Supercroaziera, solutie aplicabila?

George GMT

9 ani ago

Saker S1

Solutie implementata de-a lungul timpului in variante mai mult sau mai putin reusite, supercroaziera ofera o alternativa nu doar pentru un consum mai redus al motorului in regim supersonic inferior, dar si o solutie mai ieftina pentru cei care nu-si permit sau nu doresc motoare puternice, dedicate zonei militare, cu postcombustie.

Ca sa avem o referinta de plecare, competitia T-X de inlocuire a batranului dar inca performantului T-38 Talon (fratele de antrenament al familiei de vanatori F-5 Tiger /F-20 Tigershark) ar putea sa ne rezerve inca niste surprize. Ramane de vazut cate dintre caracteristicile vechiului trainer vor fi pastrate in evaluarea finala si cu ce importanta in stabilirea profilului final al aeronavei. Northrop-Grumann, constructorul lui T-38, a intrat in competitie bazandu-se pe un nou concept, luat de la zero (« clean-sheet design »), implicandu-i in fabricatie pe cei de la Scaled Composites, iar Raytheon, in parteneriat cu Finmeccanica, Honeywell Aerospace, si CAE USA Inc au intrat in cursa cu o varianta modificata a M-346, denumita T-100, si echipata cu 2 motoare turbofan Honeywell/ITEC_F124 cu factor scazut de dilutie (low-bypass), tocmai pentru a permite atingere unor viteze usor supersonice.

T-38 Talon video: https://www.youtube.com/watch?v=EkFTCGsEgYI

Si daca am combina supercroaziera cu supermanevrabilitatea si cu amprenta radar redusa, totul intr-un pachet minimalist ca si costuri?! Ce-ar fi daca aceasta capacitate de supercroaziera ar fi utilizata pentru un avion de vanatoare/atac ieftin, fara postcombustie, de dimensiunile unui trainer, stealth pe cat posibil (cu amprenta radar si termica foarte redusa), o abordare diferita a conceptului Mako-Heat, cu rol schimbat pentru o alta nisa ?!

Mako Heat – vedere frontala

Sa incepem cu motoarele, parte esentiala pentru un astfel de regim de zbor.

Daca am pastra dimensiunile aeronavei in categoria F-16 si am avea bani multi si acces la cumpararea off-the-shelf, probabil ca unul dintre cei mai interesanti candidati ar fi o varianta fara postcombustie a motorului GE F110-129, destinat capacitatii de supercroaziera la Mach 1,3 si sau cel mai probabil GE F118, destinat B-2 Spirit si modernizarii Lockheed U-2. F118, cu o masa de 1,5 tone, un diametru de 118cm si o lungime de 2,55m, este capabil de 85kN tractiune putand probabil impinge un F-16 in regim usor supersonic de croaziera.

Nu orice motor turboreactor este capabil de supercroaziera. Pentru supercroaziera e nevoie de un motor suficient de puternic in regim militar fara postcombustie, dar si cu un factor de dilutie redus (low bypass) care sa faca fata cresterii rezistentei la inaintare (cu un multiplu de x4-5, in functie de profil si regim). In aceasta familie intra in mod traditional turbojet-urile, dar si variante noi de motoare turbofan, care respecta cerintele de putere si mai ales de dilutie.

Comparatie motoare reactive: mijloc – dilutie ridicata (high-bypass) cu ventilator mare care introduce aer in jurul turbine; sus – dilutie scazuta (low-bypass) cu ventilator mai mic – dublu flux; jos – turbojet, fara dilutie (zero bypass), tot aerul intra in turbina

Dar pentru a obtine o aeronava mai ieftina si mai compacta, ar fi indicat sa ne focalizam pe motoare care ar putea furniza regim supersonic unei structuri aproape de doua ori mai mici decat un F-16. Avantajul ar consta si in motoare mai ieftine, unele disponibile si in versiuni pentru piata civila, mult mai usor de procurat si intretinut.

Putem incepe cu motoare mai vechi, dar déjà consacrate si ieftin de procurat – turbojeturile: Viper RR si GE J-85.

Viper RR 632-46 face parte din aceasta categorie, si desi nu mai este in productie, exista inca in stocurile romanesti un anumit numar de motoare de acest tip, posibil de transformat in Viper 680-43 prin metode patentate, inlocuind anumite componente, ce-i drept patentul apartinand italienilor (motor destinat Aermacchi MB-339). Motorul Viper 680, propus ca si alternativa de evolutie a IAR-99A, in varianta S.C., poate furniza o tractiune de aproape 20KN si are consumul specific redus cu 25%, fata de varianta 632. Similar, GE J-85, motorul care echipeaza si familia F-5 Tiger, exista si intr-o varianta fara postcombustie, J85-GE-15, capabila sa furnizeze 19kN, fiind putin mai compact si mai usor decat RR Viper.

GE-J85 fara postcombustie

La fel ca si Viper, J85 instalat pe T-38 Talon a beneficiat de un program de intinerire si modernizare menit sa-i prelungeasca viata pana in 2040, program demarat in 2001 si care a costat 600mil.$ vizand 1202 agregate. Programul a constat in urmatoarele obiective majore: imbunatatire de 3 la 1 a ciclului de oboseala in regim jos (low cycle fatigue) pentru a obtine o durata de viata 5400 de ore; o scadere de 5:1 a orelor de mentenanta (230-hour Mean Time Between Removals/MTBR nu a fost atins, ci doar 155) si o scadere a componentelor de intretinut de la 850 la doar 100. Modificarile au vizat:
inlocuirea discurilor compresorului in 8 trepte (responsabil de un accident in 1995), sensibil la coroziune, cu un singur disc rezistent la coroziune (palele AM335 din otel inlocuite initial cu aliaj de titan, mai scump, apoi un aliaj mai ieftin din otel, Inconel 718) si doua trepte (etaje), permitand inlocuirea independenta a paletelor fara dezasamblarea rotorului sau re-echilibrare (testat pe un motor civil CJ610-6).
Ajutajul ejectorului reproiectat cu trape in flux liber (fata de cele vechi, configurate pentru regim cu postcombustie), permitand o reducere a rezistentei la inaintare in regim militar, o crestere a tractiunii cu 1-2% la decolare si cu pana 10% in regim maximal (militar), sau o scadere echivalenta a consumului.

Ajutajul modificat al GE J-85

O noua carcasa (invelis) a statorului;
Un cadru turnat dintr-o singura piesa, monobloc, imbunatatit, fata de vechiul, alcatuit din 39 de piese sudate, cu risc de fisurare la oboseala;
Invelisul intern al combustorului (camera de ardere) cu durata de viata prelungita;
Un ajutaj de postcombustie imbunatatit. La acesta se poate adauga o margine a prizei de admisie mai groasa si mai rotunjita, pentru performanta imbunatatita si rezistenta crescuta la calare. Rezultatul conjugat al celor doua duce la o crestere de 22% a tractiunii la decolare, confirmata de testele NASA;
O carcasa imbunatatita a turbinei;
Un sistem electric de aprindere adus la zi, care reduce la jumatate aprinderile ratate;

Pachetul de modernizari are o posibila piata de desfacere de 3500 de motoare J-85 militare si 3000 de echivalenti civili CJ610 si CF700 (varianta turbofan).

Propulsion Modernization Program (PMP) J-85

Se pare ca in cele din urma pentru programul Propulsion Modernization Program (PMP) vizand flota de T-38 au fost cheltuiti doar 289 mil.$ pana la sfarsitul lui 2005, focalizandu-se pe rezolvarea problemelor majore. Desi J-85 a fost proiectat penru viteze de pana la Mach2, performantele sale scazand dramatic peste aceasta viteza, in 1998, in cadrul studiilor pentru propulsie hipersonica, NASA a operat modificari (retrofit) pe un motor General Electric J85-21 pentru atinge Mach3.

Modificarile de anvelopa de consum datorate noului ajutaj al T-38

In fine, CJ-610, versiunea civila fara postcombustie a J-85 (de 13.12 kN tractiune si un consum specific de 0.96 – 0.97 lb/(lbf•hr) sau 97.89 – 98.91 kg/kN/hr), a echipat in 2 exemplare si prototipul primului concept de avion supersonic civil de mici dimensiuni, BD10, avion capabil sa atinga Mach 1,4. Contracandidatul pentru aceeasi aeronava era Pratt & Whitney Canada JT15D-5D, certificat in 1993, capabil de o tractiune de 13,5kN.

Modificarea conturului admisiei de aer la T-38

Ambele «motorase» de mai sus, cu consum mai ridicat decat turbofanurile, au si versiuni echivalente cu postcombustie, mai gurmande, dar posibil disponibile pentru clientii care ar dori un plus de «zvac», cu penalitatile aferente cresterii de masa si de semnatura infrarosie.

Urmeaza categoria unor motoare mai moderne, turbofan, dar cu factor de dilutie scazut, deci capabile de regim de lucru supersonic. Ce am vrut sa subliniez este ca aceste motoare turbojet, desi vechi si cu neajunsuri, au beneficiat de programe de intinerire si ameliorare, putand oferi inca performante multumitoare contra unui pret redus de achizitie si al unei simplitati in exploatare. In plus, datorita vechimii solutiei tehnologice si a incetarii productiei, o licenta de productie a unei variante ameliorate, utilizand si noi tehnologii de producere (3D ?) si noi materiale, ar fi destul de ieftin de cumparat.

Motorul FJ44-4 cu canal dual FADEC, aparut in 2007, ofera 16kn (15kN regim continuu) tractiune la un consum specific probabil de 0,7 (lb/hr/lbf), care se bucura de 5000 de ore de exploatare intre reparatii capitale. FJ44-4 echipeaza Albatros NG dar este prevazut a echipa si Saker S1, care este conceput sa atinga cu 2 astfel de motoare viteza maxima de Mach 1.1 (un regim de croaziera de 0,95Mach), un plafon de 14.000m, o distanta de zbor 2600km si o viteza de urcare de 60m/s, la un cost estimat de 2$/mila nautica. Iar pretul unui Saker S1 civil, fara avionica militara avansata si armament, este estimat spre 7 mil.$/bucata, ca sa avem o idee de cost al structurii de baza si motoarelor.
Din aceeasi categorie sunt motoarele Honeywell TFE731, cum este cazul Garrett TFE731-4-1T de 18KN (care echipa Super Albatros) dar si al mai puternicului Honeywell TFE731-5BR-1C turbofan, de 21.13 kN, motoare civile insa capabile de un regim subsonic inalt.
Ca si varf de tractiune in aceasta clasa ar fi Lotarev DV-2 si Ivcenko Progress Al-222, cu 21,5kN respectiv 24,7kN tractiune, cel din urma avand si varianta cu postcombustie, care ajunge in acest regim la 41.2 kN. Cele 2 motoare sunt deosebit de interesante ca raport masa/tractiune/consum, ramanand de observat fiabilitatea, timpul intre reparatii.

Pentru un aparat de dimensiuni la 60-70% din cele ale unui F-16XL (mai apropiate de cele ale unui IAR-99) ar fi probabil nevoie de 2 astfel de motoare pentru a furniza suficienta tractiune in regim supersonic.

Un derivat militar al acestora este Honeywell TEC F124, cu factor de dilutie scazut de 0.472:1, si o tractiune de 28-29kN, echipand AIDC, Aermacchi M-346, BAE HAWK/Goshawk si AIDC F-CK-1 Ching-kuo, existand si in versiune cu postcombustie. Din aceeasi linie face parte si concurentul Rolls-Royce Adour 951 echipat cu FADEC si cu o tractiune de 29 kN.

Deja la acesta gama de puteri se poate vorbi de echiparea unui monomotor compact.

Un ultim candidat este motorul Rolls-Royce Spey turbofan, cu tractiunea variind intre 46-56kN si care in una dintre variante a fost instalat si pe Rombac (spre exemplu Rolls-Royce Spey RB.163 Mk 511-8 de 50kN), in alta echipeaza AMX International (Rolls-Royce Spey 807 turbofan, 49.1 kN ) iar in versiunea navala echipeaza fregatele Type22. Si acesta se bucura de un factor de dilutie mai redus (1.0:1), evoluand si in variante mai moderne (RR Spey Mk.514-14) care elimina o parte din neajunsurile de zgomot, consum, eficienta, rata de urcare si plafon de zbor al primelor generatii.

Am preluat tabela de mai jos dintr-un articol mai vechi, adaugand noii candidati:

Tip motor	RR Viper 680-43	GE J85-GE-21B	Honeywell F124/5- GA-200	RR/Turb. Adour Mk106	Ivchenko-Progress AI-222	FJ44-4	RR Spey	Lotarev DV-2
Lungime	1,963m	1,30m	1,7m	2,90 m	1,960m	1,742m	2,79m	1,72 m
Diametru	737mm	450mm	910mm	570mm	640mm	640mm	1/1,14m	820/640mm
Masa	376 kg	190kg	536 kg	809kg	440 kg	295 kg	1t	439kg
Tractiune	19,39 kN	15,5kN	28kN	27 kN	24,7 kN	16kN	46kN	21,57kN
Postcomb	N.A.	22,2kN	44kN	37,5 kN	41.2 kN.	N.A.	N.A.	NA
Grad compresie	4.3:1	8.3	19:4:1	10:4	15.43:1		16.9:1	1.4
Dilutie			0.472:1				1.0:1
Consum specific	0.9 lb/(lbf·h)	0.97 lb/(lbf·h)	0.81 lb/lbf-hr	NA	0.64 kg/kgf-hr	0,7 (lb/hr/lbf)	NA	0.593lb/hr/lbf
Aeronava	MB 339B	F-5 Tiger2	M346	Sepecat Jaguar,Hawk, T-45, Mit. F-1	YAK-130, Hongdu L-15	Saker S1, Albatros NG,	AMX, BAC1-11	L-59 Super Albatros

Aeronava trebuie sa fie conceputa intr-o maniera cat mai compacta, cu o semnatura radar minima, dar mai ales cat mai aerodinamica, pentru a permite motoarelor cu o tractiune intre 35- 50kN uscat sa o propulseze in regim supersonic.

Evolutia F-16 – SCAMP-XL

Saker S-1 dar mai ales un F-16XL/SCAMP cu un profil stealth inspirat din Mako Heat spre exemplu, pot reprezenta puncte de plecare pentru forma aeronavei, beneficiind si de aerodinamica stabila in regim supersonic dar inalt manevrabile si in domeniul subsonic.

Desi Mako Heat, T-38, Guizhou JL-9 sau KAI T-50 depasesc 13m lungime si o anvergura de 8m, as incerca o scalare la o lungime de maxim 10m si o anvergura sub 7m a unui profil de aripa delta pentru a creste capacitatea de stocare a combustibilului si a masei utile, deja penalizate de dimensiunile reduse, reducand si semnatura radar frontala a avionului. In plus operarea la sol ar fi mult simplificata, iar aeronava mai usor de camuflat sau transportat.Similar cu Saker S1, o astfel de aeronava ar putea decola si ateriza pe piste mai scurte de 500m.

La o aripa asemanatoare cu F16XL dar la 70% din dimensiuni, conform regulei de trei simpla (folosita pentru aproximare, facand abstractie de alte modificari necesare), aeronava compacta ar putea transporta 80% din cantitatea de combustibil interna a unui F-16 clasic, putand teoretic duce o incarcatura de lupta comparabila la 70% din raza de actiune, pentru acelasi consum al motorului.

Tabel date comparative aeronave:

Date	KAI T-50	ALR Piranha	T38	IAR-99	Saker S1	F-16XL70%
Lungime:	13,14 m	11,57m	14,14m	11m	12,34m	11m
Anvergura:	9,45m	7,62m	7,7m	9,85m	8,23m	7,3m
Inaltime:	4,94 m	4,25 m	4,2m	3,9m	4,57m	3,7m
S. aripa:	23,69 m²	22 m²	15,79 m²	18.7 m²	15,8 m²	30 m²
Masa gol:	6,47 t	4,3t	3,27t	3,2t	2,5t	3,5t
Masa plin:	12,3t	7t	7t	5,5t	5,2t	7t
Motor:	GE F404	RB199	2x J85-5R	RR Mk632	FJ44-4	J85-GE-15
Tractiune:	53/79 kN	40.5/73 kN	18/34kN	17.8 kN	2x16kN	38/2x19kN
Viteza:	Mach 1.5	2000 km/h	2200km/h	865km/h	Mach 1.4	Mach 1.5?
Distanta:	1850km	1000km	2759km	1100km	2575km	2000km

In tabelul de mai sus am pus date aproximative pentru un F-16XL scara 70%, dimensiunile putand creste usor in functie de calculele aerodinamice care vor rezulta din forta motoarelor versus rezistenta la inaintare a aeronavei si de raportul masa tractiune care ar trebui sa fie cat mai aproape de unul supraunitar. Posibil ca la dimensiuni apropiate de Saker, pastrand motoare din aceeasi clasa, aeronava ar fi capabila de regim supersonic in configuratie lisa. Dincolo de aerodinamica si sectiune radar, dimensiunile trebuie astfel alese incat sa permita instalarea electronicii, optronicii, contramasurilor si a unor sisteme de arme si magazii/piloni, cat de cat standard, pentru a micsora costurile si a permite o flexibilitate de configurare si o gama cat mai variata de arme.

Sina de lansare extensibila, din carenaj

Doua motoare ar asigura o redundanta in caz de avarie precum si un mic spatiu de magazie interna in spatiul creat in fuselaj intre cele 2 galerii de admisie, dar si posibilitatea de a ascunde mai usor semnatura infrarosie, varianta monomotor avand alte avantaje, legate de costuri si simplitatea in operare, deci dezbaterea e deschisa intre cele 2 variante. Tot legat de motoare, admisiile ar trebui sa fie de tip DSI (pentru maximizare flux de aer dar si semnatura radar redusa) si departate pe cat se poate de pista (pentru a putea opera nepretentios) cand aeronava este la sol.

Pentru a asigura un plafon de zbor multumitor, utilizabil si in misiuni de aparare aeriana/interdictie, sectiunea prizelor de aer ar trebui sa fie variabila cu altitudinea/regimul de zbor (se pot folosi si fante suplimentare), chiar daca asta complica putin operarea, dar nu semnificativ.

Deoarece rolul primar al unei astfel de aeronave ar fi de aparare/interdictie aeriana, configuratia de lupta aer-aer ar trebui sa fie nepenalizanta cu privire la rezistenta la inaintare si semnatura radar. Acest lucru se poate asigura in fuselaj printr-o mica magazie de arme pentru rachete cu raza scurta si medie, dar si prin piloni semi-retrasi/carenati sau containere de munitii conforme, detasabile si cu semnatura radar si rezistenta la inaintare scazute (similar celor de pe F-15SE, instalate sub incastrarile aripilor cu prizele de aer). Pentru misiunile de atac la sol ar putea fi prevazuti piloni demontabili pe aripi, care sa ofere si capacitatea de a lansa munitii de calibru mai mare decat rachetele aer-aer, in timp ce magaziile de arme ar putea fi folosite fie pentru protectia aer-aer, fie pentru arme aer-sol de calibru mic, fie pentru rezerva suplimentara de combustibil. Pentru o aeronava de dimensiunile unui Alenia Alenia M-345 HET sau IAR-99, si rolul predominant de aparare aeriana, nu consider necesara o masa a armamentului acrosat mai mare de 2,5 tone, pentru a nu penaliza major si restul performantelor aeronavei. Cert este ca la sarcina maxima, utilizand pilonii externi de arme, aeronava nu va fi capabila de regim supersonic iar semnatura radar va creste.

Fiind o aeronava de dimensiuni mici si relativ usor de operat, versiunea biloc nu este neaparat necesara, insa locul celui de-al doilea pilot ar putea fi modular, la nevoie adapostind combustibil sau electronica suplimentare (radar, bruiaj electronic, optronica). O versiune de trainer biloc, mai saraca in echipamente, ar putea fi pastrata in optiune.

Solutii de imbunatatire a comportamentului aerodinamic al aripii

In ceea ce priveste manevrabilitatea si controlul, optarea pentru fly-by-wire nu este neaparat necesara la aceste dimensiuni (insa recomandata), o aripa de tip delta oferind un comportament adecvat, care poate fi imbunatatit cu LERX-uri, “dinti de caine” sau, in cazul mai sofisticat, cu voleti in bordul de atac. De notat ca anumite solutii, gen cutit aerodinamic sau dinti de caine cresc semnatura radar a aeronavei.

Chiar daca cele de mai sus aduc un plus de manevrabilitate, aceasta ar putea sa nu fie unul dintre punctele forte ale aeronavei, chiar daca ar fi capabila de +9g, si asta posibil datorita finetii aerodinamice necesare supercroazierei.

Aeronava ar trebui sa exceleze prin capacitate de supercroaziera, amprente radar, optica si infrarosie mici, simplitate in operare, disponibilitate ridicata, costuri mici si senzori aproape in totalitate pasivi (IRST), ne-excluzand totusi optiunea unui mic radar AESA ( din categoria Selex Vixen 500, ELM-2052 si Seaspray 7500E). Impreuna cu gama de arme BVR, ar trebui sa fie capabila sa lanseze impotriva inamicului inainte ca acesta sa-i detecteze prezenta si apoi sa fie capabila sa se indeparteze in regim supersonic la limita anvelopei de detectie si incadrare a aeronavelor inamice.

Un astfel de concept, relativ ieftin, ar putea interesa multe tari cu bugete mai reduse de aparare, care astfel sa continue fie capabile sa asigurare protectia propriului spatiu aerian prin mijloace proprii.

Cu multumiri unor oameni care stiu cu ce se mananca aviatia!

Marius Zgureanu

Surse:

http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/p010433.pdf

http://www.globalsecurity.org/military/systems/aircraft/systems/j85.htm

https://www.flightglobal.com/news/articles/t-38-engine-upgrades-set-to-extend-trainers-life-to-2040-128964/

http://www.dtic.mil/ndia/2007systems/Thursday/AM/Track5/5829.pdf

https://disciplesofflight.com/northrop-t-38-talon/

http://www.gizmag.com/saker-s-1-personal-jet-mach-099/27759/

http://www.flightglobal.com/news/articles/saker-aircraft-pitches-s-1-supersonic-personal-jet-386844/

http://www.experimentalaircraft.info/homebuilt-aircraft/saker-aircraft.php

http://www.ainonline.com/aviation-news/business-aviation/2009-10-14/new-engine-programs