Сверхзвуковой самолет - Supersonic aircraft

Взаимодействие ударных волн от двух сверхзвуковых самолетов, впервые сфотографированных НАСА методом Шлирена в 2019 году.

Сверхзвуковых самолетов является самолет способен сверхзвукового полета , что самолет сможет летать быстрее скорости звука ( числа Маха 1). Сверхзвуковые самолеты были разработаны во второй половине ХХ века. Сверхзвуковые самолеты использовались в исследовательских и военных целях, но только два сверхзвуковых самолета, Туполев Ту-144 (первый полет 31 декабря 1968 года) и Конкорд (первый полет 2 марта 1969 года), когда-либо поступили на вооружение для гражданского использования. как авиалайнеры . Истребители - наиболее распространенный образец сверхзвуковой авиации.

Аэродинамика сверхзвукового полета называется сжимаемым потоком из-за сжатия, связанного с ударными волнами или « звуковым ударом », создаваемым любым объектом, движущимся быстрее звука.

Самолеты, летящие со скоростью выше 5 Махов, часто называют гиперзвуковыми .

История

Первым самолетом, который летал на сверхзвуковом уровне в горизонтальном полете, был американский экспериментальный самолет Bell X-1, оснащенный ракетой с тягой 6000 фунтов, работающей на жидком кислороде и этиловом спирте. Большинство сверхзвуковых самолетов были военными или экспериментальными.

Авиационные исследования во время Второй мировой войны привели к созданию первых самолетов с ракетными и реактивными двигателями. Впоследствии появилось несколько заявлений о преодолении звукового барьера во время войны. Однако первый признанный полет с превышением скорости звука пилотируемым самолетом в управляемом горизонтальном полете был выполнен 14 октября 1947 года экспериментальным исследовательским ракетным самолетом Bell X-1, пилотируемым Чарльзом «Чаком» Йегером . Первым серийным самолетом, преодолевшим звуковой барьер, стал F-86 Canadair Sabre с первой «сверхзвуковой» женщиной-пилотом Жаклин Кокран за штурвалом. По словам Дэвида Мастерс, прототип DFS 346, захваченный в Германии Советским Союзом, после того, как был выпущен с B-29 на высоте 32800 футов (10000 м), в конце 1945 года достиг скорости 1100 км / ч, что должно было превышать число Махов в час. 1 на такой высоте. Пилотом этих полетов был немец Вольфганг Цизе.

21 августа 1961 года Douglas DC-8-43 (регистрационный N9604Z) превысил скорость 1 Мах в управляемом пикировании во время испытательного полета на базе ВВС Эдвардс. В состав экипажа входили Уильям Магрудер (пилот), Пол Паттен (второй пилот), Джозеф Томич (бортинженер) и Ричард Х. Эдвардс (инженер-испытатель). Это был первый сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера, кроме « Конкорда» и Ту-144 .

В 1960-х и 1970-х годах было проведено множество исследований по проектированию сверхзвуковых авиалайнеров, и в конечном итоге на вооружение поступили два типа: советский Туполев Ту-144 (1968 г.) и англо-французский « Конкорд» (1969 г.). Однако политические, экологические и экономические препятствия и одна катастрофа со смертельным исходом не позволили использовать Concorde в полной мере их коммерческий потенциал.

Принципы дизайна

Сверхзвуковой полет сопряжен с существенными техническими проблемами, поскольку аэродинамика сверхзвукового полета резко отличается от аэродинамики дозвукового полета (то есть полета со скоростью ниже скорости звука). В частности, аэродинамическое сопротивление резко возрастает по мере прохождения самолетом околозвукового режима, что требует гораздо большей мощности двигателя и более обтекаемых корпусов самолетов.

Крылья

Чтобы сохранить низкое сопротивление, необходимо ограничить размах крыльев, что также снижает аэродинамическую эффективность при медленном полете. Поскольку сверхзвуковой самолет должен взлетать и приземляться на относительно низкой скорости, его аэродинамическая конструкция должна быть компромиссом между требованиями для обоих концов диапазона скоростей.

Одним из подходов к решению этого компромисса является использование крыла с изменяемой геометрией , широко известного как «качающееся крыло», которое широко распределяется для полета на малых скоростях, а затем резко разворачивается, обычно назад, для полета на сверхзвуке. Однако раскачивание влияет на продольный дифферент самолета, а механизм поворота увеличивает вес и стоимость. Использование треугольного крыла , например, используемых на Aerospatiale-BAC Concorde, создает вихрь, который возбуждает поток на верхней поверхности крыла на высоких скоростях и углах атаки, задерживая отрыв потока и давая самолету очень большой угол сваливания. . Это также решает проблему сжимаемости жидкости на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Однако это, конечно, неэффективно на более низких скоростях из-за требования большого угла атаки и, следовательно, использования закрылков .

Обогрев

Другая проблема - это тепло, выделяемое трением при обтекании самолета воздухом. В большинстве дозвуковых конструкций используются алюминиевые сплавы, такие как дюралюминий , которые дешевы и просты в эксплуатации, но быстро теряют свою прочность при высоких температурах. Это ограничивает максимальную скорость примерно до 2,2 Маха.

Большинство сверхзвуковых самолетов, включая многие военные истребители , рассчитаны на то, чтобы проводить большую часть своего полета на дозвуковых скоростях и только на кратковременное превышение скорости звука, например, при перехвате вражеского самолета. Меньшее количество, такое как разведывательный самолет Lockheed SR-71 Blackbird и сверхзвуковой авиалайнер Concorde, были разработаны для непрерывного крейсерского полета на скоростях, превышающих скорость звука, и с этими конструкциями проблемы сверхзвукового полета становятся более серьезными.

Двигатели

Некоторые ранние сверхзвуковые самолеты, включая первый, полагались на ракетную мощность для обеспечения необходимой тяги, хотя ракеты сжигают много топлива и поэтому время полета было коротким. Ранние турбореактивные двигатели были более экономичными, но не имели достаточной тяги, а некоторые экспериментальные самолеты были оснащены как турбореактивным двигателем для полета на малых скоростях, так и ракетным двигателем для полета на сверхзвуковых скоростях. Изобретение форсажной камеры , в которой дополнительное топливо сжигается в выхлопе реактивного двигателя, сделало эти смешанные типы силовых установок устаревшими. Турбовентиляторный двигатель проходит дополнительный холодный воздух вокруг сердечника двигателя, дальнейшее повышение его эффективности топлива и сверхзвуковые самолеты сегодня питается от турбовентиляторных , оснащенных дожигателей.

В сверхзвуковых самолетах обычно используются турбовентиляторные двигатели с малым байпасом, поскольку они имеют приемлемый КПД как ниже скорости звука, так и выше; или, если требуется суперкруиз, могут быть желательны турбореактивные двигатели, поскольку они дают меньшее сопротивление гондоле на сверхзвуковых скоростях. Двигатели Pratt & Whitney J58 на Lockheed SR-71 Blackbird работали двумя способами, взлетая и приземляясь как турбореактивные двигатели без байпаса, но передавая часть компрессорного воздуха на форсажную камеру на более высоких скоростях. Это позволяло Blackbird летать со скоростью более 3 Маха, быстрее, чем любой другой серийный самолет. Нагревательный эффект трения воздуха на этих скоростях означал, что необходимо было разработать специальное топливо, которое не разрушалось бы под воздействием тепла и не забивало бы топливопроводы на пути к горелке.

Еще одна высокоскоростная силовая установка - прямоточный воздушно-реактивный двигатель . Это должно происходить довольно быстро, прежде чем оно вообще сработает.

Сверхзвуковой полет

Сверхзвуковая аэродинамика проще, чем дозвуковая аэродинамика, потому что воздушные листы в разных точках по плоскости часто не могут влиять друг на друга. Сверхзвуковым реактивным самолетам и ракетным кораблям требуется в несколько раз большая тяга, чтобы преодолевать дополнительное аэродинамическое сопротивление в околозвуковой области (около 0,85–1,2 Маха). На этих скоростях аэрокосмические инженеры могут мягко направлять воздух вокруг фюзеляжа самолета, не создавая новых ударных волн , но любое изменение поперечной площади ниже по транспортному средству приводит к возникновению ударных волн вдоль корпуса. Дизайнеры используют правило сверхзвуковой площади и правило площади Уиткомба, чтобы минимизировать резкие изменения размера.

Источник звука преодолел барьер скорости звука и движется со скоростью, в 1,4 раза превышающей скорость звука, c (1,4 Маха). Поскольку источник движется быстрее, чем создаваемые им звуковые волны, он фактически опережает продвигающийся волновой фронт. Источник звука пройдет мимо неподвижного наблюдателя до того, как наблюдатель действительно услышит создаваемый им звук.
Коническая ударная волна с зоной контакта с землей в форме гиперболы, выделенной желтым цветом.

Однако в практических приложениях сверхзвуковой самолет должен стабильно работать как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом профиле, поэтому аэродинамический дизайн более сложен.

Одной из проблем при длительном сверхзвуковом полете является выделение тепла во время полета. На высоких скоростях может происходить аэродинамический нагрев , поэтому самолет должен быть спроектирован для работы и работы при очень высоких температурах. Дюралюминий , материал, традиционно используемый в авиастроении, начинает терять прочность и деформироваться при относительно низких температурах и непригоден для непрерывного использования при скоростях выше 2,2–2,4 Маха. Такие материалы, как титан и нержавеющая сталь, позволяют работать при гораздо более высоких температурах. Например, реактивный самолет Lockheed SR-71 Blackbird может непрерывно летать со скоростью 3,1 Маха, что может привести к тому, что температура в некоторых частях самолета может превысить 315 ° C (600 ° F).

Еще одна область, вызывающая беспокойство при устойчивом высокоскоростном полете, - это работа двигателя. Реактивные двигатели создают тягу за счет повышения температуры всасываемого воздуха, и по мере того, как самолет набирает скорость, процесс сжатия на впуске вызывает повышение температуры до того, как она достигнет двигателей. Максимально допустимая температура выхлопных газов определяется материалами турбины в задней части двигателя, поэтому по мере увеличения скорости самолета разница во впускных и выхлопных температурах, которую двигатель может создать за счет сжигания топлива, уменьшается, как и тяга. Более высокую тягу, необходимую для сверхзвуковых скоростей, приходилось восстанавливать за счет сжигания дополнительного топлива в выхлопе.

Дизайн воздухозаборника также был серьезной проблемой. Необходимо рекуперировать как можно больше доступной энергии поступающего воздуха, что называется рекуперацией на впуске, с использованием ударных волн в процессе сверхзвукового сжатия на впуске. На сверхзвуковых скоростях воздухозаборник должен обеспечивать замедление скорости воздуха без чрезмерной потери давления. Он должен использовать правильный тип ударных волн , косые / плоские, чтобы расчетная скорость самолета сжимала и замедляла воздух до дозвуковой скорости, прежде чем он достигнет двигателя. Ударные волны размещаются с помощью аппарели или конуса, который может потребоваться регулировка в зависимости от компромисса между сложностью и требуемыми характеристиками самолета.

Самолет, способный работать в течение продолжительных периодов времени на сверхзвуковых скоростях, имеет потенциальное преимущество по дальности по сравнению с аналогичной конструкцией, работающей на дозвуковых частотах . Большая часть сопротивления, которое самолет видит при ускорении до сверхзвуковой скорости, происходит чуть ниже скорости звука из-за аэродинамического эффекта, известного как волновое сопротивление . Самолет, который может разогнаться выше этой скорости, значительно снижает сопротивление и может летать на сверхзвуковой скорости с улучшенной экономией топлива. Однако из-за того, что подъемная сила создается сверхзвуковой, отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению самолета в целом падает, что приводит к уменьшению дальности полета, компенсируя или опрокидывая это преимущество.

Ключом к низкому сверхзвуковому сопротивлению является правильная форма самолета в целом, чтобы он был длинным и тонким и приближался к «идеальной» форме, как корпус фон Кармана или Сирс-Хаака . Это привело к тому, что почти каждый сверхзвуковой крейсерский самолет выглядел очень похожим на все остальные, с очень длинным и тонким фюзеляжем и большими треугольными крыльями, ср. SR-71 , Concorde и т. Д. Хотя эта форма не идеальна для пассажирских самолетов, она вполне пригодна для использования на бомбардировщиках.

Трансзвуковой полет

Трансзвуковые картины обтекания на аэродинамическом профиле, показывающие картины обтекания при критическом числе Маха и выше

Воздушный поток может ускоряться или замедляться локально в разных точках над самолетом. В области около 1 Маха в некоторых областях может наблюдаться сверхзвуковой поток, в то время как другие - дозвуковые. Этот режим называется околозвуковым полетом. При изменении скорости самолета будут формироваться или перемещаться волны давления. Это может повлиять на дифферент, устойчивость и управляемость самолета, и конструктор должен обеспечить учет этих эффектов на всех скоростях.

Гиперзвуковой полет

Полет со скоростью выше примерно 5 Махов часто называют гиперзвуковой. В этом регионе проблемы лобового сопротивления и нагрева стоят еще более остро. Трудно сделать материалы, которые могут выдерживать силы и температуры, создаваемые сопротивлением воздуха на этих скоростях, а гиперзвуковой полет в течение значительного промежутка времени еще не достигнут.

ударная волна

Источник звука движется со скоростью в 1,4 раза превышающей скорость звука (1,4 Маха). Поскольку источник движется быстрее, чем создаваемые им звуковые волны, он опережает продвигающийся волновой фронт.
Звуковой удар, производимый летательным аппаратом, движущимся с М = 2,92, рассчитанным из угла конуса 20 градусов. Наблюдатель ничего не слышит, пока ударная волна на краях конуса не пересечет их местоположение.
Угол конуса Маха
Данные НАСА, показывающие сигнатуру N-волны.

Звуковой удар - это звук, связанный с ударными волнами, создаваемыми всякий раз, когда объект, движущийся по воздуху, движется со скоростью, превышающей скорость звука . Звуковые удары генерируют значительное количество звуковой энергии, звучащее для человеческого уха подобно взрыву или удару грома . Трещина сверхзвуковой пули, пролетающей над головой, или трещина кнута - примеры звукового удара в миниатюре.

Звуковые удары, создаваемые большим сверхзвуковым самолетом, могут быть особенно громкими и пугающими, могут разбудить людей и могут вызвать незначительные повреждения некоторых конструкций. Они привели к запрету обычных сверхзвуковых полетов над сушей. Хотя их нельзя полностью предотвратить, исследования показывают, что при тщательном формировании транспортного средства неудобства, связанные с ними, могут быть уменьшены до такой степени, что сверхзвуковой полет над сушей может стать практическим вариантом.

Суперкруиз

Суперкруиз - это устойчивый сверхзвуковой полет сверхзвукового самолета с полезной нагрузкой на груз, пассажиров или вооружение, выполняемый эффективно, что обычно исключает использование крайне неэффективных форсажных камер или «повторного нагрева». Многие хорошо известные сверхзвуковые военные самолеты, не способные к суперкруизу, могут поддерживать полет со скоростью более 1 Маха короткими очередями, обычно с форсажной камерой. Такие самолеты, как SR-71 Blackbird , предназначены для крейсерского полета на сверхзвуковой скорости с включенными форсажными камерами.

Одним из самых известных примеров самолета, способного к суперкруизу, был Concorde . Благодаря долгой эксплуатации коммерческого авиалайнера Concorde является рекордсменом по количеству времени, проведенному в суперкруизе; больше, чем все остальные самолеты вместе взятые.

Сверхзвуковой транспорт

Фюзеляж Concorde имел чрезвычайно высокую тонкость .

Сверхзвуковой транспорт (SST) является гражданской самолет , предназначенный для перевозки пассажиров со скоростью большей , чем скорость звука . Единственными сверхзвуковыми гражданскими самолетами, которые обслуживались, были Туполев Ту-144 советского производства, который впервые поднялся в воздух в 1968 году и последний раз перевозил пассажиров в 1978 году, а в 1997 году НАСА сняло его с эксплуатации; и франко-британский Concorde , который впервые поднялся в воздух в 1969 году и оставался в эксплуатации до 2003 года. С 2003 года на вооружении не было сверхзвуковых гражданских самолетов.

Ключевой особенностью этих конструкций является способность поддерживать сверхзвуковой крейсерский полет в течение длительных периодов времени, поэтому низкое лобовое сопротивление необходимо для ограничения расхода топлива до практического и экономичного уровня. Как следствие, эти планеры имеют очень обтекаемую форму, а крылья имеют очень короткий размах. Требование низких скоростей при взлете и посадке выполняется за счет использования вихревой подъемной силы : когда самолет замедляется, подъемную силу необходимо восстанавливать, поднимая носовую часть, чтобы увеличить угол атаки крыла. Резко изогнутая передняя кромка заставляет воздух закручиваться, когда он обтекает крыло, локально ускоряя воздушный поток и поддерживая подъемную силу.

Другие проекты SST включали:

Сверхзвуковой бизнес-джет

Модель Aerion SBJ

Сверхзвуковые бизнес-джеты (SSBJ) - это предлагаемый класс малых сверхзвуковых самолетов. Никто еще не летал.

SSBJ, предназначенные для перевозки примерно десяти пассажиров, примерно такого же размера, как и традиционные дозвуковые бизнес-джеты.

Проекты как для крупногабаритных, так и для бизнес- джетов ( см. Ниже ) пассажирских сверхзвуковых и гиперзвуковых авиалайнеров ( Aerion SBJ , Spike S-512 , HyperMach SonicStar , Next Generation Supersonic Transport , Tupolev Tu-444 , Gulfstream X-54 , LAPCAT , Reaction Engines LAPCAT A2 , Zero Emission Hyper Sonic Transport , SpaceLiner и т. Д.) Были предложены и сейчас находятся в стадии разработки.

Сверхзвуковые стратегические бомбардировщики

Convair B-58A Hustler
XB-70 Валькирия
Туполев Ту-22М3
B-1B Lancer
Туполев Ту-160

Стратегический бомбардировщик должен нести большую нагрузку бомбы на большие расстояния. Следовательно, это большой самолет с массой пустого, превышающей 25 000 кг. Некоторые из них также были разработаны для выполнения связанных задач, таких как стратегическая разведка и нанесение ударов по судам.

Обычно самолет будет лететь на дозвуковом режиме большую часть своего полета для экономии топлива, прежде чем разгоняться до сверхзвуковой скорости для бомбардировки.

На вооружение поступило несколько сверхзвуковых стратегических бомбардировщиков. Самый ранний тип, Convair B-58 Hustler , впервые взлетел в 1956 году, а самый последний, Rockwell B-1B Lancer , в 1983 году. Хотя этот и несколько других типов все еще используются сегодня, ни один из них не выпускается.

Типы полета включают:

Сверхзвуковая стратегическая разведка

Некоторые сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как Сухой Т-4 , также могут выполнять роль разведчика (хотя Сухой оставался прототипом).

Локхид SR-71 дрозд был специально разработан для роли, и был крупнее развитие Локхид А-12 самолета - разведчика , который первый полет в 1962 году.

Сверхзвуковой истребитель / штурмовики

Сверхзвуковые истребители и связанные с ними самолеты иногда называют быстрыми реактивными двигателями. Они составляют подавляющее большинство сверхзвуковых самолетов, а некоторые, такие как МиГ-21 Микояна-Гуревича , Lockheed F-104 Starfighter и Dassault Mirage III , производятся в больших количествах.

Многие военные сверхзвуковые истребители и аналогичные самолеты четвертого и пятого поколений разрабатываются в нескольких странах, включая Россию, Китай, Японию, Южную Корею, Индию, Иран и США.

Соединенные Штаты

Советский Союз / Россия

Швеция

Объединенное Королевство

Франция

Китай

Канада

Индия

Германия

Египет

Франция / Великобритания

Япония

Израиль

Германия / Италия / Великобритания

Южная Африка

Тайвань

Германия / Италия / Испания / Великобритания

Иран

Южная Корея

Пакистан

Сверхзвуковой исследовательский самолет

Смотрите также

использованная литература

Библиография
  • Ганстон, Билл (2008). Быстрее звука: история сверхзвукового полета . Сомерсет, Великобритания: Haynes Publishing. ISBN 978-1-84425-564-1.
Примечания