UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI

FACULTATEA DE INGINERIE AEROSPATIALA

PROIECT

la disciplina

CONSTRUCTIA STRUCTURILOR AEROSPATIALE

- Avion de lupta

- Model F20 Tigershark

Titulari curs: Student:Spranceana Alexandra Iuliana

S.l. ing. I. Predoiu

Grupa:935

Coordonare tema:

S.l. ing. I. Predoiu

2013 – 2014

1.Prezentare generală

Un avion mai putin cunoscut publicului larg, dar care a concurat contra F16 Falcon la introducerea acestuia din urma in serviciu, un avion care n-a avut sansa sa se materializeze in productie de serie din cauza unor interese politice, a fost F20 Tigershark. Continuator al liniei T38 Talon/ F5-Tiger II, F20 trebuia prin saltul tehnologic sa reprezinte un vanator pur sange destinat partenerilor  SUA, datorita costului scazut de productie si mentenanta.

Mai multe tari din regiune ar putea fi interesate de un astfel de program, Turcia avand deja la activ folosirea platformei F5 Tiger si fiind in cautare pentru un nou avion de antrenament iar Polonia este si ea in cautare de avioane de antrenament. Israel se pare ca a decis deja pentru Alenia Aermacchi M 346. Si alte tari din Balcani si din restul comunitatii europene s-ar putea sa fie in curand in cautare de noi avioane de antrenament, deoarece majoritatea dotarilor sunt invechite iar programul European de dezvoltare a unui avion de antrenament EADSMako/Heat a fost oprit acum cativa ani.

Principalii concurenti la nivel global sunt in acest moment Alenia M346/Yak 130, Hongdu L15 si KAI-T50, cu care Lockheed-Martin are parteneriat. L15 si Yak130 pornesc de la 15mil$, iar M346 si KAI T-50 trec de 20mil.$, versiunile de atac probabil depasind 30 mil$.

Programul F20 a estimat un cost pe bucata (complet, cu radar General Electric AN/APG-67, unul dintre cele mai bune atunci) de aproximativ 8 mil. $ la inceputul anilor ’80, in timp ce F5E costase 1.5 mil$ vechi (de dinaintea crizei anilor ‘70) iar T38 Tallon 750.000 mil $ (adica 5.76 mil$ 2012, comparativ cu pretul de 6 mil$ pentru un IAR99 Soim subsonic). Si acest pret de 8 mil.$ era estimat cand un F16 Fighting Falcon A/B costa 15 mil.$ iar un F15 Eagle era la 30 mil.$. Chiar si la un pret actualizat in dolari, cu infuzie de tehnologie moderna, pretul unui F20 cu avionica echivalenta de ultima ora sa spunem (F16 Bl52 spre exemplu), nu ar trece probabil de 15-20 mil$, iar cel al unui trainer derivat, fiind probabil undeva la maxim 10 mil$.

In ceea ce priveste motoarele, versiunea de antrenament poate fi echipata cu unul sau 2 Honeywell F124-GA-200 de 27.8 kN, la un cost probabil 2.5mil$/bucata, sau chiar cu versiunea imbunatatita a Rolls-Royce Viper Mk632-41M de aproape 20 de kn, in 2 exemplare. Pentru T38 Talon erau suficiente 2x J85-5R motoare de 17kn fiecare cu afterburn. F5 Tiger 2 avea 2 × General Electric J85-GE-21B turbojet: dry thrust 15.5 kN fiecare, iar cu afterburner: 22.2 kN, pentru a atinge Mach 1.6. Deci chiar si cu 2 motoare Viper imbunatatite, trainer-ul ar putea atinge Mach 1.5, respectand acelasi profil aerodinamic. O motorizare comuna intre trainer si avionul de lupta ar fi o pista interesanta, trainerul putand folosi versiunea fara postcombustie a GE F404, cei 50 kN fiind mai mult decat suficienti.

F20 avea motorul General Electric F404-GE-100 turbofan, 17,000 lbf (76 kN), la un pret probabil de 5mil.$/bucata, inrudit cu cel de pe Gripen, iar acum exista versiuneaGeneral Electric F414-GE-400 la 98kN, ce echipeaza F/A18 Super-Hornet. Cu mici modificari ale aripii pentru cresterea portantei si sporirea punctelor de acrosaj de la 5 la 7 sau 9 si a spatiului de combustibil prin retragerea pe fuselaj a trenului de aterizare spate, sau chiar in varianta standard, F20 cu electronica de azi ar fi un trainer/light attack excelent, la 2 Mach, fiind superior MIG-21 Lancer si comparabil cu F16, fiind superior si aparatului JF-17 chinezesc! Singurul punct la care pierde vizibil in fata lui F16 este sarcina utila acrosata, de 3,6 tone in versiunea initiala, dar cu

extinderea numarului de puncte de acrosaj putand urca la vreo 5 tone.  Pentru comparatie, JAS39 Gripen poate duce 6t iar F16 7,5t de armament acrosat pe 9 piloni.

In legatura cu performantele, se sustinea ca F20, la jumatatea costului unui F16, era robust, usor de intretinut, necesitand cam cu 52% mai putina mentenanta si consuma in medie cu 53% mai putin combustibil decat media pentru avioanele concurente/contracandidate (F16 fiind principalul rival). Avea cam cu 63% mai mici costurile de operare si intretinere iar fiabilitatea era de 4 ori mai mare.

Unul din principalele atuuri, care fusese in centrul conceperii acestui avion, era timpul de disponibilitate pentru decolare de numai 22 de secunde, rezultand cel mai redus “time-to-scramble” (decolare in alarma) dintre avioanele contemporane in anii ‘80.

Punctul central al sistemului electronic era radarul AN/APG-67 multimod, urmat de sistemul laser de navigatie inertiala Honeywell, head-up display General-Electric, display si control digital Bendix si computerul de misiuni aeriene Teledyne Systems. Radarul detecteaza si urmareste tinte pana la 48 de mile nautice (90km) in mod „look up” si pana la 31 mile nautice (57km) in mod „look down”. Pentru comparatie, radarul El/M2032 de pe MIG21 Lancer poate detecta tinte la 50-80km (in mod Look-Down) si 85-102km (in mod Look-Up). Probabil ca radarul poate fi inlocuit cu un APG-68V9,  El/M2032 sau superior, AESA (Northrop Grumman–SABR; AN/APG-80/81/82; EL/M-2052), in functie de tehnologia disponibila la momentul respectiv.

Spre deosebire de F5E Tiger II, F20 Tigershark dispune si de o noua cabina cu vedere panoramica, care imbunatateste vizibilitatea pilotului cu 50% inspre partea din spate a avionului, cu contributia unui headset si a unui scaun catapultabil imbunatatit .

Printre caracteristicile de zbor, in primul rand se remarca abilitatea de a zbura la doar 124 km/h la un unghi de atac de 35°, in timp ce F16 este limitat la 30°. Viteza minima este inferioara celei a Saab Gripen, de aproximativ 170 Km/h, dar si F-16C/D 185 Km/h. Datorita botului in forma de „bot de rechin”, F20 era capabil sa manevreze la unghiuri de atac sensibil mai mari decat concurentii iar structura aerodinamica era prevazuta sa suporte 9G. Se pare ca din cauza capacitatii de a manevra la suprasarcini mari, au fost pierdute 2 avioane prototip F20, cu tot cu piloti, ancheta demonstrand in ambele cazuri ca pilotii si-au pierdut cunostiinta.

Accelerarea de la Mach 0.9 la 1.2 se realiza in 29s (la 9150m), urcarea la 12.200m facandu-se in 2.3 minute (inclusiv 55s pentru start si 22 pentru pregatire INS), similar cu Jas-39 Gripen C, in timp ce F-16C ajunge la altitudinea de 10.600m in 210s.

F20 avea un raport tractiune-greutate 1.1 cu motorul original (GEF404 de 76kN), similar cu cel al F16 Bl52 (127kN), iar Gripen NG (F414G de 98kN) are un RTG de 1.06, respectiv 0.97 pt.

Gripen C (tot GEF404 de 76kN). F20 “gol” era aproximativ cu o tona mai usor decat JAS-39 C (si cu 3.5t decat F16C/D), la aceeasi putere a motorului, insa suprafata portanta era de doar 18.6m2 fata de cei 30m2 ai JAS-39 (28 m2 la F16), de unde si diferenta de masa utila.

Din faptul ca suprafata aripilor este doar 2/3 din cea a “concurentilor” precum si din pozitionarea trenului de aterizare spate sub aripi, rezulta numarul mai mic de puncte de acrosaj, masa utila redusa (si datorita portantei) dar si rezerva mai mica de combustibil din aripi si, in consecinta, raza de actiune mai redusa (combat radius): 556km fata de 800km la JAS-39 si oarecum similar cu F16A/B (problema rezolvata cu rezervoare conforme in variante recente de F16).

2.Modele

3. Avionul “despuiat”(cutaway airplane)

4.Specificaţii Tehnice

Piloti 1

Lungime 14.4 m

Inaltime 4.20m

Anvergura 8,53 m; cu rachete (8.13 m; fără rachete)

Masa maxima autorizata 12,474 kg

Masa proprie 7,021 kg

Capacitate combustibil 55200 L 75450 L

Viteza de croaziera 0.79 Mach

Viteza maxima Mach 2

Altitudinea maxima de serviciu 16800 m

Putere 76 kN

Motoare 1 × General Electric F404 -GE-100 turbofan, 17.000 livre 

Autonomie 6800 km 5500 km 9600 km 7330 km

5.Motorul

6.Avionul în trei vederi

7. Descriere tehnică a subansamblelor principale

Forma exterioară a avionului, dimensiunile, motorizarea, organizarea structurală a

componentelor sale îi influențează direct performanțele. Avionul este un aparat complex alcătuit în mod normal din patru subsisteme:

1. structura de rezistență

2. sistemul de propulsie

3. echipamentele de bord și aparatele de comandă a zborului

4. instalațiile și mecanizarea aeronavei

În general, un avion este alcătuit din următoarele părți principale: aripa cu dispozitivele sale de sustentație, fuzelajul, ampenajele orizontal și vertical cu părțile lor mobile, trenul de aterizare și sistemul de propulsie. Părțile mobile ale avionului sunt: eleroanele, profundorul, direcția, flapsurile, voleții, frâna aerodinamică și compensatoarele.

Aparatura de bord este alcătuită din: sisteme pentru controlul zborului, sisteme pentru controlul funcționării motoarelor, sisteme de navigație aeriană, aparatură radio/radiolocație.

La avioanele militare se adaugă armamentul de bord, instalațiile de bombardament și dirijare a rachetelor, blindajul de protecție, acroșajele și aparatura adecvată misiunilor de luptă.

Acționarea comenzilor avionului se realizează prin intermediul instalațiilor hidraulice și pneumatice. Esențiale pentru zborul avionului sunt și instalațiile de alimentare cu combustibil și ulei, instalațiile electrice, de antigivraj (dezghețare), sanitară, de izolație termică și fonică, climatizare și comenzile agregatelor aeronavei, echipamentul de dirijare.

Comanda sistemului de propulsie și a comenzilor părților sale mobile asigură manevrarea aeronavei.

Comanda tracțiunii se realizează prin maneta de gaze care acționează sistemul de propulsie. Comenzile părților mobile sunt asigurate prin manșă,paloniere, flapsuri, frâne, etc. De exemplu, acționarea manșei înainte și înapoi implică bracarea profundoarelor în sus și în jos, fapt care duce la o mișcare a avionului în sus sau în jos. Mișcarea manșei spre stânga sau dreapta acționează eleroanele de pe aripi, ducând la o mișcare de ruliu (rotație) în jurul axei longitudinale. Călcarea palonierelor (pedalelor) spre stânga sau dreapta acționează direcția avionului în lateral. Ceea ce trebuie reținut însă, este că manevrarea aeronavei se face prin acționarea combinată a diferitelor comenzi.

Cabina de pilotaj

Aripa

În zborul aerodinamic, bazat pe forța portantă, cea mai importantă parte a avionului este aripa. Împreună un ampenajele, aripa asigură sustentația, stabilitatea și manevrabilitatea avionului. În general aripa este compusă din structura de rezistență, înveliș exterior, rezervoarele integrate de combustibil, aparatura hidro-pneumatică aferentă comenzilor. Sub aripă se instalează trenul principal de aterizare al avionului, sistemul de propulsie, acroșaje speciale rachete, bombe sau rezervoare lărgabile.

Elementele constructive ale unei aripi de avion obișnuite sunt: lonjeroanele, lisele,

nervurile, panourile de înveliș și alte piese componente, de rigidizare (ex: montanți) folosite pentru transmiterea eforturile între aripă și fuzelaj sau între tronsoanele aripii.

Aripile cu cel puțin două lonjeroane împreună cu învelișul formează chesonul de

rezistență, care are sarcina de a prelua eforturile aerodinamice și mecanice la care este supusă aripa.

Cheson de rezistență

Componentele principale ale chesonului

Lonjeroanele sunt elemente de rigidizare așezate de-a lungul aripii, care preiau cea mai mare parte din forțele și momentele ce acționează asupra acesteia. Au aspectul unei grinzi consolidate alcătuite din tălpi (profile corniere) și inimă (platbandă), îmbinate între ele cu nituri. Sunt realizate de regulă din materiale rezistente la încovoiere și răsucire: duraluminiu, titan, oțeluri speciale.

Nervurile sunt elemente de rigidizare transversală a aripii, montate de obicei perpendicular pe bordul de atac al aripii. Nervurile au rolul de a păstra forma aripii și de a transmite solicitările aerodinamice la lonjeroane și lise. Pot fi nervuri simple sau nervuri de forță, acestea din urmă având rolul suplimentar de a prelua forțele concentrate datorate diverselor echipamente și instalații acroșate de aripi.

Lisele sunt elemente de rigidizare montate în lungul aripii cu rolul de a prelua solicitările axiale datorate încovoierii aripii. Ele trebuie să fie rezistente la întindere și compresiune și măresc rezistența învelișului la deformație. Sunt obținute tehnologic prin extrudare sau îndoire și sunt alcătuite din duraluminiu, aliaje pe bază de titan sau oțel inoxidabil.

Învelișul aripii are rolul de a menține forma sa și este realizat din tablă de duraluminiu sau aliaje pe bază de titan, magneziu etc. Învelișul este solicitat la eforturi de încovoiere și răsucire. Ele sunt prinse de celelalte elemente prin nituri. Dacă distanța dintre lise este mică, pentru rigidizarea învelișului se folosește tablă ondulată. Îmbinarea tablei ondulate cu învelișul se poate face prin metoda sudurii, nu prin nituire. Dacă aripa are grosime mică, învelișul se poate realiza prin panouri monolit. Construcția unei astfel de aripi se realizează prin îmbinarea panourilor dintr-o singură bucată. La aripile cu grosime foarte mică, spațiul interior nu mai cuprinde elemente de rigidizare, ci este umplut cu structură de tip fagure sau cu alt material compozit, rezultând o structură compactă, cu rezistență mecanică mare.

Fuzelajul

Fuzelajul (din franceză fuselage) este partea aeronavei în care este plasată cabina piloților, cabina pasagerilor, încărcătura de transport și cea mai mare parte a echipamentelor și instalațiilor de bord. El reprezintă corpul central de care se leagă aripa, ampenajele și trenul de aterizare. Fuzelajul trebuie să aibă o rezistență la înaintare minimă. De aceea forma sa trebuie să fie aerodinamică, să aibă cât mai puține proeminențe, suprafața "spălată" de curentul de aer să fie bine finisată și cu cât mai puține ondulații.

Fuzelajele tip cocă sunt cele mai folosite în prezent în construcția aerospațială, ele s-au impus definitiv odată cu apariția motoarelor turboreactoare. Elementele principale ale fuzelajelor de tip cocă sunt: structura longitudinală formată din lonjeroane și lise, structura transversală formată din cadre, și învelișul rezistent.

Se folosesc în prezent la aeronave două tipuri de fuzelaje tip cocă:

semimonococă cu structură formată din lonjeroane puternice și dintr-o rețea rară de lise și înveliș subțire

semicocă, structura constând dintr-o rețea deasă de lise, lonjeroane false (lise rigidizate) și înveliș subțire.

Fuzelajele tip cocă sunt rigidizate cu ajutorul unor pereți și podele care formează împreună cu restul structurii diverse compartimente folosite pentru amplasarea echipamentelor și instalațiilor de bord, pentru depozitarea încărcăturii de transport.

Ampenajele

Structura unui ampenaj orizontal văzut "de sus"

Ampenajele sunt elemente care reprezintă pentru aeronavă organele de echilibru, stabilitate și comandă. După modul cum sunt construite depinde în mare măsură capacitatea de manevră a aeronavei. Se compun de regulă din ampenajul orizontal format din stabilizator (partea fixă) și profundor (partea mobilă) și ampenajul vertical format din derivă(partea fixă) și direcție(partea mobilă). La aeronavele supersonice se instalează câteodată două ampenaje verticale, iar stabilizatorul are numai parte mobilă, fiind realizat dintr-o singură bucată. În configurația clasică stabilizatorul este plasat în spatele aripii, dar la avioanele de vânătoare moderne poate apare în fața sa, rezultând așa-zisa configurație "canard" (rață).

Un turboventilator este un tip de motor de avion, similar cu un turboreactor. Constă dintr-un ventilator cu un turboreactor de diametru redus amplasat posterior acestuia care antrenează ventilatorul. O parte din curentul de aer din ventilator trece prin turboreactor unde este ars pentru a alimenta cu putere ventilatorul, dar majoritatea curentului trece pe lângă turboreactor, și produce cel mai mult din tracțiune.

5. Devizul de greutați și epura de centraj

Stabilirea greutăţii unei aeronave respectiv a componentelor sale ca şi repartiţia acestora pe avion sunt esenţiale pentru un proiect nou întrucât aceste date se reflectă în toate evaluările ulterioare care privesc performanţele ca şi proiectul de detaliu al avionului.

Pentru faza de anteproiect se recurge de regulă la estimări. Două proceduri pot fi menţionate în această ordine de idei:

- Primul procedeu este pur statistic şi constă din valorificarea experienţei de construcţie anterioare. Această cale, de altfel foarte comodă, are dezavantajul că introduce un anume grad de aproximare sau nesiguranţă în selectarea valorilor unor parametri - fapt de altfel de aşteptat de la un asemenea procedeu... Statistici "individualizate" pe categorii mai restrânse de avioane pot conduce totuşi la rezultate de încredere.

- Al doilea procedeu, (semi-)analitic, încearcă să evalueze greutăţile - cel puţin pentru subansamblele principale (aripă, fuzelaj, ampenaje) - pe baza unor calcule de rezistenţă

elementare pornind de la parametri geometrici deja fixaţi şi aplicând criterii de proiectare de ordin general.

Procedeul are desigur limite evidente... După cum se ştie din Rezistenţa materialelor, singurele corpuri care pot fi reprezentate prin formule simple de verificare/dimensionare sunt barele; avionul este însă o structură complexă şi reducerea acesteia la un model simplu de tip bară este, totuşi, forţată. Pe de altă parte, o operaţie de dimensionare permite doar definirea elementelor primare de rezistenţă ca structură "optimă"; pentru evaluarea "restului" structurii, într-un asemenea procedeu se introduc diverşi factori de corecţie pentru structura "neoptimă" respectiv pentru structura "secundară", ceea ce lasă locul unor aproximări inevitabile.

O literatură destul de bogată există în legatură cu subiectul "gravimetrie preliminară". Aici se vor da unele principii ilustrative...

După [Sechler], în evaluarea greutăţii componentelor majore ale avionului se porneşte, oarecum natural, de la doi parametri prestabiliţi; aceştia sunt Gmax (asimilat cu "design gross weight") respectiv Gu (greutatea "operaţională").

- Gmax se fixează apriori pe baza datelor statistice; alternativ, se poate proceda astfel: - Se porneşte cu Gu care, pentru un tip de avion anume, poate fi stabilit foarte riguros. Mai departe, în funcţie de categoria avionului, din date statistice se selectează raportul Gu/Gmax (pentru avioane în general, acesta este cuprins între (25-40)%...); din acesta rezultă însuşi Gmax.

Deviz de greutati

GROUP / Subgroup % Gmax Observation

Tot

al w

eigh

t em

pty

- op

erat

iona

l

G0

OVERALL G0 /Gmax 46740 kg

57

WING12660 kg

15

FUSELAGE1066o kg

13

TAIL 1230 kg 1,5

ALIGHTING GEAR (2-Point) 4510 kg 5,5

Main landing gear 4100 kg 5

Tail wheel 410 kg 0,5

ALIGHTING GEAR (3-Point) 4510 kg 5,5

Main landing gear 4100 kg 5

Tail wheel 1640 kg 2

POWR PLANT 18040 kg

22

Engines 12300 kg 15

Propellers 2460 kg 3

Engine accessories 1640 kg 2

Power plant controls 320 kg 0,4

Starting system 738 kg 0,9

Fuel system 1640 kg 2

Lubricating system 492 kg 0,6

SURFACE CONTROLS 1640 kg 2

(STANDARD) EQUIPMENT 4100 kg 5

Instruments 820 kg 1

Electrical equipment 2460 kg 3

Communicating equipment 1640 kg 2

De-icer installation 49.2 kg 0,06

FURNISHINGS 5740 kg 7

Weight per passenger 45 –85 kg

45 85 daN/pax

RESIDUAL FUEL and OIL 15 daN/motor

Ope

rati

onal

load

Gu

OVERALL Gu /Gmax

Crew / Passengers

Standard weight plus hand bag

65 kg 80 + 20 =

100 daN/pax

Useful load (Food and water)

Weight per passenger

492 kg 0,6

3.5 9.0 lb/pax

~(1.5 4.0 daN/pax)

Fuel and oil 55000 kg

...