بخشی از مقاله
هدف این تحقیق، ارائه یک روش طراحی مشخص براي سیستم سوخت یک وسیله هوایی بدون سرنشین هوشمند - UAV - و طراحی اولیه آن با سیستم سوخت و قابلیت هاي اطمینان مورد نظر است. طراحی سیستم سوخت و تانک سوخت با در نظر گرفتن حجم سوخت کلی، نرخ دبی سوخت، قابلیت اطمینان، وزن، مرکز ثقل و . . . انجام میگیرد. براي مشخص کردن ابعاد اجزاء، مانند پمپهاي بوستري، پمپهاي جتی، سیستم لولهکشی، زیرسیستم تهویه، سیستم سوختگیري/ خالی کردن، نیازمنديهاي سیستم سوخت موتور، افت فشار، نرخ خرابی اجزاء، وزن و مرکز ثقل در نظر گرفته میشود. در نهایت آنالیز قابلیت اطمینان سیستم سوخت طراحی شده اولیه انجام میگردد.
در جریان فاز طراحی اولیه، قابلیت اطمینان سیستم سوخت از اهمیت ویژهاي برخوردار است بنابراین تخمین وزن سیستم سوخت طراحیشده براي تطابق با نیازمندي قابلیت اطمینان اندکی با نیازمندي هاي سیستم مطابقت نخواهد داشت. در مرحله بعدي طراحی سیستم سوخت بهتري براي کاهش وزن بهواسطه فرایند بهینهسازي مابین وزن و قابلیت اطمینان انجام شده است.
مقدمه
پهپاد هوشمندي که به وسیله مؤسسه تحقیقاتی هوافضاي کرهاي ساخته شده است از نوع پهپاد tilt-rotor بوده که از دو ملخ واقعشده در سمت چپ و سمت راست بال اصلی براي نشست و برخاست عمودي و پرواز افقی، استفاده میکند. سیستم پیشرانه این وسیله از یک موتور توربوشفت واقع در مرکز فیوزلاژ و دو ملخ که با اتصال به شفت محرك موتور حرکت میکند تشکیل شده است. سیستم سوخت براي این پهپاد هوشمند به زیرسیستمهاي متعددي از قبیل تانک سوخت، سیستم انتقال و تغذیه سوخت، سیستم تهویه و سیستم سوختگیري/خالی کردن تقسیم شده است.
سیستم سوخت باید نرخ جریان و فشار مطمئن مورد نیاز موتور را در شرایط پروازي داده شده، تأمین کند. طراحی سیستم سوخت، به فرایند بهینهسازي و طراحیهاي مجدد زیاد براي ارضاي نیازهاي سیستم هواپیما و همچنین کم کردن وزن، قابلیت تعمیر و نگهداري و سادگی نیاز دارد. در این تحقیق، یک روش طراحی براي سیستم سوخت پهپاد هوشمند ارائه شده است. در نهایت صحت قابلیت اطمینان عملیاتی مورد نظر سیستم سوخت پیشنهادي به وسیله آنالیز قابلیت اطمینان تأیید شده است.
سیستم سوخت براي پهپاد هوشمند
یک روش طراحی مشخص براي سیستم سوخت مطابق با شکل 1 پیشنهاد شده است. طراحی سیستم سوخت براي پهپاد هوشمند از روش پیشنهادي پیروي میکند. در فرایند طراحی چون فعالیت اثبات آزمایشگاهی در فاز بعدي انجام خواهد شد، در این مقاله ارائه نخواهد شد.
شکل .1 فلوچارت طرح سیستم سوخت
طرح سیستم سوخت و مشخصات طراحی
نیازمنديهاي سیستم سوخت مطابق زیر است:
ظرفیت سوخت کلی کمتر از 300 کیلوگرم، وزن سوخت کمتر از 20 کیلوگرم و حجم تانک سوخت محدود به 0/382 متر مکعب است. ساختار طرح سیستم تانک سوخت متشکل از تانکهاي بال راست و چپ و تانکهاي عقب و جلو و یک تانک جمعکننده است که در شکل 2 نشان داده شده است. بر پایه این طرحبندي تانک سوخت، طرحبندي مقدماتی سیستم سوخت، نشان داده شده در شکل 3، طرح گردیده است. مطابق با سیستم سوخت پیشنهادي، سوخت از هر تانک بال و فیوزلاژ به طرف تانک جمعکننده انتقال داده میشود. سپس سوخت جمعآوري شده میتواند به موتور اصلی به وسیله یک پمپ بوستري انتقال داده شود. براي انتقال سوخت از هر تانک به تانک جمعکننده واز آنجا به موتور اصلی و فرعی از پمپهاي جتی استفاده خواهد شد. سیستم تهویه متشکل از دو خط تخلیه در هر بال و تانکهاي فیوزلاژ است.
شکل .2 طرح تانکهاي سوخت پهپاد هوشمند
تخمین وزن سیستم سوخت
بر پایه طرحبندي سیستم سوخت پیشنهادي که در شکل 3 نشان داده شده است، وزن کلی سیستم سوخت با مقادیر وزن تمام اجزاء که در جدول 1 آمده است تخمین زده میشود. حتی اگر وزن کلی پیشنهادي در ازاي تمام موارد بزرگتر از نیازمنديهاي سیستم باشد فقط دو مورد - اجزاء و اتصالات لولهها - در تخمین وزن سیستم سوخت در این تحقیق، در نظر گرفته میشود. بنابراین وزن کلی 22/4 کیلوگرم است که 10 درصد سنگینتر از نیازمنديهاي سیستم است. با وجود این انتظار میرود که چنین اضافهوزنی بهواسطه جابهجایی اجزاء و بهینهسازي طراحی کاهش داده شود.
جدول .1 تخمین وزن کلی
تعیین ابعاد اجزاء
تعیین ابعاد لوله تغذیه از تانک سوخت به موتور با در نظر گرفتن افت فشار بر پایه حداکثر نرخ مصرف سوخت - 8.07 ×10−5 m3 / s - موتور توربوشافت PW206C که پیشرانه اصلی پهپاد هوشمند - 1998 - PW206C است، انجام میشود.
شکل .3 دیاگرام شماتیک سیسستم سوخت
اجزاي لولهکشی در سیستم انتقال شامل شیر یکطرفه، فیلتر کمفشار، و شیر خاموش روشن است. در این محاسبات، افت فشار فیلتر به دلیل کم بودن آن صرفنظر شده است. افت فشار به وسیله معادله زیر بیان میشود:
بازشدگی جزئی شیر و α2 ضریب تصحیح براي Re p104 است. تعیین ابعاد لوله در لولههایی به قطر مختلف انجام گرفته و نتایج در شکل 4 نشان داده شده است.
نتایج تعیین ابعاد نشان میدهد که فشارهاي مختلف ورودي موتور وابسته به ابعاد مختلف لوله است. مشاهده میشود که لوله به قطر 3/8 اینچ افت فشار بزرگتري دارد. اگر لوله بزرگتر از 1/2 اینچ به کار رود هیچ نفع بیشتري حتی اگر افت فشار آن کمتر از لوله 1/2 اینچ باشد، نخواهد داشت. بنابراین لولهاي با قطر 1/2 اینچ براي سیستم تدارك سوخت انتخاب میشود.
شکل .4 تغییرات فشار ورودي موتور با اندازة لوله
تعیین ابعاد پمپ بوستري
بعد از مشخص شدن قطر لوله، باید فشار مورد نیاز پمپ بوستري براي تدارك سوخت موتور اصلی مشخص گردد. فشار مورد نیاز براي پمپ بوستري میتواند به وسیلهاختلاف بین فشار مورد نیاز ورودي و فشار موجود بیان شود. نتایج محاسبات براي فشار مورد نیاز پمپ بوستري در شکل 5 نشان داده شده است.
