Afbreken - Unstart
In supersonische aerodynamica verwijst een unstart naar een algemeen gewelddadige afbraak van de supersonische luchtstroom. Het fenomeen treedt op wanneer de massastroomsnelheid aanzienlijk verandert in een kanaal. Het vermijden van unstarts is een belangrijke doelstelling bij het ontwerp van de luchtinlaten van de motor (inlets US) van supersonische vliegtuigen die kruisen met snelheden van meer dan Mach 2.2.
Etymologie
De term is ontstaan tijdens het gebruik van vroege supersonische windtunnels . Het "starten" van de supersonische windtunnel is het proces waarbij de lucht supersonisch wordt; unstart van de windtunnel is het omgekeerde proces. De schokgolven die ontstaan tijdens het starten of onstartproces kunnen worden gevisualiseerd met schlieren of shadowgraph optische technieken.
In de inlaat van vliegtuigmotoren
Het ontwerp van sommige luchtinlaten voor supersonische vliegtuigen kan worden vergeleken met dat van supersonische windtunnels en vereist een zorgvuldige analyse om unstarts te voorkomen. Bij hoge supersonische snelheden (meestal tussen Mach 2 en 3), zijn inlaten met interne compressie ontworpen om een supersonische stroming stroomafwaarts van het vangvlak van de luchtinlaat te hebben. Als de massastroom over het opvangvlak van de inlaat niet overeenkomt met de stroomafwaartse massastroom bij de motor, zal de inlaat ontslaan. Dit kan gewelddadig, tijdelijk verlies van controle veroorzaken totdat de inname opnieuw wordt gestart.
Er zijn maar weinig vliegtuigen, hoewel veel raketten met raketmotor, hebben gevlogen met inlaten die supersonische compressie plaatsvinden in het inlaatkanaal. Deze inlaten, bekend als gemengde compressie-inlaten, hebben voordelen voor vliegtuigen die cruisen met Mach 2.2 en hoger. De meeste supersonische vliegtuiginlaten comprimeren de lucht extern, dus starten niet en hebben dus geen unstart-modus. Gemengde compressie-inlaten hebben de initiële supersonische compressie extern en de rest in het kanaal. De inlaten op de B-70 Valkyrie hadden bijvoorbeeld een externe compressieverhouding (cr) bij M3 van 3,5 en een interne cr van ongeveer 6,6, gevolgd door subsonische diffusie. De Lockheed SR-71 Blackbird en XB-70 Valkyrie hadden goed bekend startgedrag. Andere vliegtuigen die met interne compressie hebben gevlogen zijn de Vought F-8 Crusader III, de SSM-N-9 Regulus II kruisraket en de B-1 Lancer .
Gedeeltelijke interne compressie werd overwogen voor de Concorde (het Supersonic Transport Aircraft Committee had in 1959 een SST aanbevolen om te cruisen op Mach 2.2), maar een "externe configuratie werd gekozen vanwege de inherente stabiliteit van het schoksysteem, het had geen unstart-modus" . Hoewel er enige interne compressie was die werd beëindigd door een normale schok ter plaatse van de ontluchtingsgleuf van de hellingsgrenslaag in de inlaat, was de inlaat aerodynamisch zelfcompenserend zonder spoor van enig opstartprobleem. In het begin van de ontwikkeling van de B-1 Lancer werd de gemengde externe/interne inlaat veranderd in een externe, technisch veiliger maar met een klein compromis in kruissnelheid. Het had vervolgens vaste innames om de complexiteit, het gewicht en de kosten te verminderen.
Werk in de jaren '40, bijvoorbeeld door Oswatitsch, toonde aan dat supersonische compressie in een kanaal, bekend als een supersonische diffusor, bij M2-3 noodzakelijk wordt om het drukherstel te vergroten ten opzichte van die verkregen met externe compressie. Naarmate de vliegsnelheid supersonisch toeneemt, is het schoksysteem aanvankelijk extern. Voor de SR-71 was dit tot ongeveer M1.6 tot M1.8 en M2 voor de XB-70. Er wordt gezegd dat de inname niet is gestart. Verdere snelheidstoename produceert supersonische snelheden in het kanaal met een vlakke schok nabij de keel. De intake zou gestart zijn. Stroomopwaartse of stroomafwaartse verstoringen, zoals windstoten/atmosferische temperatuurgradiënten en veranderingen in de luchtstroom van de motor, zowel opzettelijk als onopzettelijk (door een deining), hebben de neiging om de schok bijna onmiddellijk uit te drijven. Uitzetting van de schok, bekend als een unstart, zorgt ervoor dat alle supersonische compressie extern plaatsvindt via een enkele vlakke schok. De inlaat is in een fractie van een seconde veranderd van de meest efficiënte configuratie waarbij de meeste supersonische compressie plaatsvindt in het kanaal naar de minst efficiënte, zoals blijkt uit het grote verlies aan drukherstel, van ongeveer 80% tot ongeveer 20% bij M3-vliegsnelheden . Er is een grote daling van de inlaatdruk en verlies van stuwkracht samen met tijdelijk verlies van controle over het vliegtuig.
Niet te verwarren met een unstart, met zijn grote verlies in kanaaldruk, is de kanaaloverdruk als gevolg van een hamerslag. Bij snelheden onder de startsnelheid van de inlaat, of in vliegtuigen met externe compressie-inlaten, kan een motorstoot of compressorblokkering een hamerschok veroorzaken. Boven de startsnelheid van de inlaat kunnen niet-starten tot stilstand leiden, afhankelijk van de complexiteit van het ontwerp van het inlaatsysteem. Hamerschokken hebben schade aan inlaten veroorzaakt. Zo ondervond de Noord-Amerikaanse F-107 tijdens een vlucht met hoge snelheid een motorstoot die de inlaathellingen verbogen. De Concorde ondervond tijdens het testen van ontwikkelingsvluchten aanzienlijke schade aan één gondel nadat beide motoren waren gesprongen.
opzettelijk
Toen er een unstart plaatsvond op de SR-71, veroorzaakte een zeer grote hoeveelheid weerstand van de niet-gestarte gondel extreem rollen / gieren. Het vliegtuig had een automatische herstartprocedure die de luchtweerstand in evenwicht hield door de andere inlaat uit te schakelen. Deze inlaat had zijn eigen enorme hoeveelheid weerstand, met de spike volledig naar voren om de schokgolf voor de inlaat op te vangen.
vermijden
Vertragen van M3 vereiste een vermindering van de stuwkracht die een inlaat met de verminderde luchtstroom van de motor zou kunnen uitschakelen. De SR-71-afdalingsprocedure maakte gebruik van bypass-stromen om een onstartmarge te geven naarmate de motorstroom werd verminderd.
Stuwkrachtvermindering op de XB-70 werd bereikt door de motorstroom stabiel te houden op 100% tpm, zelfs bij stationair toerental geselecteerd met het gaspedaal. Dit stond bekend als "rpm lock-up" en de stuwkracht werd verminderd door het mondstukoppervlak te vergroten. De compressorsnelheid werd gehandhaafd totdat het vliegtuig was vertraagd tot M1.5.
Theoretische basis
Met een meer theoretische definitie is unstart het supersonische verstikkingsverschijnsel dat optreedt in kanalen met een stroomopwaartse massastroom die groter is dan de stroomafwaartse massastroom. Onstabiele stroming resulteert omdat de mismatch in massastroom zich niet geleidelijk stroomopwaarts kan voortplanten in tegenstelling tot subsonische stroming. In plaats daarvan wordt bij supersonische stroming de mismatch naar voren gedragen achter een 'normale' of terminale schokgolf die er abrupt voor zorgt dat de gasstroom subsonisch wordt. De resulterende normale schokgolf plant zich vervolgens stroomopwaarts voort met een effectieve akoestische snelheid totdat de stromingsmisaanpassing een evenwicht bereikt.
Er zijn andere manieren om unstart te conceptualiseren die nuttig kunnen zijn. Unstart kan ook worden gezien in termen van een afnemende stagnatiedruk in een supersonisch kanaal; waarbij de bovenstroomse stagnatiedruk groter is dan de benedenstroomse stagnatiedruk. Unstart is ook het resultaat van een kleiner wordende keel in supersonische kanalen. Dat wil zeggen dat de ingangskeel groter is dan de diffunderende keel. Deze verandering in keelgrootte geeft aanleiding tot de afnemende massastroom die unstart definieert.
De verstikkingsreactie van unstart resulteert in de vorming van een schokgolf in het kanaal.
Schokinstabiliteit of buzz
Onder bepaalde omstandigheden kan de schokgolf voor of in een kanaal onstabiel zijn en stroomopwaarts en stroomafwaarts oscilleren. Dit fenomeen staat bekend als buzz . Sterkere schokgolven die in wisselwerking staan met een vloeistof met een laag momentum of een grenslaag hebben de neiging onstabiel te zijn en zoem te veroorzaken. Buzz-omstandigheden kunnen door structurele dynamiek veroorzaakte mislukkingen veroorzaken als er geen adequate marges in het ontwerp worden opgenomen.
