Superavioane: Dassault Rafale

George GMT

11 ani ago

This entry is part 2 of 15 in the series Superavioane

Episodul I – Dassault Rafale, Partea a II-a

Acesta nu este un articol original, ci o traducere in doua parti a unei analize a grupului Defense Issues, aparuta la sfarsitul lunii august 2013.

In zbor supersonic, configuratia canarduri close-coupled si delta « sufera » din cauza miscarilor minimalizate ale centrului aerodinamic cu numar Mach in comparatie cu aripa delta pura, configuratia canard “tailed” sau “long-arm”, ducand spre micsorarea “trim” (echilibrare) a rezistentei datorita deflectiilor reduse ale suprafetelor de control si mentinand avantajele de manevrare ale unui aparat instabil (toate celelate configuratii rezultand in stabilizarea aparatului in zbor supersonic ; aceasta inseamna un raspuns mai lent la inputul de control si mai putina portanta deoarece deflectiile in sus ale suprafatei de control intr-un aparat stabil « indeparteaza » de la portanta). Combinat cu déjà-discutatele caracteristici ale canardurilor close-coupled, acest lucru rezulta intr-un raspuns imbunatatit al aripii la inputurile surpafetelor de control. Canardurile close-coupled ofera o amortizare naturala, facand inutila functia FCS de reducere a turbulentelor; in timp ce aceasta caracteristica este foarte importanta in zborul la altitudine mica si transonic, ea ajuta la imbunatatirea caracteristicilor de zbor in toate regimurile de viteza.

Foto : boom, baby !

Unul din factorii importanti in designul structurii aparatului este acela ca rezistenta creste abrupt in regiunea transonica, de la Mach 0,8 la 1,2 ; uneori dublandu-se cand este comparata cu rezistenta sub Mach 0,8. La viteze subsonice, rezistenta dependenta de portanta variaza invers cu patratul lungimii aripii, ceea ce inseamna ca maximizarea lungimii (span) aripii este deziderabila. Dar in zbor supersonic, lungimea marita a aripii duce la o crestere semnificativa a rezistentei la inaintare. Totusi, LERX-ul lui Rafale creeaza unde de soc la propria radacina, in fata bordului de atac al aripii, astfel reducand rezistenta si permitand un unghi de incidenta al aripii mai mic si o lungime mai mare a aripii decat cea vazuta la Mirage. Acest lucru ajuta la contraatacarea rezistentei cauzata de canardului close-coupled.

Foto : opera de arta…aerodinamica

Aranjamentul de prindere “mid-wing” este mult mai stabil lateral decat aranjamentul “low-wing” (precum Mirage III), in special cand este combinat cu fuselajul lat al lui Rafale. Dar pentru ca prea multa stabilitate laterala poate cauza “Dutch roll” sever si raspuns excesiv de ruliu la rafale de vant laterale, aripile lui Rafale sunt prin design anhedrale (lasate in jos la varfuri) pentru…a reduce stabilitatea.

Foto : observati pozitia anhedrala a aripilor

Rafale foloseste doua fante de admisie semi-circulare pe lateral (winward side), separate de fuselaj pentru a preveni interactiunea in caz ca unul din motoare cedeaza. Pozitia lor, fiind ecranate/protejate/separate de fuselaj, ofera protectie impotriva :

-atat a unghiurilor mari de atac (ca sa dam un exemplu, fantele de admisei ale lui F-18 intalnesc curgerea aerului cam la 60% a unghiului de atac al aparatului rezultand ca ambele sunt protejate de LEX -leading edge extention- si fuselaj pe lateralul fantei, redirectionand curgerea aerului spre fante),

-cat si a unghiului de « yaw » (giratie), dar si « sideslip » (n.t. – pozitionare pe orizontala de tip “drift”: cu nasul intr-o parte/directie si coada in partea/directia opusa, folosita in special la aterizarile in aeroporturile unde vantul lateral e foarte puternic, nemodificandu-se sensul de zbor).

Foto : Trai-ne-ar Henri Coanda!

Acest design inseamna de asemena ca fuselajul ia asupra sa forta principala in timpul operatiunilor pe portavion. Fantele de admisie sunt separate de fuselaj pentru a evita capturarea « boundary layer » al fuselajului (stratului laminar de curgere, unde aerul incetineste de la viteza mare relativa a aparatului la margini tocmai la oprire pe suprafata insasi), pentru ca « boundary layer », daca intra in motor, afecteaza recuperarea de presiune si creste distorsiunea, in felul acesta coborand performanta fantei de admisie ; spatiul dintre fanta si fuselaj este numit « external boundary layer bleed » (sangerare/pierderea externa a stratului laminar). Acest spatiu este repartitionat astfel incat undele in expansiune din el energizeaza vortexul radacinii canardului. « Tunelul » de racire al motorului este si el de asemena localizat in acest strat. In cazul in care Rafale va fi echipat cu un motor mai puternic, fantele de admisie pot fi marite.

Foto : La punctul A, curgerea aerului se reduce (compresie), o parte intrand in fanta secundara din spatele “difuzorului”, pentru a alimenta atat componentele avionice (cand aparatul nu se afla in zbor) si cele 2 canalele de racire ale motorului. Apoi este canalizat pentru a a accelera (expansiune) la punctul B, chiar in spatele canardului dar si E (jos); astfel actioneaza asupra partii superioare a fuselajului similar cu “strakes” ca in cazul Mirage 2000 si Typhoon (fara rezistenta aditionala la inaintare si reflectarea radar). Un vortex primar este creat la radacina LEX (C) si altul la jonctiunea cu aripa (D), transformand-o intr-o delta « two cornets ».

Nu este nevoie de incorporarea a « moveable lips » : motorul ia ce are nevoie si nu i se poate forta aer inauntru. Asta inseamna ca, la viteze mari ale aerului, o parte se « revarsa » in jurul fantei daca este prea multa curgere a aerului decat poate sa accepte motorul. Acest lucru poate ajuta efectul mentionat mai sus al energizarii vortexului radacinii canardului. Cum motorul poate folosi doar curgerea subsonica a aerului, curgerea aerului capturata in zbor supersonic trebuie incetinita la Mach 0,4 – 0,5. Realizarea se face printr-o serie de socuri, primul set intamplandu-se la « placa difuzor/de dispersare », al doilea set la gura fantei si restul de socuri avand loc inauntrul fantei de admisie ; tocmai adaugarea « placii difuzor » permite lui Rafale sa atinga Mach 1,8 – 2,0.

Dassault a optat pentru refuzarea unei « air brake » (frana aeriana, care era prezenta la Rafale A dar nu si la variantele B, C si N) pentru a salva din complexitate si greutate, fiind considerata inutila – Rafale isi poate folosi suprafetele de control (canarduri si elevoane) in loc de frana. Aceasta inseamna ca nu exista nici un punct orb la « ora 6 » existent in cazul utilizarii franei aeriene (n.t. – situate dorsal).

Foto : Rafale A

Deriva (stabilizatorul vertical) este foarte inalta pentru a ramane eficienta la viteze supersonice, (datorita localizarii relative la “pupa” a centrului de greutate, ce necesita suprafete de control mai mari pentru eficienta similara). In timp a fost considerata ineficace la AoA (unghiuri de atac) foarte mari in designul conventional, astfel ca la Rafale vorticele create de LERX si canarduri permit acesteia sa ramana o suprafata de control efectiva chiar si la relative unghiuri mari de atac.

Foto : « wag the dog »

Cupola aerodinamica a radarului (n.t – radome) permite caracteristici aerodinamice bune precum si performanta a radarului ca rezultat a formei sale axi-simetrice. Cupola cabinei de pilotaj este construita pentru a oferi o vizibilitate buna spre spate, desi « inramarea » limiteaza vizibilitatea in anumite directii ; forma nasului aparatului ofera o vizibilitate buna peste si in lateralul acestuia. Inramarea permite un « parbriz » in cazul in care cupola este detasata.

Foto: un Mirage de teste cu nas de Rafale

Motoarele

Rafale este motorizat cu doua Sencma M88, turbofanuri cu afterburners (fortaj), ce ii permit “supercruise” la putere “uscata” de Mach 1,4 cu 6 rachete AA sau Mach 1,3 cu 6 rachete AA si un rezervor supersonic. Cand nu cara nimic extern, Rafale poate atinge Mach 2+ si altitudinea de 16800m. Comparat cu un turbojet, turbofanul produce un raport mai mic al fortei de tractiune (thrust) fara fortaj, dar are si un consum de combustibil extrem de redus. Spre deosebire de turbojet, turbofanul poate sa atinga de asemena pana la 200% tractiune in fortaj, desi costul este reprezentat de consumul masiv de combustibil, care poate ajunge chiar si pana la 700% din consumul « uscat ».

M88 are doua canale de racire, reducand temperatura gazelor evacuate (exaust) ; poseda de asemenea si duza (nozzle) externa de evacuare, ce ajuta la ascunderea gazelor evacuate si limitarea unghiului din care se poate incadra ca tinta (lock) semnatura infrarosie a gazelor evacuate ale motorului. Motorul injecteaza aer rece in jurul propriei carcase, ce raceste motorul (reducand semnatura IR a intregii parti din spatele fuselajului) si duzele de evacuare inainte de a proteja gazele de evacuare cu aer rece. Motorul este conceput in primul rand pentru penetrari la altitudine joasa si misiuni de interceptare la altitudine mare. Designul sau « smoke-free » (fara fum) imbunatateste eficienta combustibilului si face aparatul mai greu de detectat vizual decat designuri mai vechi…« afumate ». Poate fi reasamblat si reintrodus in circuitul operationabil fara folosirea « test-bed » (bancului de teste) si designul modular (21 module) inseamna ca nu este nevoie pentru schimbarea intregului motor in caz de nefunctionare. Tractiunea statica a lui M88-2 este de 10.971 – 11.250lb (48,8 – 50kN) pe « uscat » si 16.620 – 16.900lb (73,93 – 75 kN) in fortaj ; aceasta da lui Rafale un raport tractiune-greutate mai mare de 1 la greutate de decolare air-to-air. Duza de evacuare are mobilitate variabila, ceea ce permite optimizarea velocitatii gazelor de evacuare si deci tractiunea produsa.

Foto : terminam imediat, sefu’!

Trenul de aterizare si accesorii

Rafale detine o parasuta pentru aterizare situata sub deriva. Atat Rafale C cat si M au carlig arestor, insa cel al variantei M este mai mare si pa puternic decat al C-ului (implicit al B-ului), datorita cerintelor necesare aterizarii pe poratvion. De asemena, trenul de aterizare frontal este mai lung, dand aparatului o pozitie cu « nasul-in-vant » cand se afla pe punte. Acest lucru insa adauga greutate.

Foto : « The Force is strong with this one ».

Stealth

Desi Rafale nu este un aparat de tip VLO (very low observable), masuri au fost luate pentru a-i reduce sectiunea transversala radar (RCS – radar cross section). Principalul aspect al conceptului stealth este concentrarea majoritatii undelor returnate intr-un numar mic de “spikes”, ceea ce a dus la un design ce pune accent pe un numar mic de suprafete paralele. Dar frontal, principalul contributor la RCS in avioanele de vanatoare traditionale il reprezinta partea din fata a motorului. Deci, designurile moderne, inclusiv al lui Rafale, au fante/tuneluri curbate care ascund partea frontala a motorului.

Foto : motorul « pitit »

Mai mult, Rafale detine un design de tip « joagar » (sawtooth) pe toate suprafetele care nu sunt inclinate cand sunt vazute din fata, cum ar fi suprafata interioara a fantelor de admisie precum si marginea suprafetelor de control (trailing edges) ale aripilor si canardurilor ; toate panourile si usile trenului de aterizare au design « zimtat ».

Foto : « zimturile » prezente si in fanta/canalul de admisie

Deriva lui Rafale este « radar-transparent » si fantele de admisie sunt tratate cu RAM (radar absorbant material). Poate cara 2 rachete in varfurile aripilor ; luand in considerare rezistenta la inaintare si RCS-ul, aceste rachete sunt pur si simplu irelevante. Cupola lui Rafale este acoperita cu aur, reducand semnatura RCS a aparaturii din interiorul carlingii, in timp ce protuberante sunt folosite pentru a ascunde spatiile goale dintre canarduri si fuselaj. Toate aceste masuri ofera lui Rafale un RCS frontal care, conform Dassault, reprezinta 1/10 din cel al lui Mirage ; acest lucru se traduce prin 0,1 – 0,2 m*2.

Foto : totalitatea « zimturilor » situate pe partea inferioara

Foto: si dorsala

Desi sonda de alimentare neretractabila intr-adevar cauzeaza o minuscula crestere a RCS, Dassault a optat pentru ea in loc de una retractabila cu scopul de a reduce complexitatea mecanica si cresterea curgerii combustibilului, in acest fel reducand timpul necesar de realimentare aeriana.

Foto: buddy-buddy, “nounou” la francezi

Cat despre capacitea stealth a IR, caracteristicile motorului descris mai sus, cat si designul aerodinamic excelent fac semnatura IR sa fie extrem de scazuta, mult mai mult decat asa-numitele « stealth fighters » (F-22si F-35, desi F-22 s-ar putea sa aiba o semnatura IR mai scazuta din spatele direct). Un factor aditional in reducerea semnaturii IR a aparatului este Hot Spot treatment.

Motoarele sunt “nefumatoare”, ceea ce reduce semnatura vizuala. Totusi, toate aceste masuri stealth sunt fara valoare daca aeronava isi foloseste radarul pentru a gasi inamicul. Asa ca Rafale are o larga paleta de senzori pasivi ce permit detectia, identificarea si tintirea obiectivelor aeriene si terestre; despre acestea, mai tarziu.

Foto : « fum » peste tot…cu exceptia motoarelor

Rezistenta

Pentru a supravietui unor posibile stricaciuni din timpul luptei, Rafale are un sistem hidraulic si electric dual-redundant. Controlul fly-by-wire poate fi automat reconfigurat de sistem in cazul in care este detectata o stricaciune in timpul luptei. Mai departe, multe din suprafetele de control sunt de asemena redundante – ambele canarduri si suprafetele de control marginase pot fi folosite pentru a controla aparatul si ambele pot fi folosite ca frane aeriene pentru a reduce distanta de aterizare. Rafale este de asemena rezistent la EMP (electromagnetic pulse) deoarece are si rolul de atac nuclear.

Foto : ASMPA (Air-Sol Moyenne Portée), nu va lasati inselati de acronim, e…nucleara.

Carlinga

Rafale foloseste un scaun de catapultare Martin-Baker 16F “zero-zero” (viteza zero, altitudine zero), care este inclinat la 29 grade pentru a imbunatati toleranta pilotului la forte G (inclinarea este aproape identica cu cea de 30 grade a lui F-16). De fapt, articolul “Rampart Rafale” considera ca, cu o asemena inclinare, pilotii francezi n-au gasit vreun motiv sa care costum de presiune in partea toracica, desi nu se specifica ce forte G sunt suportabile fara existenta acestuia. Un sistem de generare a oxigenului la bord este folosit pentru a elimina nevoia de canistre cu respectivul gaz.

Foto: pregatit pentru misiune, desi nu e la bustul gol

Pilotul foloseste sidestick-ul de control montat in partea dreapta a scaunului si acceleratia pe partea stanga ; acest aranjament este mai avantajos pentru folosirea mai usoara la incarcaturi G inalte decat a celui cu aranjamentul stickului central. Rafale are de asemena capacitati voce-directa de input, permitand pilotului sa efectueze o serie de actiuni prin comenzi vocale. Rafale detine si un « glass cockpit » cu HUD holografic de unghi larg si doua displayuri color multifunctionale plate cu interfata touch-screen.

Foto : « I see you »

Exista o « extraordinara » cantitate de fuziune senzoriala, facand mai usor pentru pilot sa se concentreze asupra luptei efective. Ce e interesant la Rafale este faptul ca interfata ditre HUD si carlinga este in engleza, chiar si intr-un aparat francez, iar pilotii (cel putin cateodata) vorbesc in engleza la sedintele de briefing. Aceasta este probabil o ramasita a Razboiului Rece cand asemena practici imbunatateau cordonarea cu restul NATO.

Foto : “What do you see ? Wonderful things!”..(nav, fuel, HSI, spectra ?)

Cu toate ca Rafale este foarte sensibil la inputurile de control, pentru momentul de realimentare aeriana exista un buton RFL (refueling) DFCS ce reduce senzitivitatea « instabila » a controalelor de zbor si face aparatul sa se simta mai stabil si conventional.

-va urma-