Aufheben - Unstart
In der Überschallaerodynamik bezieht sich ein Unstart auf einen im Allgemeinen heftigen Zusammenbruch des Überschallluftstroms. Das Phänomen tritt auf, wenn sich der Massendurchfluss innerhalb eines Kanals signifikant ändert. Die Vermeidung von Unstarts ist ein wichtiges Ziel bei der Konstruktion der Triebwerkslufteinlässe (US-Einlässe) von Überschallflugzeugen, die mit Geschwindigkeiten über Mach 2,2 fliegen .
Etymologie
Der Begriff entstand während der Nutzung der frühen Überschallwindkanäle . „Starten“ des Überschallwindkanals ist der Prozess, bei dem die Luft Überschall wird; Unstart des Windkanals ist der umgekehrte Vorgang. Die Schockwellen , die während des Startens oder unstart Prozesses entwickeln können sichtbar gemacht werden mit Schlieren oder Schatten optischen Techniken.
In Triebwerkseinlässen
Das Design einiger Lufteinlässe für Überschallflugzeuge kann mit dem von Überschallwindkanälen verglichen werden und erfordert eine sorgfältige Analyse, um Starts zu vermeiden. Bei hohen Überschallgeschwindigkeiten (normalerweise zwischen Mach 2 bis 3) sind Einlässe mit interner Kompression so ausgelegt, dass sie eine Überschallströmung stromabwärts der Einfangebene des Lufteinlasses haben. Wenn der Massenstrom über die Fangebene des Einlasses nicht mit dem stromabwärtigen Massenstrom am Motor übereinstimmt, wird der Einlass nicht gestartet. Dies kann zu einem heftigen, vorübergehenden Kontrollverlust führen, bis die Einnahme wieder aufgenommen wird.
Nur wenige Flugzeuge, obwohl viele Raketen mit Staustrahlantrieb, sind mit Einlässen geflogen, bei denen eine Überschallkompression innerhalb des Einlaßkanals stattfand. Diese Einlässe, die als Mischkompressionseinlässe bekannt sind, haben Vorteile für Flugzeuge, die mit Mach 2,2 und höher fliegen. Die meisten Überschalllufteinlässe komprimieren die Luft extern, starten also nicht und haben daher keinen Unstart-Modus. Einlässe mit gemischter Kompression haben die anfängliche Überschallkompression außen und den Rest innerhalb des Kanals. Als Beispiel hatten die Einlässe der B-70 Valkyrie ein externes Kompressionsverhältnis (cr) bei M3 von 3,5 und ein internes Cr von etwa 6,6, gefolgt von einer Unterschalldiffusion. Die Lockheed SR-71 Blackbird und XB-70 Valkyrie hatten ein gut publiziertes Startverhalten. Andere Flugzeuge, die mit interner Kompression geflogen sind, sind die Vought F-8 Crusader III, der Marschflugkörper SSM-N-9 Regulus II und der B-1 Lancer .
Für die Concorde wurde eine teilweise interne Kompression in Betracht gezogen (das Supersonic Transport Aircraft Committee hatte 1959 einen SST für eine Reise mit Mach 2,2 empfohlen), aber eine "externe Konfiguration wurde wegen der inhärenten Stabilität ihres Stoßsystems gewählt, sie hatte keinen Unstart-Modus". . Obwohl es eine gewisse interne Kompression gab, die durch einen normalen Stoß lokal am Rampengrenzschicht-Entlüftungsschlitz innerhalb des Einlasses beendet wurde, war der Einlass aerodynamisch selbstkompensierend, ohne jegliche Spur von Startproblemen. Zu Beginn der Entwicklung des B-1 Lancer wurde sein gemischter externer / interner Einlass zu einem externen geändert, der technisch sicherer ist, aber mit einem kleinen Kompromiss bei der Reisegeschwindigkeit. Es hatte anschließend feste Einläufe, um Komplexität, Gewicht und Kosten zu reduzieren.
Arbeiten in den 1940er Jahren, beispielsweise von Oswatitsch, zeigten, dass bei M2-3 eine Überschallkompression innerhalb eines Kanals, bekannt als Überschalldiffusor, erforderlich ist, um die Druckrückgewinnung gegenüber der mit externer Kompression erreichbaren zu erhöhen. Wenn die Fluggeschwindigkeit mit Überschall ansteigt, ist das Stoßsystem zunächst extern. Für die SR-71 war dies bis etwa M1.6 bis M1.8 und M2 für die XB-70. Die Einnahme soll ungestartet sein. Eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit erzeugt Überschallgeschwindigkeiten im Inneren des Kanals mit einem ebenen Stoß in der Nähe des Halses. Die Einnahme soll begonnen werden. Stromaufwärts oder stromabwärts gelegene Störungen, wie Böen/atmosphärische Temperaturgradienten und Triebwerksluftströmungsänderungen, sowohl beabsichtigt als auch unbeabsichtigt (durch Stoßen), neigen dazu, den Stoß fast augenblicklich auszustoßen. Das Ausstoßen des Stoßes, bekannt als Unstart, bewirkt, dass die gesamte Überschallkompression von außen durch einen einzigen ebenen Stoß stattfindet. Der Einlass hat sich in Sekundenbruchteilen von seiner effizientesten Konfiguration, bei der der größte Teil seiner Überschallkompression innerhalb des Kanals stattfindet, zu der am wenigsten effizienten geändert, wie der große Verlust bei der Druckrückgewinnung zeigt, von etwa 80 % auf etwa 20 % bei M3-Fluggeschwindigkeiten . Es kommt zu einem großen Einlassdruckabfall und Schubverlust zusammen mit einem vorübergehenden Verlust der Kontrolle über das Flugzeug.
Nicht zu verwechseln mit einem Unstart mit seinem großen Kanaldruckverlust ist der Kanalüberdruck, der durch einen Hammerschlag entsteht. Bei Drehzahlen unterhalb der Ansaugstartdrehzahl oder bei Flugzeugen mit externen Kompressionseinlässen können Triebwerksstöße oder Verdichterabwürgen einen Hammerschlag verursachen. Oberhalb der Einlassstartdrehzahl können Unstarts abhängig von der Komplexität der Auslegung des Einlasssystems zum Abwürgen führen. Hammerschläge haben Schäden an den Einlässen verursacht. Zum Beispiel erlebte die nordamerikanische F-107 während des Flugs mit hoher Geschwindigkeit einen Triebwerksstoß, der die Einlassrampen verbogen. Die Concorde erlitt während der Entwicklungsflugerprobung erhebliche Schäden an einer Gondel, nachdem beide Triebwerke sprunghaft angestiegen waren.
Absicht
Als bei der SR-71 ein Unstart auftrat, verursachte ein sehr großer Widerstand der nicht gestarteten Gondel extremes Rollen/Gieren. Das Flugzeug verfügte über ein automatisches Neustartverfahren, das den Luftwiderstand ausgleichte, indem es den anderen Einlass deaktivierte. Dieser Einlass hatte seinen eigenen enormen Widerstand, wobei der Dorn ganz nach vorne gerichtet war, um die Stoßwelle vor dem Einlass einzufangen.
Vermeidung
Das Verlangsamen von M3 erforderte eine Reduzierung des Schubs, die einen Einlass mit dem reduzierten Triebwerksluftstrom aufheben konnte. Das SR-71-Abstiegsverfahren verwendete Bypass-Ströme, um eine Unstart-Marge zu schaffen, da der Triebwerksstrom reduziert wurde.
Die Schubreduzierung beim XB-70 wurde erreicht, indem der Motorfluss bei 100 % U/min stabil gehalten wurde, selbst wenn der Leerlauf mit dem Gashebel gewählt wurde. Dies wurde als "rpm lock-up" bezeichnet und der Schub wurde durch Vergrößern der Düsenfläche reduziert. Die Kompressordrehzahl wurde beibehalten, bis das Flugzeug auf M1,5 verlangsamt war.
Theoretische Basis
Bei einer eher theoretischen Definition ist Unstart das Überschall- Drosselphänomen , das in Kanälen mit einem stromaufwärtigen Massenstrom auftritt, der größer ist als der stromabwärtige Massenstrom. Es kommt zu einer instationären Strömung, da sich die Fehlanpassung im Massenstrom im Gegensatz zur Unterschallströmung nicht allmählich stromaufwärts ausbreiten kann . Stattdessen wird bei Überschallströmung die Fehlanpassung hinter einer „normalen“ oder terminalen Stoßwelle weitergetragen, die abrupt dazu führt, dass die Gasströmung unterschallt. Die resultierende normale Stoßwelle breitet sich dann mit einer effektiven Schallgeschwindigkeit stromaufwärts aus, bis die Strömungsfehlanpassung ein Gleichgewicht erreicht.
Es gibt andere Möglichkeiten, unstart zu konzeptualisieren, die hilfreich sein können. Unstart kann man sich alternativ als abnehmenden Staudruck innerhalb eines Überschallkanals vorstellen; wobei der Staudruck stromaufwärts größer ist als der Staudruck stromabwärts. Unstart ist auch das Ergebnis einer abnehmenden Halsgröße in Überschallkanälen. Das heißt, der Eingangshals ist größer als der diffundierende Hals. Diese Änderung der Halsgröße führt zu dem abnehmenden Massenstrom, der den Start definiert.
Die Erstickungsreaktion des Unstarts führt zur Bildung einer Stoßwelle im Inneren des Kanals.
Schockinstabilität oder Summen
Unter bestimmten Bedingungen kann die Stoßwelle vor oder in einem Kanal instabil sein und stromaufwärts und stromabwärts schwingen. Dieses Phänomen wird als Summen bezeichnet . Stärkere Stoßwellen, die mit einer Flüssigkeit oder Grenzschicht mit geringem Impuls interagieren, neigen dazu, instationär zu sein und ein Summen zu verursachen. Buzz-Bedingungen können strukturdynamisch induziertes Versagen verursachen, wenn keine angemessenen Spielräume in die Konstruktion einbezogen werden.
