1.2.4.6. Ла сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей полета

Развитие авиации (особенно военной) идет по пути увеличения скорости полета, в том числе до сверхзвуковой. Для определения скорости полета, превышающей скорость звука обычно используют безразмерную величину – число Маха или просто число М. Число М показывает, во сколько раз скорость полета V превышает скорость звука а в воздухе М = V/a. Очевидно, что при сверхзвуковом полете М > 1, при дозвуковом – М < 1. Так как скорость звука а зависит от параметров воздуха, она будет иметь различную величину на разных высотах полета, следовательно, скорость полета относительно поверхности земли V при одном и том же значении числа М на разных высотах будет различной.

Работая над созданием сверхзвуковых самолетов, летающих со скоростями, превышающими скорость звука, конструкторы столкнулись с серьезными трудностями. Сверхзвуковой поток воздуха, обтекающий самолет, имеет свойства, качественно отличающиеся от свойств дозвукового потока. Известно, что звуковая волна, являясь волной сжатия-расширения воздуха, возникает при любом движении твердых тел в воздухе. Если самолет летит с дозвуковыми скоростями, то звуковая волна его обгоняет, создавая впереди некоторое разряжение воздуха, при этом уменьшается аэродинамическое сопротивление движению самолета. При переходе на сверхзвуковую скорость полета самолет сталкивается с неподготовленной окружающей средой, что вызывает скачкообразный рост аэродинамического сопротивления, для преодоления которого необходимо скачкообразно увеличить тягу двигателя, а так же интенсивный нагрев конструкции ЛА. Так как сверхзвуковой поток, в отличие от дозвукового, невозможно затормозить плавно, то при его торможении на выступающих частях планера самолета образуются скачки уплотнения, вызывающие рост волнового сопротивления и уменьшающие полную энергию воздуха, поступающего в двигатель самолета.

Для уменьшения влияния перечисленных выше негативных факторов сверхзвуковые самолеты, по сравнению с дозвуковыми, имеют следующие особенности конструкции (рис. 1.66):

– стреловидное или треугольное крыло малой площади и удлинения;

– обтекаемые формы с минимальной площадью сечения миделя;

– заостренные передние кромки крыла и оперения, заостренная носовая часть фюзеляжа;

– тонкие профили крыла и оперения;

– регулируемый воздухозаборник двигателя;

– титановую и стальную обшивку (при числах M >2);

– турбореактивные двигатели с форсажной камерой или очень высокими параметрами рабочего процесса.

Т

Рис. 1.66. Особенности конструкции сверхзвуковых самолетов

урбореактивные двигатели с форсажной камерой при числах М полета около 3 – «вырождаются», то есть их избыточная тяга становится равной нулю и они уже не могут разгонять самолет до бóльших скоростей.

При полете с гиперзвуковыми скоростями наблюдается очень интенсивный рост температуры (больше 1000^о С) при торможении воздушного потока на элементах конструкции планера самолета. Так же при гиперзвуковом обтекании тел возникают мощные ударные волны и большая завихренность течения. Особенности течения газа с гиперзвуковыми скоростями начинают заметно проявляться при достаточно больших, но различных для тел разной формы, значениях числа М. Поэтому граница, отделяющая сверхзвуковое течение от гиперзвукового – весьма условна. Для самолетов принято считать гиперзвуковыми – скорости полета c числами М в диапазоне 4 < М < 10 – 15.

По назначению гиперзвуковые самолеты могут быть транспортными (перевозка пассажиров и грузов на дальние расстояния), военными, а так же самолетами -разгонщиками 1 многоразовых воздушно-космических летательных аппаратов (МВКЛА) 2 (рис. 1.67).

При аэродинамическом проектировании гиперзвуковых самолетов необходимо удовлетворить широкому комплексу требований не только к его аэродинамическим, но и к тепловым характеристикам. Аэродинамическая схема гиперзвукового самолета должна обеспечивать высокие аэродинамические характеристики прежде всего на гиперзвуковых скоростях полета, то есть, иметь несущий фюзеляж интегрированный с силовой установкой, крыло малого удлинения и большой стреловидности (см. рис. 1.67). Силовая уст

Рис. 1.67. МВКЛА с гиперзвуковым

разгонщиком

ановка должна быть комбинированной, то есть включать в общем случае несколько типов двигателей в различных комбинациях в зависимости от типа гиперзвукового самолета. Например, на легких гиперзвуковых самолетах, стартующих с самолетов -разгонщиков, достаточно иметь гиперзвуковой прямоточный двигатель (ГПВРД), в то время как тяжелые гиперзвуковые самолеты осуществляющие взлет с земли, должны иметь турбопрямоточные двигатели для полета в диапазоне скоростей 0 < M < 4 и ГПВРД для полета с числами М > 4. В качестве топлива для ГПВРД, как правило, рассматривается жидкий водород.

В зависимости от сочетания максимальной степени аэродинамического нагрева и его продолжительности конструкция гиперзвукового самолета, выполненная из жаропрочной стали, может быть теплоизолированной (неохлаждаемой или горячей), активно охлаждаемой или их комбинацией. Важно обеспечить приемлемый вес конструкции при высокой надежности и технологичности.