جنگنده نسل پنجم / ویژگیهای طراحی(بخش اول)

جنگنده نسل پنجم / ویژگیهای طراحی

با نگاهی به گسترش و توسعه جنگنده‌های مختلف از جنگ جهانی دوم تاکنون به این نکته پی می‌بریم که بیشترین پیشرفتها در مورد پیکربندی هواپیماهای جنگنده در میان بلوک غرب و شرق محل قرارگیری و شکل ظاهری مدخل ورودی هوای موتور آنها می‌باشد که هر یک از ابتدا تاکنون دست به نوآوری‌های گوناگون زده و پیکربندی‌های مختلف که هر کدام دارای محسنات و معایبی می‌باشند را به بازار عرضه نموده‌اند.

 در این میان اختلاف بین پیکربندی‌های مورد نظر اروپائی‌ها در زمینه بال دلتا و استفاده از کانارد با پیکربندی‌های روسی و آمریکائی نیز به صورت واضح علاوه بر پیکربندی‌های مختلف ورودی هوای موتور و سکان عمودی قابل مشاهده است.

در صورتی که سیر تکاملی چگونگی و محل قرارگیری موتور و همچنین ورودی هوای انواع جنگنده‌ها را بررسی کنیم، می‌بینیم که در ابتدا جنگنده‌ها، همانند هواپیماهای ترابری و مسافربری از موتورهای زیر بال برای نیروی جلو برنده خود استفاده می‌کردند که این عامل از چابکی یک جنگنده می‌کاست.

 پس از این نوع پیکربندی، موتور هواپیماها در داخل بدنه قرار گرفتند که این موضوع تاکنون نیز ادامه دارد، ولی بحثی که هنوز هم اختلاف سلیقه‌هائی بر روی آن وجود دارد، چگونگی رساندن هوای مورد نیاز موتور می‌باشد.

در اولین هواپیماهائی که از موتورهای داخل بدنه استفاده کردند، مدخل ورودی هوای موتور در دماغه هواپیما قرار می‌گرفت و موتور هواپیما در داخل بدنه هواپیما بود.

 این طرح دارای یک مشکل اساسی بود و آن اینکه فضای بسیاری از بدنه هواپیما را که باید جهت سیستم‌های هواپیما و محل استقرار خلبان هواپیما مورد استفاده قرار می‌گرفت اشغال می‌کرد. برای حل این مشکل، ورودی را در محل خود حفظ نموده و موتور را به انتهای بدنه انتقال دادند.

 این طرح تا حدودی مشکلات طرح قبلی را حل می‌نمود ولی هنوز هم فضا برای استقرار خلبان و تجهیزات کم بود. برای حل این مشکل، با حفظ موقعیت ورودی و موتور در طرح قبلی، هوای ورودی به مدخل موتور را از اطراف سیستم‌های هواپیما عبور دادند تا فضای بیشتری برای سیستم‌ها و تجهیزات هواپیما بوجود آید. پس از آن سعی شد تا هوای ورودی به موتور از کناره‌های بدنه و از دو مدخل جداگانه که هویتی مستقل از بدنه نداشتند وارد شود که نمونه آن هواپیمای F-80 در سال 1944 می‌باشد.

                               

برای اولین بار در هواپیمای جنگنده F-8 وروی موتور در زیر بدنه هواپیما قرار گرفت

در سال 1955 و برای اولین بار در هواپیمای جنگنده F-8، وروی موتور به صورت عضوی جداگانه در زیر بدنه هواپیما قرار گرفت. در سالهای 1958 و1959 با ساخته شدن هواپیماهایF-4 وF-5، ورودی هواپیماها هویتی کاملا مستقل از بدنه پیدا کردند و بصورت عضوی جداگانه به کناره بدنه هواپیما چسبیدند.

در دهه50 کمپانی‌های اروپائی داسو و ساب، هواپیماهایی با بال دلتا شکل طراحی و عرضه نمودند و در دهه 60 بلوک شرق هواپیماهای MIG-23 را که یک هواپیمای Variable Sweep (با قابلیت تغییر زاویه عقبگرد بال) بود عرضه نمود و پس از آن در دهه70 هواپیمای F-14 توسط آمریکائی‌ها و هواپیمای Tornado توسط اروپائی‌ها به این صورت عرضه گردیدند.

جنگنده F-14 دارای دو دم عمودی و بال Variable Sweep

در اواسط دهه60 میلادی روسها هواپیمایMIG-25 را برخلاف روند گذشته با دو دم عمودی عرضه نمودند که این روش توسط آمریکائی‌ها در اوائل دهه 70 میلادی در هواپیماهای  F-14وF-15  پیگیری شد. هواپیماهای F-14 و F-15 برخلاف روند گذشته هواپیماهای F-4 و F-5، دارای بال بالا بودند که ورودی‌های موتور در زیر بال قرار داشتند.

در اواسط دهه70 میلادی، آمریکائی‌ها با عرضه هواپیمای F-16 روند ادامه‌ دار ورودی‌های جانبی زیر بال بالا را شکستند و هواپیماهای تک موتوره خود را با یک ورودی در زیر شکم هواپیما طراحی نمودند که این مسئله خود مشکلاتی را برای جاگذاری ارابه فرود در دماغه هواپیما دربرداشت.

 پس از هواپیمای F-16، روسها یکی از شاهکارهای طراحی خود یعنی هواپیمای MIG-29 را عرضه نمودند که دارای دو ورودی در زیر بدنه و به صورت کاملا مجزا از بدنه هواپیما بود، گوئی بدنه هواپیما بر روی ورودیهای موتور سوار شده بود. این پیکربندی طراحی در هواپیماهای SU-27 ، SU-30 و SU-34 نیز حفظ گـردید. دوران هواپیماهای F-16 و MIG-29، دوران شروع استفاده از بدنه‌های مرکب (Hybrid) و رگه دار (Strake) در هواپیماها برای بهره‌گیری بهتر آیرودینامیکی از بدنه بود.

از دهه90 میلادی و پس از ساخت هواپیمای F-18 E/F که کارآئی Strake در آن بصورت کاملا واضح به منصه ظهور رسید، با طرح مسائلی مانند خفیه‌کاری و کروز مافوق‌صوت، طرح‌هائی از جمله هواپیماهای F-22 وF-35 مطرح گردیدند که در این هواپیماها بدنه (به صورت سه بعدی) و بال و دم افقی (به صورت دو بعدی) به سمت لوزی شکل شدن پیش می‌روند. همچنین در این هواپیماها از ویژگی رانش برداری برای قابلیت انجام مانور‌های سخت استفاده می‌شود. ویژگی ای که برای اولین بار توسط هواپیمای سوخو 27 وارد بهره برداری شد و اکنون انواع جنگنده های روسی مانورهای بسیار پیچیده ای را با ترکیب سیستم های هدایت و کنترل دیجیتال بسیار پیشرفته و بکارگیری همه جانبه سیستم رانش برداری خلق کرده اند.

جنگنده F-22

هواپیمای F-35 با وجود یک موتور بدلیل وجود فن بزرگ برای عمود نشینی، دارای بدنة قطوری می‌باشد و در آن از دو ورودی جانبی استفاده شده است که در زیر بال (مانند هواپیماهایF-22 ،F-18،F-14 وF-15) و یا در زیر بدنه (مانند هواپیماهای روسی) قرار ندارند بلکه به صورت خاصی در محل اتصال بال و بدنه محو گردیده‌اند و به همین دلیل هیچگونه جدایش جریان در مدخل ورودی‌ها بوجود نمی‌آید.

 همچنین از ویژگی‌های خاص آن استفاده از دو دم عمودی با وجود یک اگزوز خروجی موتور می‌باشد. در این هواپیما مانند هواپیمای  F-22بدلیل سرعت مافوق صوت در رژیم کروز، ورودی‌ها به صورت خاصی جلوتر از ورودی‌های بقیه جنگنده‌ها قرار دارند تا از ورود هوا به صورت مافوق صوت به موتور جلوگیری شود. همچنین در هواپیماهای F-22 وF-35  به صورت خاصی فضای بسیار گسترده‌ای برای خلبان در نظر گرفته شده است.  

بررسی‌های آماری

بطور کلی بررسی‌های آماری نشان می‌دهد که در طی نیم قرن، تحول شگرفی در طراحی و ساخت هواپیماهای جنگنده صورت گرفته است.

 
 وزن برخاست معیاری است که کاربرد هواپیمای جنگی، تعداد وظایف قابل انجام و مشخصات تاکتیکی فنی آن را مشخص می‌کند. افزایش وزن هواپیماهای جنگنده  با عوامل زیر مرتبط است :

- افزایش بار مفید (تجهیزات جنگی) که برای انجام عملیات حمل می‌شود. برای مثال در هواپیماهای (Me-262 B-2a) بار مفید کمتر از 500 کیلوگرم بود، در حالیکه هواپیماهای نسل چهارم می‌توانند 4000 تا 7000 کیلوگرم بار مفید را حمل کنند و این مقدار در هواپیماهای نسل پنجم تا 000/10 کیلوگرم افزایش می‌یابد.

- افزایش حداکثر سرعت پرواز

- افزایش ضریب بار

- افزایش وزن تجهیزات نصب شده در هواپیما

در این مدت وزن هواپیما از 10 تن (در نسل اول) تا 40 تن (در نسل چهارم) افزایش یافته است. این نکته، نشان می‌دهد که هواپیماهای جنگی مدرن از فناوری کاملاً پیشرفته‌ای برخوردار بوده و قابلیت حمل مهمات زیادی را دارند. همچنین گرایش به سمت چندکاره بودن منجر به افزایش وزن سیستمها و تجهیزات هواپیما (صرف‌نظر از بهبود شاخصهای ویژه آنها) شده است.

    

                                          تغییرات وزن برخاست هواپیما طی نیم قرن گذشته

تکامل آیرودینامیک بدنه هواپیما همزمان با افزایش سرعت به شکل قابل توجهی بر ضریب بارگذاری روی بال (wing loading) تأثیر گذاشته است. استمرار ایدئولوژی تولید هواپیماهای جنگی بر مبنای فناوری موتورهای پیستونی، پائین بودن ضریب بارگذاری روی بال در هواپیماهای نسل اول را توجیه می‌کند.

 افزایش ضریب بارگذاری روی بال (W/S) و سپس ثابت ماندن آن با افزایش سرعت پرواز و دستیابی به فناوری پیشرفته آیرودینامیک در ارتباط است. جالب توجه است که در هـواپیماهـای نسـل پنجم گـرایـش به کاهـش ضریـب بـارگذاری روی بـال تا N/m² 3100-3000 مشاهده می‌شود. امکان هدایت فعال رانش برداری در حین پرواز به منظور افزایش سرعت زاویه‌ای هنگام مانور نقش مهمی در این مسئله بازی می‌کند.

                                                          تغییرات ضریب بارگذاری روی بال هواپیما طی نیم قرن گذشته

همانگونه که از اطلاعات ارائه شده مشخص است، بهبود مشخصات جنگنده‌ها در جهت افزایش نسبت تراست به وزن هواپیما (T/W) و کاهش ضریب بارگذاری روی بال حرکت می‌کند. مسلماً افزایش نسبت T/W همزمان با کاهش W/S قابلیت مانور هواپیما را افزایش داده و کاهش طول باند نشست و برخاست را ممکن می‌سازد.

          

                                       تغییرات T/W نسبت به W/S

به این موارد باید رشد کمی پارامترهای عملیاتی هواپیماهای تهاجمی را نیز افزود، برای مثال برد پرتاب موشک از 5 کیلومتر به 120 -100 کیلومتر رسیده است و برد اکتشاف هدفهای هوایی توسط وسایل راداری از km 15 در هواپیماهای نسل دوم تا km 200 در هواپیماهای نسل پنجم افزایش یافته است.

ادامه دارد...

     گردآورنده و تنظیم: مهران فانی

مراجع : جنگنده های نسل پنجم- دفتر همکاری های فناوری ریاست جمهوری

                 آویا