13.2 Требования к боевому самолету

Рассмотрим гипотетический самолёт, создание которого является целью данной курса. На современных истребителях - перехватчиках установлены «совершенные» двигатели; ту же долю интереса проявляют проектировщики Нового Самолёта Истребителя.

Как и в предыдущих разделах и темах курса величина температуры будет принята постоянной, составляющей 288 K. Работа двигателя сильно зависит от температуры торможения Т_{02 ,}которая , в свою очередь, зависит от статической атмосферной и от числа Маха полёта.

Отметим некоторые важные эксплуатационные характеристики боевого самолёта:

1. Боевые действия и маневры выполняются при малой величине числа Маха, приблизительно между 0.5 и 0.9, на высоте ниже 4 км. Эта комбинация скорости и высоты способствует хорошей маневренности.

2. Число Маха полёта вблизи моря составляет от М ≈ 0.3 до M ≈ 1.2;

3. При проведении воздушного боя в средневысотном диапазоне около 6 км при числе Маха от М ≈ 0.7 до M ≈ 1.2, ускорение изменяет числа Маха полёта от М ≈ 0.5 до M ≈ 0.9;

4. При проведении воздушного боя на большой высоте от 9 км до 11 км, при числе Маха от М ≈ 0.9 до M ≈1.6, ускорение изменяет числа Маха от М ≈ 0.9 до M ≈1.6;

5. Режим «суперкруиз» (без использования форсажной камеры) используется при числе Маха полёта не ниже М ≈ 1.5, и на высоте не выше 11 км;

6. Сверхзвуковой устойчивый полёт происходит при числе Маха около M ≈ 2.0, на высоте более 11 км.

К сожалению не каждый из проектируемых летательных аппаратов способен выполнять все требования, заданные в ТЗ, поэтому выбор требований будет обсуждаться снова и снова, пока не определятся наиболее важные из них. Мелкие изменения, внесённые в проект летательного аппарата, позволили бы одному типу самолётов превосходить над другим, при выполнении различных заданий. Только, перебрав огромное количество различных типов и комбинаций двигателя с самолетом можно выбрать оптимальный вариант. Упражнения в этой книге построены и сформулированы так, что особое внимание концентрируются на двух факторах: величине температуры стандартной атмосферы, которую используют при расчётах на высоте уровня моря и температуре, характерной для тропопаузы. Оба критерия жизненно важны для самолёта–истребителя, так как они охватывают большинство критических операционных пунктов. При проведении расчётов в тропопаузе, особое внимание будет уделено трём числам Маха полёта (0.9, 1.5 и 2.0), а на уровне моря будет использоваться постоянная величина числа Маха полёта, равная М = 0.9.

13.3 Параметры изучаемого проекта

Проект Нового Самолёта Истребителя (NFA) предусматривает пример, аналогичный Новому Большому Самолёту гражданского назначения, рассмотренный в первых десяти темах. Также как при проектировании Нового Большого Самолёта было учтено требование по усовершенствованию по сравнению с предыдущим гражданским самолетом, при проектировании любого нового самолёта–истребителя должны учитываться навыки, полученные от предшествующего опыта, и учтены для создания преимущества у нового аппарата. В нашем случае удобно рассматривать, в качестве предшествующих, Американские самолёты F-15 и F-16, которые являлись довольно успешными самолётами, разработанными и спроектированными в начале 1970 года. Самолёт F-15 имеет два двигателя, в то время как F-16 имеет только один; двухмоторная комбинация предпочтительна из-за дополнительной безопасности, создаваемой, в случае отказа одного из двигателей, поэтому на NFA принято устанавливать два двигателя. Другие параметры, необходимые для выбора проекта самолёта представлены в Таблице 13.1. Из-за увеличения стоимости двухмоторной схемы, на самолёт F-35 (прежде известный как JSF, с двумя двигателями) решено снова устанавливать только один.

Таблица 13.1. Важные отличительные параметры для самолётов-истребителей.

КРИТЕРИИ:	F-15:	F-16:	«NFA»:	Су-37:	МиГ-29:
Число двигателей:	2	1	2	2	2
Пустая эксплуатационная масса (тонн):	12.2	7.1		26.0	9.3
Максимальная взлётная масса брутто (тонн):	20.2	10.8	18.0	34.0	15.3
Максимальная бомбовая масса (тонн):	10.7	5.8		8.0	4.0
Максимальная масса топлива (тонн):	8.0	3.2
Вес двигателя/Максимальная взлётная масса:	0.135	0.127	0.100	0.092	0.110
Максимальная сухая тяга/Макс. взлёт. масса:	0.66	0.62	0.66	0.65
Максимальная тяга/Макс. взлётная масса:	1.07	1.00	1.00	1.07	1.05
Нагрузка на крыло (максимальный вес),(Н/м2):	36.00	34.00	35.00
Максимальное число Маха (на уровне моря):	1.20	1.20	1.20	1.24	1.20
Максимальное Число Маха (H = 40 000 футов):	2.50	2.05	2.00	2.30	2.30
Динамический потолок эксплуатации (фут):	50 000	60 000	50 000	54 000	52 500
Диапазон полёта, без внешних баков (миль):		314	200
Диапазон полёта с внешними баками (миль):	2 880	2 415	2 000	1 800	1 350
Максимальное ускорение (скороподъёмность):		9 · g	+9·g, -3·g

Из Таблицы 13.1 видно, что максимальный взлётный вес Нового Самолёта Истребителя составляет 18 тонн, что приводит к сокращению маневренности. В качестве упрощения, для расчётов, приводимых далее, взлётная масса истребителя будет принята за величину 15 тонн (однако при расчётах, связанных с совершением процессов взлёта и посадки мы вернём истинное значение величины в 18 тонн).

Также полезно связать некоторые величины с таковым нынешнего гражданского самолёта и истребителя, как показано на примере F-16 и Boeing 747-400, в таблице 13.2. Доля веса топлива для обоих самолётов подобна. Для истребителя максимальное отношение тяги к весу больше чем для гражданского самолёта в четыре раза, в то время как доля веса двигателей приблизительно в три раза, больше для истребителя. Большая доля веса двигателей отвечает специфическому требованию по увеличению отношения тяги двигателя по отношению к весу для истребителей. Нынешние двигатели, подобные тем, что установлены на F-16, имеют отношение тяги (с форсажной камерной) к весу около 8. В скором времени, величина этого отношения для двигателей будет составлять 10, а в будущем планируется увеличения величины этого отношения от 12 до 15.

Таблица 13.2. Сравнение параметров гражданского самолёта и самолёта-истребителя.

КРИТЕРИЙ:	Boeing 747-400:	F-16:
Взлётная тяга/Максимальный взлётный вес:	0.25	0.66 или (1.00)
Полный вес двигателя/Максимальный взлётный вес:	0.045	0.13
Максимальный вес топлива/ Максимальный взлётный вес:	0.43	0.40
Максимальная нагрузка на крыло (Н / м2):	7 600	3 400

Упражнение 13.1

Поскольку Новый Самолет - истребитель используют данные, чтобы найти площадь крыла.

(Ответ: 50.5 m2).

В течение боя масса самолета может составлять 15 тонн (на 3 тонны меньше максимальной взлетной массы). Найдите нагрузку на крыло для этого условия.

(Ответ: 2917Н/m²).

Упражнение 13.2

Двигатель Pratt & Whitney F100-PW-100 (устанавливаемый на истребители F-15 и самолета F-16) имеет максимальную тяговооруженность при испытаниях на стенде на уровне моря приблизительно 7.9 с дожиганием и 4.7 без дожигания. Удельный расход топлива приблизительно 2.6 кг/ч/кг с форсажной камерой и приблизительно 0.69 без дожигания. Найдите время, требуемое в каждом эксплуатационном режиме для того, чтобы сжечь массу топлива, равного массе двигателя.

(Ответ: с форсажной камерой 2.9 минуты; без дожигания 18.5 минут).

Вероятно, уместно здесь высказаться по поводу дополнительных параметров и характеристик боевого летательного аппарата, называемого беспилотным (иногда необитаемым) самолётом. С одной стороны это может быть крылатая ракета, с маленькой газовой турбиной, и с другой – «самолёт», который мог бы устанавливаться на обычный истребитель воздушного боя. Между ними существует широкий диапазон транспортных средств разведки, от самого маленького до размера мелко-укомплектованного самолёта. В терминах аэродинамики и термодинамики тяги задача для беспилотного летательного аппарата по существу, та же самая, что и для обычного самолёта. В терминах других аспектов двигателя могут быть существенные различия. Естественно, если летательный аппарат должен быть разрушен по истечению выполнения задания (что касается крылатой ракеты), когда удовлетворяет малая продолжительность жизни (всего нескольких часов), необходимо максимальное снижение цены. Если же самолет несёт на себе дорогостоящее разведочное оборудование, что предполагает неоднократный запуск двигателя и полёт самолёта, необходимо увеличить время жизнеспособности. Некоторые из других требований могут вызвать удивление. Например, беспилотный истребитель, первоначально, не предназначался для управления пилотом в кабине, а весь процесс пилотирования должен был осуществляться дистанционно (необходимые практические навыки, при этом, приобретали при работе с тренажёром). Принимая во внимание тот факт, что для укомплектованного боевого самолёта в мирное время, ошибки дистанционного пилотирования могут привести к тяжёлым последствиям, использование подобных типов аппаратов отложили. Поэтому, двигатели беспилотных самолётов должны поддерживать способность запуска и вылета (то есть нормальную работоспособность), не теряя своих качеств во времени.

Резюме темы 13

Самолёт-истребитель стал предметом изучения Тем 13 - 18. В этой теме описаны некоторые особенности этого класса самолётов и произведены его сравнения с другими типами боевых летательных аппаратов. Истребитель предполагает маневренность, чему будет посвящена Тема 14, что делает его способным совершать быстрые повороты при высокой величине тяги, без потери скорости и высоты совершения полёта. Самолёт-истребитель, поэтому, должен иметь высокое отношение тяги к весу, что справедливо и для показателей двигателей, устанавливаемых на него.

Тема 14

Подъемная сила, лобовое сопротивление и эффекты маневрирования