כונס אוויר

כונס אוויר הוא מרכיב מבני בכלי טיס, האוסף ומנתב זרימת אוויר לרכיב מסוים. בדרך כלל המונח מתייחס לכונס אוויר של מנועי סילון. לדוגמה, במנועי טורבו מניפה של מטוסי נוסעים הכונס מאפשר שאיבה מיטבית במהירויות נמוכות, וזרימה סדירה ללא מערבולות במהלך שיוט; במטוסים על-קוליים הכונס מתוכנן כדי להאט את האוויר החיצוני ממהירות על-קולית למהירות של עד מאך 0.4-0.5. תפקיד כונסי אוויר תת-קוליים הם לאסוף אוויר חיצוני ולהאט אותו מעט עד לשלב הכניסה למנוע עצמו מאחר שמנועי סילון דורשים אוויר במהירות של מאך 0.4 בשביל עבודה מיטבית. שפת ההתקפה הפוגשת את האוויר נוטה להיות עבה יחסית וכוללת אמצעים נוגדי התקרחות. מרבית הכונסים כוללים כמו כן אמצעים לניקוז זרימת הגבול הנוטה להיות מערבולתית, לא שימושית למנוע. לרוב גם כונסי המנוע מורחקים מגוף המטוס בשביל ששכבת הגבול הצמודה לגוף המטוס לא תישאב למנוע. אף על פי שזה לא מחייב, כונסים תת-קוליים נוטים להיות מעוגלים. מנועי טורבו-פרופ וטורבו-ציר בגלל אופן הפעולה השונה ולעיתים הסידור השונה כלומר הכונס לא חייב להיות מקדימה יחסית לכיוון הטיסה, כונס האוויר של מנועים אלו נוטה להיות שונה מאוד ממנועי טורבו-סילון או טורבו-מניפה. לרוב כונסים של מנועים אלה קטנים משמעותית יחסית למנועי טורבו-מניפה או טורבו סילון. הצורה האופיינית של תעלת הכונס של מנועי טורבו-פרופ היא התקנה מתחת למנוע מאחורי המדחף ומתעקלת כלפי מעלה לטובת שלב המדחס הנמצא בחלק האחורי של המנוע. בגלל אופן התקנה זה, מתאפשרת התקנה של המפריד האינרציאלי. המפריד האינרציאלי הוא מעין דלת מעקף הנמצאת בדיוק באזור העיקול, המובילה החוצה מהמנוע. כל חלקיק קרח או כל גוף זר הנשאב לכונס יעוף מהדלת הזאת עקב האינרציה של הגוף. כאשר המפריד האינרציאלי פתוח הוא מקטין את יעילות המנוע שכן כמות אוויר משמעותית נזרקת החוצה ולא מגיעה למנוע, אבל היא גם מגנה על המנוע מגופים זרים במהלך המראה ונחיתה או בטיסה בתנאי התקרחות. חלק ממנועי טורבו-ציר גם משתמשים בתעלת כונס מעוקל ובמפריד אינרציאלי. כאמור מנועי סילון דורשים זרימת אוויר במהירות של מאך 0.4 בשביל עבודה אופטימלית, עם זרימה על-קולית סביב למטוס, האוויר צריך להיות מואט בצורה משמעותית לפני שהוא מגיע לשלב המניפה או המדחס. כאשר מבנה הכונס פוגש את זרימת האוויר הוא הולך ליצור גלי הלם הנוצרים משינוי חד בכיוון זרימת האוויר. גלי הלם אלה יגרמו להאטה ולעלייה בלחץ יחסית לאוויר החיצון. כמות גלי ההלם נקבעת על ידי צורת הכונס ועל הכונס להיות מתוכנן לכמות גלי ההלם, בדרך כלל בין 1–4. בכל מקרה גל ההלם הסופי הניצב יצור זרימת אוויר תת-קולית ויקבע את יחס ההמרה P 1 P 0 {\displaystyle {\frac {P_{1}}{P_{0}}}} כאשר P0 זה הלחץ החיצון ו-P1 זה הלחץ אחרי גל ההלם הניצב. עם זאת זה לא קובע את כמות האוויר השימושית למנוע שכן ישנם גורמים נוספים היוצרים אוויר מערבולתי, לא שימושי למנוע ומקטינים את היעילות של הכונס. היעילות נקבעת על ידי יחס יעילות ההמרה η i = P 2 P 0 {\displaystyle \eta _{i}={\frac {P_{2}}{P_{0}}}} כאשר P2 זה הלחץ השימושי בכניסה למנוע עצמו. היחס הזה, המכונה Pressure Recovery, קובע את יעילות הכונס במהירויות על קוליות. התרשים הבא מציג את יעילות ההמרה של ארבעת סוגי הכונסים יחסית למספר המאך של האוויר החיצוני: כפי שניתן לראות ככל שמתכננים כונסים לכמות גלי הלם גדולה יותר, יעילות ההמרה של הלחץ תהיה גבוהה יותר יחסית למספר המאך. כמו כן ניתן לראות שבכל מצב פרט לכונס המתוכנן לכל הלם בודד גל ההלם הראשוני חייב לפגוע בדיוק בשפה החיצונית של הכונס אחרת זה מוריד את יעילות ההמרה. כמות גלי ההלם ומיקומם צפויה להשתנות עם עליית המהירות, לדוגמה במהירות של מאך 1 בכל סוגי הכונסים יהיה גל הלם בודד. פעולת המרת הלחץ, בנוסף על האטת האוויר ודחיסתו גורמת לעלייה בטמפרטורה של זרימת האוויר. מפני ששלב המדחס של המנוע מבצע דחיסה נוספת, הטמפרטורה בכניסה לתא הבערה עולה משמעותית ולכן מרבית המטוסים העל קוליים לא מסוגלים לשייט במהירויות אלו לאורך זמן, שכן טמפרטורה גבוהה זאת גורמת לבלאי מוגבר והם מוגבלים לזמן מסוים, לרוב עד חצי שעה של טיסה במהירות על קולית. ישנם מטוסים המסוגלים לשייט במהירות על-קולית, אלה נוטים להשתמש במנועים עם חומרים מתקדמים וכן לרוב שלבי המדחס של המנועים יכללו יחס דחיסה קטן יחסית למנועים אחרים שכן הכונסים יתוכננו לבצע את מרבית הדחיסה. מנועים אלה נוטים להיות לא מיטביים לשיוט תת-קולי, יחסית למנועים סטנדרטיים. הדרישה של הסטנדרד הצבאי ליעילות המרה של כונסים על-קוליים מתוארת בנוסחה הבאה: P 2 P 0 = η i ( 1 − 0.75 [ M − 1 ] 1.35 ) {\displaystyle {\frac {P_{2}}{P_{0}}}=\eta _{i}(1-0.75[M-1]^{1.35})} כאשר M הוא מספר מאך במהירות הנוכחית של המטוס. בגלל השינוי במיקום גלי ההלם יעילות ההמרה תשתנה עם שינוי המהירות ולכן רוב המטוסים הצפויים לטוס במהירות על-קולית כוללים כונסים עם אמצעים שונים לשינוי הגאומטריה הפנימית של הכונס ועל ידי זה לשלוט בצורה יעילה על גל ההלם הניצב. רמפה חיצונית – אופיינית למשטח מישורי העולה-יורד או המתנפח ועל ידי זה שולט על שטח הפנים המעשי של פתח הכונס. רמפה חיצונית כוללת גם חלק פנימי של הרמפה המשנה את מיקומו בהתאם למצב החלק הבולט החוצה. דוגמה לרמפה עולה-יורדת: F-15 איגל, דוגמה לרמפה מתנפחת: מקדונל דאגלס F-4 פנטום. רמפה פנימית – רמפה פנימית בשונה מרמפה חיצונית משנה את מיקום גלי ההלם השני והלאה, לרוב על הורדת משטח לתוך זרימת האוויר. דוגמה למטוס המשתמש ברמפה פנימית: קונקורד. חרוט כונס – לעיתים בצורת חרוט מלא או חצי חרוט החרוט מתקדם או נסוג עם שינוי המהירות, בתלות בעקרון הפעולה שנבחר בעת תכנון הכונס. החרוט משנה את מיקום כלל גלי ההלם בתוך הכונס שכן החרוט נמצא לא רק בכניסה לכונס, אלא חודר למרחק מסוים בתוכו. דוגמה למטוס עם חרוט מתקדם ככל שמאיצים: B-58 האסלר, דוגמה למטוס עם חרוט נסוג ככל שמאיצים: SR-71. אמצעים נוספים לשליטה על מיקום הגלים הם דלתות מעקף ונתיבי מעקף פנימיים המתופעלים בצורה אוטומטית או ידנית. אלה מנתבים חלק מהאוויר בקרבת הכניסה למנוע ועל ידי כך מקטינים את הלחץ באזור ומשנים את מיקום הגלים. כאמור במהלך טיסה במהירויות על קוליות על גלי ההלם להיות במיקום מדויק בתוך הכונס. בכונסים בעלי גאומטריה משתנה ישנו מצב של תקלה כאשר אחד מהאמצעים לשליטה במיקום גלי ההלם לא נמצא במקום מתאים ישנה סכנה לקריסת הגלים. במצב זה הנקרא Unstart, גלי ההלם קורסים ונדחפים אל מחוץ לכונס, מה שגורם לירידה דרסטית ביעילות ההמרה אבל גם לעלייה דרסטית בגרר מה שגורם לתגובה חריפה ופתאומית, במיוחד במטוסים בהם בתי המנוע נמצאים הרחק ממרכז גוף המטוס. דוגמה לכונס של מטוס F-4 פנטום בעל רמפה חיצונית. ניתן לראות את חרירי ניקוז שכבת הגבול. דוגמה לפעולה של רמפת הכונסים של מטוס F-15. במצב הנוכחי המנוע הימיני (כיוון טיסה) דלוק והרמפה של המנוע יורדת. אבל זה מצב דומה לאופן הפעולה של הכונס במהירות על קולית. חרוט הכונס של מטוס SR-71. החרוט הזה מתחיל לסגת במאך 2.6 ונסוג כ-66 סנטימטרים עד מהירות מאך 3.2. כונס מנוע של מטוס F-14 בעל רמפה פנימית. דוגמה לאופן הפעולה של כונס של מטוס הקונקורד. ניתן לראות שבמצב שיוט על קולי (באמצע) חלק מהאוויר בכונס מנותב למעקף. מספר מטוסים כוללים כונסים ללא אמצעים לשינוי הגאומטריה של הכונס, אבל אלה לרוב כוללים תעלות ארוכות המובילות למנוע וכלולות לרוב במטוסי קרב. עם זאת לרוב כונסים אלה כוללים שפה אחת בולטת לפני השנייה או חרוט קבוע בשביל לקבוע את מיקום הגל הראשון. התעלות הללו מכונות תעלות S, בגלל העיקול האופייני לכונסים אלה. כונס של מטוס F-16, הכונס לא כולל שום אמצעי לשליטה על הגאומטריה של הכונס. השפה העליונה בולטת אל מול התחתונה. דוגמה לכונס בעל חצי חרוט בולט של מטוס F-104. החרוט הזה לא נע כלל אלא נמצא קבוע. דוגמה לכונס של מטוס F/A-18F סופר-הורנט בעל חתך-מכ"ם מוקטן. לעיתים כונסים של כלי טיס שונים מחולקים לשניים ומתחברים בהמשך הגוף לטובת מנוע בודד המורכב בצורה מרכזית. לעיתים גם מטוסים תת-קוליים משתמשים בכונס תעלת S לטובת מנוע מרכזי שאין ביכולת הכונס להיות מול המנוע, אופייני למטוסי נוסעים תלת מנועיים. מטוס F-35 בעל שני כונסים בצידי המנוע המתחברים יחד בהמשך הגוף לטובת מנוע בודד. מטוס A-4 סקייהוק, בעל שני כונסים המובילים למנוע בודד. מטוס מיראז' 3 בעל שני כונסים המובילים למנוע אחד. דוגמה לתעלת כונס מנוע של המיג-21, המתפצל אחרי החרוט הראשי ומתמזג לקראת המנוע. מטוס לוקהיד L-1011 בעל שלושה מנועים. המנוע המרכזי כולל תעלת S המובילה ממעל לגוף המטוס עד למנוע המורכב באמצע. מבער אחורי מנוע סילון כנף (תעופה) תצורת כנף שיוט על-קולי ביצועי כונסי אוויר מתוך אתר נאס"א.