هواپیمای بال ـ بدنه مرکب

● مقدمه
هدف از طراحی هواپیما رسیدن به پروازی ایمن و با صرفه است. در دنیای حمل و نقل تجاری هوایی، طرح هایی با كارایی بالا و با صرفه از لحاظ اقتصادی مورد نیاز است. برای یك هواپیمای جنگنده، مانور پذیری بالا و قابلیت پنهانكاری از رادار و كارایی مناسب در هنگام سیر مورد توجه است.
Liebeck دیدگاههای جدیدی را در طراحی هواپیما ارئه می دهد. اولین پرواز با قدرت موتور كه قابلیت كنترل پذیری داشت در سال ۱۹۰۳ توسط برادران رایت انجام گرفت. حدود نیم قرن پیش هواپیمای B-۴۷ با بال هایی كه دارای زاویه عقبگرد بودند به پرواز در آمد. حدود ۴۴ سال بعد نیز هواپیمای ایرباس A۳۳۰ به پرواز در آمد. مقایسه ای بین چند هواپیما در شكل ۱نشان داده شده است و نشان دهنده تكامل طراحی هواپیما در یك قرن گذشته است و همان طور كه می بینید هواپیما ها به سمت طرح های بهینه تری پیش رفته اند. این شكل همچنین نشان دهنده تحول چشمگیر در طراحی هواپیما به خصوص در ۴۴ سال اول است. B-۴۷ و A۳۳۰ هردو از اصول طراحی یكسانی كه در هواپیما های حمل و نقل تجاری استفاده می شد بهره بردند. این اصول شامل بال های دارای زاویه عقبگرد و غلاف های نگه دارنده موتور هستند. در چهار ده بعد تركیب هواپیما ها تغییر زیادی نكرد و فقط كارایی آن ها بیشتر شد. بیشترین دستاوردها در طراحی هواپیمای A۳۸۰ (شكل ۲) و هواپیمای Boeing ۷۸۷( شكل ۳) حاصل شده است.
بال پرنده طرحی از هواپیمای بدون دم است كه در اولین سال های هوانوردی مطرح شد.
به غیر از بال كه جزئی جدا ناپذیر از هواپیما است، برداشتن هر قسمت دیگر مانند بدنه یا دم منجر به طرحی با كم ترین نیروی پسا۱ می شود. كاربرد های موفق از این طرح، هواپیمای بمب افكن XB-۳۵ است( شكل ۴) كه در ابتدای سال ۱۹۴۶ به پرواز در آمد و هواپیمای بمب افكن پنهان كار B-۲ (شكل ۵) كه در سال ۱۹۸۹ به پرواز در آمد.
هواپیمای بال-بدنه مركب(BWB۲) (شكل ۶) طرح نسبتا جدیدی از هواپیما است كه قابلیت استفاده به عنوان هواپیمای حمل و نقل، جنگنده، باربری و سوخت رسان را دارد. هواپیمای بال-بدنه مركب در واقع نوعی بال پرنده است كه بار و مسافران را در بدنه ضخیم مركزی كه به شكل ایرفویل۳ است جا می دهد. مطالعات نشان دهنده بهبود زیاد در كارایی این نوع هواپیما ها در صورت استفاده در محدوده زیر صوتی است و ساخت آن ها با استفاده از تكنولوژی موجود امكان پذیر است.
● هواپیمای بال-بدنه مركب
طرح هواپیمای بال-بدنه مركب توسطLiebeck Robert در شركت McDonnell Douglas (اكنون بوئینگ) در سال ۱۹۸۸ مطرح شد. در این طرح، بدنه ، بال و موتور ها در یك تركیب برازا۴ جا داده شده اند و باعث می شود كارایی آیرودینامیكی به حداكثر مقدار خود برسد. بیشتری تاثیر در افزایش كارایی آیرودینامیكی به خاطر كاهش مساحت بدنه و در نتیجه كاهش نیروی پسای سطح است. بر اساس نظریه Liebeck می توان مساحت بدنه را تا ۳۳% به نسبت هواپیماهای معمولی كاهش داد. این كاهش بیشتر به خاطر حذف شدن دم و مقاطعی كه موتور را به بال و بال را به بدنه متصل می كنند است.
طراحی بیهنه چند وجهی (MDO۵)، نقشی مهم در طراحی هواپیمای بال-بدنه مركب ایفا می كند. تركیب شدگی بین بال، بدنه، موتورها و سطوح كنترل كه به صورت ذاتی در این طرح وجود دارد به MDO ‌اجازه می دهد تا از مزیت طرح های مختلف بهره بگیرد و به طرحی برسد كه به نسبت هواپیما های معمولی كارایی بالاتری دارد. بنابراین MDO به صورت گسترده ای در طراحی هواپیمای بال-بدنه مركب استفاده می شود.
طرح های اولیه بوئینگ BWB ظرفیت پذیرش ۸۰۰ مسافر و برد ۸۰۰۰ ناتیكال مایلی با سرعت كروز ۰.۸۵ ماخ داشتند. كابین مسافران دو قسمتی بود و بار در قسمت عقب قرار می گرفت. اگر چه این طرح ها برتری قابل ملاحظه ای را به نسبت هواپیما های معمولی با همان میزان بار و ماموریت داشتند، ولی بوئینگ امروزه به دنبال هواپیما های كوچك تر است. خانواده ای از این طرح ها كه قابلیت حمل ۲۰۰ تا ۴۵۰ مسافر را دارند در دست بررسی است. این باعث می شود تا بتوان این طرح را با هواپیما های امروزی مانند Boeing ۷۴۷، Airbus ۳۴۰ و Airbus ۳۸۰ بهتر مقایسه كرد.
هواپیمای بوئینگ BWB ۴۵۰ قابلیت حمل ۴۷۸ مسافر را در سه كلاس مسافر در برد ۷۷۵۰ ناتیكال مایل دارد. كابین مسافران دو قسمتی است. مسافران در كابین بالایی می نشینند و بار در كابین پایین جا داده می شود. تانك های سوخت در بال و قسمت انتهایی بدنه جا داده می شوند. هواپیمای بوئینگ BWB ۴۵۰ دارای سه موتور توربوفن است كه در قسمت انتهایی بالای بدنه و لبه فرار بال و بر روی پایه هایی نصب می شوند. تحقیقی كه اخیرا توسط بوئینگ بر روی بهینه سازی سرعت انجام شد نشان داد كه سرعت ۰.۹ ماخ برای برد ۷۷۵۰ ناتیكال مایل مقداری بهینه است. اگرچه مقدار اقتصادی سرعت باید قبل از انتخاب عدد ماخ در مرحله كروز، تعیین شود. به عنوان مثال كمی افزایش سرعت در ماموریت هایی كه برد بیشتری دارند می تواند باعث حذف نیاز به گروه دوم خدمه شود. این نوع بررسی باید با توجه به افزایش وزن خالص برخاست (TOGW) و افزایش سوخت مصرفی صورت گیرد.
● منافع هواپیمای بال-بدنه مركب
مقایسه ای بین كارایی هواپیمای بوئینگ BWB ۴۵۰ و ایرباس A-۳۸۰-۷۰۰ در جدول شماره ۱ آورده شده است. هردو با حدودا ۴۷۰ مسافر و برد ۸۷۰۰ ناتیكال مایل مقایسه می شوند. مهم ترین نتیجه به دست آمده آن است كه هواپیمای بوئینگ BWB ۴۵۰ به ازای هر صندلی ۳۲% سوخت كم تری مصرف می كند.
هر دو هواپیما از فن آوری یكسانی در موتور ها و نیروی پیشرانش یكسانی بهره می برند اما هواپیمای ایرباس A-۳۸۰-۷۰۰ به چهار موتور و هواپیمای بوئینگ BWB ۴۵۰ به سه موتور نیاز دارند. سازه اصلی هواپیمای ایرباس A-۳۸۰-۷۰۰ از GLARE می باشد (سازه ساندویچی ساخته شده از صفحات آلومینیومی و فیبر شیشه)، به غیر از صفحات خارجی بال كه كاملا كامپوزیتی هستند. بیشتر سازه هواپیمای بوئینگ BWB ۴۵۰ از كامپوزیت ساخته شده است.
تحقیقی كه اخیرا در موسسه فن آوری Virginia انجام شده نشان داد كه بهبود بیشتر در كارایی هواپیما های BWB را می توان با استفاده از پیشرانش توزیع شده۶ افزایش داد. پیشرانش توزیع شده بدین معنا است كه به جای استفاده از چند موتور متوسط از تعداد زیادی موتور كوچك استفاده كنیم و گاز های خروجی از موتور را تا لبه فرار بال در مجرایی هدایت كنیم.( شكل ۹). استفاده از این تركیب باعث افزایش كارایی پیشرانش می شود زیرا گاز های خروجی با جریان مغشوش در قسمت انتهایی بدنه تركیب می شوند و باعث افزایش كارایی آیرودینامیكی می شوند. استفاده از این روش باعث كاهش ۵.۴% وزن خالص برخاست و كاهش ۷.۸% مصرف سوخت می شود. این صرفه جویی بیشتر به خاطر تاثیر گاز های خروجی بر روی نیروی پسای القایی۷ و افزایش كارایی پیشرانش است.
Liebeck همچنین در مورد قابلیت كاهش شدید در سطح صدای تولیدی و آلودگی بحث می كند. اول اینكه موتور ها در قست بالای بدنه نصب می شوند، بنابر این سروصدای موتور ها توسط قسمت مركزی بدنه گرفته می شود و گاز خروجی از موتور به سمت پایین بال نمی رود. دوم آنكه فلپ های شكاف دار۸ لبه فرار مورد نیاز نیست، بنابراین یكی از منابع اصلی سروصدا حذف می شود. همچنین نیاز به فلپ های لبه فرار را می توان با استفاده از تغییر بردار نیروی پیشرانش و گاز های خروجی جایگزین كرد. سوم آنكه كاهش نیروی پیشرانش و كاهش مصرف سوخت نیز به كاهش آلودگی و سروصدای موتور ها می انجامد كه نیاز به استفاده از فن آوری پیچیده را نیز ندارد. بنابر این به نظر می رسد كه طرح BWB بدون نیاز به مواد صدا گیر باعث كاهش سروصدا می شود.
● آینده BWB
واضح است كه BWB در مقایسه با هواپیما های معمولی برتری چشمگیری هم از لحاظ كارایی و هم از لحاظ وزنی دارد. اگرچه BWB یك طرح انقلابی در طراحی هواپیما است و برای پیوستن به واقعیت نیاز به كار مهندسی زیاد و صرف هزینه های زیادی دارد.
احتمال زیاد این طرح قبل از آن كه استفاده تجاری پیدا كند، استفاده نظامی پیدا خواهد كرد. در حقیقت بوئینگ و ارتش آمریكا در حال طراحی BWB به عنوان هواپیمای حمل و نقل نظامی و سوخت رسان هوایی هستد. BWB بدنه بزرگی دارد و می تواند مقدار زیادی سوخت را با خود حمل كند. علاوه بر این به جای استفاده از یك مخزن دائمی سوخت رسانی مانند آنچه كه در هواپیما های KC-۱۰ ,KC۱۳۵ , KC۷۶۷ است، می تواند دو تا از این مخازن داشته باشد.

مترجم : احسان اشرفی
۱-drag force
۲-blended wing and body
۳-airfoil
۴- Lifting surface
۵- Multidisciplinary design optimization
۶- Distributed propulsion
۷- Induced drag
۸- slotted flap
منابع:
www.airbus.com
www.boeing.com