Сверхзвуковые самолеты

Многообразие использованных решений привело к тому, что многие проблемы, связанные с полетами на больших сверхзвуковых скоростях, были всесторонне изучены и решены. Однако встретились новые проблемы, значительно более сложные, нежели звуковой барьер. Они вызваны нагревом конструкции летательного аппарата при полете с большой скоростью в плотных слоях атмосферы. Это новое препятствие в свое время назвали тепловым барьером. В отличие от звукового новый барьер нельзя охарактеризовать постоянной, подобной скорости звука, поскольку он зависит как от параметров полета (скорости и высоты) и конструкции планера (конструктивных решений и использованных материалов), так и от оборудования самолета (системы кондиционирования, охлаждения и т.п.). Таким образом, в понятие «тепловой барьер» входит не только проблема опасного нагрева конструкции, но также такие вопросы, как теплообмен, прочностные свойства материалов, принципы конструирования, кондиционирование воздуха и т.п.

Нагрев самолета в полете происходит главным образом по двум причинам: от аэродинамического торможения воздушного потока и от тепловыделения двигательной установки. Оба эти явления составляют процесс взаимодействия между средой (воздухом, выхлопными газами) и обтекаемым твердым телом (самолетом, двигателем). Второе явление типично для всех самолетов, и связано оно с повышением температуры элементов конструкции двигателя, воспринимающих тепло от воздуха, сжатого в компрессоре, а также от продуктов сгорания в камере и выхлопной трубе. При полете с большими скоростями внутренний нагрев самолета происходит также и от воздуха, тормозящегося в воздушном канале перед компрессором. При полете на малых скоростях воздух, проходящий через двигатель, имеет относительно низкую температуру, вследствие чего опасный нагрев элементов конструкции планера не происходит. При больших скоростях полета ограничение нагрева конструкции планера от горячих элементов двигателя обеспечивается посредством дополнительного охлаждения воздухом низкой температуры. Обычно используется воздух, отводимый от воздухозаборника с помощью направляющей, отделяющей пограничный слой, а также воздух, захватываемый из атмосферы с помощью дополнительных заборников, размещенных на поверхности гондолы двигателя. В двух- контурных двигателях для охлаждения используется также воздух внешнего (холодного) контура.

Таким образом, уровень теплового барьера для сверхзвуковых самолетов определяется внешним аэродинамическим нагревом. Интенсивность нагрева поверхности, обтекаемой потоком воздуха, зависит от скорости полета. При малых скоростях этот нагрев так незначителен, что повышение температуры может не приниматься во внимание. При большой скорости воздушный поток обладает высокой кинетической энергией, в связи с чем повышение температуры может быть значительным. Касается это равным образом и температуры внутри самолета, поскольку высокоскоростной поток, заторможенный в воздухозаборнике и сжатый в компрессоре двигателя, приобретает настолько высокую температуру, что оказывается не в состоянии отводить тепло от горячих частей двигателя.

Рост температуры обшивки самолета в результате аэродинамического нагрева вызывается вязкостью воздуха, обтекающего самолет, а также его сжатием на лобовых поверхностях. Вследствие потери скорости частицами воздуха в пограничном слое в результате вязкостного трения происходит повышение температуры всей обтекаемой поверхности самолета. В результате сжатия воздуха температура растет, правда, лишь локально (этому подвержены главным образом носовая часть фюзеляжа, лобовое стекло кабины экипажа, а особенно передние кромки крыла и оперения), но зато чаще достигает значений, небезопасных для конструкции. В этом случае в некоторых местах происходит почти прямое соударение потока воздуха с поверхностью и полное динамическое торможение. В соответствии с принципом сохранения энергии вся кинетическая энергия потока при этом преобразуется в тепловую и в энергию давления. Соответствующее повышение температуры прямо пропорционально квадрату скорости потока до торможения (или, без учета ветра – квадрату скорости самолета) и обратно пропорционально высоте полета.

Теоретически, если обтекание имеет установившийся характер, погода безветренна и безоблачна и не происходит переноса тепла посредством излучения, то тепло не проникает внутрь конструкции, а температура обшивки близка к так называемой температуре адиабатического торможения. Зависимость ее от числа Маха (скорости и высоты полета) приведена в табл. 4.

В действительных условиях повышение температуры обшивки самолета от аэродинамического нагрева, т. е. разница между температурой торможения и температурой окружения, получается несколько меньшей ввиду теплообмена со средой (посредством излучения), соседними элементами конструкции и т. п. Кроме того, полное торможение потока происходит лишь в так называемых критических точках, расположенных на выступающих частях самолета, а приток тепла к обшивке зависит также от характера пограничного слоя воздуха (он более интенсивен для турбулентного пограничного слоя). Значительное снижение температуры происходит также при полетах сквозь облака, особенно когда они содержат переохлажденные капли воды и кристаллики льда. Для таких условий полета принимается, что снижение температуры обшивки в критической точке по сравнению с теоретической температурой торможения может достичь даже 20-40%.

Тем не менее общий нагрев самолета в полете со сверхзвуковыми скоростями (особенно на малой высоте) иногда так высок, что повышение температуры отдельных элементов планера и оборудования приводит либо к их разрушению, либо, как минимум, к необходимости изменения режима полета. Например, при исследованиях самолета ХВ-70А в полетах на высотах более 21 ООО м со скоростью М = 3 температура входных кромок воздухозаборника и передних кромок крыла составляла 580-605 К, а остальной части обшивки 470-500 К.Последствия повышения температуры элементов конструкции самолета до таких больших значений можно оценить в полной мере, если учесть тот факт, что уже при температурах около 370 К размягчается органическое стекло, повсеместно употребляемое для остекления кабин, кипит топливо, а обычный клей теряет прочность. При 400 К значительно снижается прочность дюралюминия, при 500 К происходит химическое разложение рабочей жидкости в гидросистеме и разрушение уплотнений, при 800 К теряют необходимые механические свойства титановые сплавы, при температуре выше 900 К плавятся алюминий и магний, а сталь размягчается. Повышение температуры приводит также к разрушению покрытий, из которых анодирование и хромирование могут использоваться до 570 К, никелирование-до 650 К, а серебрение-до 720 К.

После появления этого нового препятствия в увеличении скорости полета начались исследования с целью исключить либо смягчить его последствия. Способы защиты самолета от эффектов аэродинамического нагрева определяются факторами, препятствующими росту температуры. Кроме высоты полета и атмосферных условий, существенное влияние на степень нагрева самолета оказывают:

– коэффициент теплопроводности материала обшивки;

– величина поверхности (особенно лобовой) самолета; -время полета.

Отсюда следует, что простейшими способами уменьшения нагрева конструкции являются увеличение высоты полета и ограничение до минимума его продолжительности. Эти способы использовались в первых сверхзвуковых самолетах (особенно в экспериментальных). Благодаря довольно высокой теплопроводности и теплоемкости материалов, употребляемых для изготовления теплонапряженных элементов конструкции самолета, от момента достижения самолетом высокой скорости до момента разогрева отдельных элементов конструкции до расчетной температуры критической точки проходит обычно достаточно большое время. В полетах, продолжающихся несколько минут (даже на небольших высотах), разрушающие температуры не достигаются. Полет на больших высотах происходит в условиях низкой температуры (около 250 К) и малой плотности воздуха. Вследствие этого количество тепла, отдаваемого потоком поверхностям самолета, невелико, а теплообмен протекает дольше, что значительно смягчает остроту проблемы. Аналогичный результат дает ограничение скорости самолета на малых высотах. Например, во время полета над землей со скоростью 1600 км/ч прочность дюралюминия снижается только на 2%, а увеличение скорости до 2400 км/ч приводит к снижению его прочности на величину до 75% в сравнении с первоначальным значением.