پوشش­های سطح و کاهش پسا

بویینگ برای بهبود عملکرد هواپیماهای تجاری خود، منابع قابل توجهی برای پیشرفت­ در زمینه پسای آیرودینامیکی، وزن و راندمان موتور سرمایه­گذاری کرده است. همانطور که اشاره شد، یکی از عوامل مهم بر عملکرد هواپیماها کاهش نیروی پسا می­باشد. بیشتر مشخصه­های پسای هواپیما در طول طراحی اولیه تنظیم شده که مشخصه­های اصلی تاثیرگذار بر آن را می­توان دهانه کل بال، شکل آیرودینامیکی و جزئیات متعدد دیگری در طراحی دانست. پس از طراحی اولیه، پسای آیرودینامیکی هنوز هم می­تواند بهبود یابد؛ به عنوان مثال، دهانه دو سر بال را می­توان افزایش داد و یا می­توان بالچه (Winglet) را برای کاهش پسا به بال اضافه کرد. همچنین سطوح با برجستگی‌های به اندازه کافی کوچک که باعث تولید پسا می­شوند را نیز می­توان از طریق طراحی دقیق و مناسب و یا از طریق درزگیری بهتر در اطراف سطوح متحرک مانند درب­های ارابه فرود، سطوح کنترلی و حتی شاید از طریق پاک­سازی سطوح کاهش داد. به تازگی می­توان پوشش­های اعمال شده در سطح خارجی هواپیماها را دید که باعث محافظت از پوسته­، افزایش عمر رنگ و همچنین کاهش پسای اصطکاکی می­شوند. این مقاله دانش فنی­ خاصی را به اپراتورها می­دهد تا به آن‌ها در ارزیابی کیفیت پوشش­های سطح برای کاهش پسای زبری کمک کند و همچنین روش­های دیگری را که بویینگ برای کاهش مصرف سوخت توصیه می­کند، به طور خلاصه بیان می­کند.

فیزیک جریان هوا به منظور کاهش پسای ناشی از زبری

در پاسخ به سوالات بیشماری که توسط مشتریان بویینگ در مورد اثربخشی پوشش­های سطح برای کاهش پسا مطرح شده، این شرکت برخی از توضیحات مربوط به فیزیک جریان هوا را بررسی کرده است. توضیحات مطرح شده توسط واحد آیرودینامیک بویینگ شامل موارد زیر است:

* افزایش نواحی جریان آرام با کاهش زبری سطح

* کاهش زبری سطح و در نتیجه کاهش پسای اصطکاکی در زمانی که جریان آشفته است

* کاهش چسبندگی و یا چسبندگی حشرات منجر به کاهش زبری شده و در نتیجه کاهش پسای اصطکاک را به همراه دارد

بویینگ این توضیحات را به طور کامل مورد بررسی قرار داده است تا مشخص کند آیا روش­هایی از قبیل پوشش­های سطحی می­توانند نیروی پسا را کاهش دهند یا خیر.

جریان آرام

اولین مکانیزمی که منجر به کاهش پسای اصطکاکی به دلیل پوشش سطح می­شود، تقویت جریان آرام است. جریان آرام به وضعیت لایه مرزی (یعنی لایه نازک هوا در کنار پوسته هواپیما که اثر اصطکاک در آن مشاهده می­شود) اشاره دارد. به طور معمول، لایه­های مرزی در هواپیماهای تجاری بزرگ تقریبا آشفته هستند، به این معنی که جریان هوا در لایه مرزی توسط گردابه­هایی و به شکل جریان نامنظم مشخص می­شود. در این لایه­های مرزی جریان آرام با جریان منظم­تر مشخص شده و در این ناحیه پسای اصطکاکی به میزان قابل توجهی کمتر می­باشد.

روی بدنه هواپیماهای تجاری بویینگ مناطق قابل توجهی از جریان آرام وجود ندارد، بجز بویینگ 787 که طراحی متفاوتی در این زمینه نسبت به مدل­های قبل از خودش دارد. همچنین ممکن است نواحی بسیار محدودی از جریان آرام در نزدیکی لبه­های اصلی بال­ها وجود داشته باشد، به خصوص در بال­هایی با زاویه Swipe کمتر (مایل بودن بال به جلو یا عقب) که نمونه­ای از این استدلال در بویینگ 737 و 757 مشاهده می­شود. بی­نظمی­های سطح نیز می­تواند باعث شود لایه مرزی از یک جریان آرام به جریان آشفته در مسافت کمتری در طول سطح عبوری شکل بگیرد تا آنکه با یک سطح صاف­تر قابل دستیابی باشد. پوشش­های سطح ممکن است بی­نظمی­های محلی را کاهش داده و مسافت تبدیل جریان از آرام به آشفته را گسترش دهد، از این رو می­توان نتیجه گرفت که پوشش مناسب سطح باعث کاهش درگ می­شود. با این حال، مساحت کل که می‌تواند از چنین پیشرفت­هایی بهره­مند شود، بسیار ناچیز است و محاسبات ساده نشان داده­اند که افزایش اندک در میزان جریان آرام منجر به کاهش قابل توجهی در پسا نمی­شود.

زبری سطح

زبری سطح یکی از مولفه­هایی است که به نیروی پسا کمک می­کند. مطالعات بویینگ و داده­های آزمایشگاهی نشان می­دهد که زبری سطح به طور معمول کمتر از 1 درصد از کل پسا­های هواپیما را تشکیل می­دهد. این مطالعات شامل الزامات طراحی برای زبری سطح، تاثیر انواع مختلف سطح بر زبری سطح و آزمایش تونل باد نمونه سطح خاص است. در نتیجه این مطالعات، بویینگ نتیجه گرفته است که پوسته­های تمام شده در هواپیماهای تجاری بویینگ از جنس آلومینیوم و کامپوزیت از دیدگاه صافی قابل قبول هستند. میزان زبری این نوع پوسته­ها در هواپیماهای بویینگ معمولا کمتر از 400 میکرو اینچ است. در نتیجه، می­توان پسای ناشی از زبری را بسیار کمتر از اصطکاک پوسته تحت تغییرات جریان و آشفته شدن آن در لایه مرزی ارزیابی کرد.

کاهش چسبندگی سطح

با یک پیشرفت معمولی در نوع پوشش­های سطح، چرخه شستشو این پوشش­ها در هواپیماهای تجاری از 60 روز به 240 روز تغییر یافته است. با شستشو مناسب سطوح که حشرات و حفرات ناشی از چسبندگی را از بین می‌برد، می­توان انتظار کاهش پسا را داشت. بویینگ معتقد است که کاهش چسبندگی سطح با شواهد قابل توجه آن، یک مکانیزم مناسب برای کاهش این نیرو است.

مزایای شستشو هواپیما

مایعات (به عنوان مثال مایع هیدرولیک، روغن، سوخت) که بر روی سطوح خارجی یک هواپیما نشت می­کند بستر مناسبی برای ایجاد آلودگی توسط خاک، گرد و غبار و سایر ذرات موجود در هوا فراهم می­کند. بقایای حشرات به خصوص در نزدیکی لبه­های بال نیز منابع رایج آلودگی هستند. همچنین می­توان به شاخه­های موتور، بدنه تحتانی و سطح زیرین بال (به ویژه سطوح پایین برا افزا(Flap)) اشاره کرد که بیشترین آلودگی را دارند و باعث زبری سطح و به طور کلی افزایش پسا می­شوند.

در جدول زیر می­توان میزان مصرف سوخت در یک هواپیمای بدون شستشو بر اساس طول ماموریتش را مشاهده کرد. (به تعداد پروازها در سال توجه داشته باشید تا به اهمیت شستشوی سطوح هواپیما بیشتر پی ببرید.) این نکته نیز شایان ذکر است که اگر یک هواپیما سطح بیشتری از ناهمواری سطح و یا درصد بیشتری از مساحت سطح آلوده را دارا باشد، ممکن است تاوان بیشتری در مصرف سوخت از آنچه در اینجا نشان داده شده است، بپردازد. در نتیجه، یکی از ساده­ترین و پرهزینه­ترین اقداماتی که یک شرکت هواپیمایی می­تواند برای صرفه­جویی در هزینه سوخت انجام دهد­، حفظ تمیزی سطوح هواپیماها است. شستشوی دوره­ای سطوح خارجی هواپیما همچنین به حداقل رساندن خوردگی و آسیب رساندن به فلزات، کمک در یافتن نشتی و آسیب­های محلی باعث تقویت سیستم کاهش مصرف سوخت شده و همچنین زیبایی هواپیما به وسیله شستشو نیز باعث می شود تصویر هواپیمایی بهتر برای عموم مردم ساخته شود.

توصیه‌­ها

تحقیقات بویینگ نشان داده که استفاده از پوشش­ها برای سطح خارجی باید بر اساس خاصیت محافظت از سطح و نظافت هواپیما باشد تا در کنار آن‌ها به کاهش پسا کمک کند. زیرا برای کاهش نیروی پسا هیچ توضیح مهندسی قابل قبول بیش از تقریبا 1/0 درصد وجود ندارد. داده­های تونل بادی بویینگ نیز نشان می­دهند که سطح نهایی هواپیماهای تجاری بویینگ به میزان قابل قبولی صاف و به این معنی که صافی بیشتر سطح منجر به کاهش نیروی پسا نخواهد شد. موثرترین وسیله جلوگیری از پسا در حین عملیات هواپیما، درزگیری­های مناسب، مناسب بودن سطوح با یکدیگر از جمله سطوح متحرک (یعنی درب­ها، سطوح کنترلی و ...) است. به‌علاوه، مدیریت دقیق بارگیری هواپیما برای به حداقل رساندن Trim نیز می­تواند راهی موثر برای کاهش مصرف سوخت باشد.