνέπεια, προκύπτει μειωμένη απαίτηση παραγωγής ισχύος και μείωση της συνολικής κατανάλωσης του καυσίμου.
Επιπλέον, μείωση κατανάλωσης επιτυγχάνεται μέσω της περαιτέρω μείωσης της συνολικής οπισθέλκουσας, λόγω:
- Απουσίας πυλώνων ανάρτησης και καλυμμάτων, άρα μείωσης της συνολικής επιφάνειας που έρχεται σε επαφή με τη ροή.
- Μείωσης οπισθέλκουσας αλληλεπίδρασης των παραπάνω εξαρτημάτων.
- Μείωσης του απορρεύματος καθώς – κατά κάποιο τρόπο – αυτό “ενσωματώνεται” στα καυσαέρια και προκύπτει μια πιο ομαλή κατανομή της ροής πίσω από το αεροσκάφος.
- Επανενεργοποίησης του οριακού στρώματος, καθώς με την αύξηση της κινητικής του ενέργειας μειώνεται και η οπισθέλκουσα τριβής (η απώλεια κινητικής ενέργειας είναι αισθητή από το κινούμενο σώμα ως οπισθέλκουσα).
- Μεταβολής των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών, με τη δημιουργία περιοχής υποπίεσης στη ράχη της ατράκτου στα αεροσκάφη σχεδίασης Blended Wing Body (BWB).
Όπως είναι φυσικό, πέρα των θετικών επιπτώσεων της υιοθέτησης της εν λόγω διαμόρφωσης, δημιουργούνται σημαντικά ζητήματα ποιότητας της ροής στην εισαγωγή του αεροκινητήρα, λόγω της ύπαρξης του οριακού στρώματος από τη συνολική μπροστινή επιφάνεια της ατράκτου. Ως εκ τούτου, τα πτερύγια του ανεμιστήρα (fan) των κινητήρων turbofan, θα διέρχονται από περιοχές εναλλασσόμενης πίεσης και ταχύτητας, με αποτέλεσμα να παρατηρούνται αυξημένες ταλαντώσεις, μείωση της απόδοσής τους και να δημιουργούνται συνθήκες πρόκλησης stall.
Για το λόγο αυτό, γίνεται προσπάθεια επανασχεδίασης των πτερυγίων, ώστε να μπορούν να ανταπεξέρχονται στις ανομοιόμορφες αυτές συνθήκες εισόδου (Distortion-Tolerant Fans). Φυσικά η απόδοση λειτουργίας του ανεμιστήρα και ενδεχομένως του συμπιεστή να είναι ελαφρώς μειωμένη σε σχέση με τις κλασσικές σχεδιάσεις, αναμένεται όμως ότι η επιδιωκόμενη βελτίωση της προωθητικής απόδοσης, θα υπερκαλύψει αυτές τις απώλειες και η συνολική προσέγγιση θα έχει σαφώς θετικό πρόσημο.
Εφαρμογή
Η τεχνολογία εισρόφησης του οριακού στρώματος από το προωθητικό σύστημα, αναμένεται να εφαρμοσθεί στις κλασσικές σχεδιάσεις επιβατικών αεροσκαφών αλλά και σε νεότερες, όπως τα BWB. Μελέτες έχουν δείξει ότι η ενσωμάτωση της προσέγγισης αυτής στη σχεδίαση νέων αεροσκαφών, έχει τη δυναμική να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου έως και 8.5%, μειώνοντας παράλληλα το κόστος μεταφοράς ταξιδιωτών και εμπορευμάτων αλλά και την περιβαλλοντική επιβάρυνση.
Πηγές:
Reduce Fuel Burn With a Dose of BLI
A Review of Boundary Layer Ingestion Modeling Approaches for Use in Conceptual Design
