Waverider является гиперзвуковым самолетом дизайном , который улучшает его сверхзвуковое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению с помощью ударных волн , генерируемого его собственного полета в качестве несущей поверхности, явление , известного как лифт сжатия .
Вейверидер остается хорошо проработанной конструкцией для высокоскоростных самолетов в гиперзвуковом режиме со скоростью 5 Маха и выше, хотя такая конструкция еще не запущена в производство. Boeing X-51 ГПВРД демонстрационный самолет был протестирован с 2010 по 2013 г. В своем заключительном испытательном полете, он достиг скорости Mach 5.1 (5,400 км / ч; 3,400 миль в час). [1] [2]
История [ править ]
Ранние работы [ править ]
 | Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . ( Август 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Концепция дизайна вейверайдера была впервые разработана Теренсом Нонвейлером из Королевского университета Белфаста и впервые описана в печати в 1951 году как возвращающийся автомобиль. [3] Он состоял из платформы с треугольным крылом с низкой нагрузкой на крыло, чтобы обеспечить значительную площадь поверхности для сброса тепла при входе в атмосферу. В то время Нонвейлер был вынужден использовать значительно упрощенную 2D-модель воздушного потока вокруг самолета, которая, как он понимал, не будет точной из-за размаха.поток через крыло. Однако он также заметил, что поток по размаху будет остановлен ударной волной, создаваемой самолетом, и что если крыло было расположено так, чтобы намеренно приближаться к ударной нагрузке, поток по размаху был бы захвачен под крылом, увеличивая давление и, таким образом, увеличивая подъемную силу .
В 1950-х годах британцы начали космическую программу, основанную на ракете Blue Streak , которая в какой-то момент должна была включать пилотируемый аппарат. Компания Armstrong-Whitworth получила контракт на разработку аппарата для возвращения в атмосферу, и, в отличие от космической программы США, они решили использовать крылатый аппарат вместо баллистической капсулы . Между 1957 и 1959 годами они наняли Нонвейлера для дальнейшей разработки его концепций. Эта работа произвела пирамиду-образная конструкция с плоским днищем и короткими крыльями. Тепло передавалось через крылья к верхним прохладным поверхностям, где оно сбрасывалось в турбулентный воздух в верхней части крыла. В 1960 году работы над Blue Streak были отменены, поскольку ракета считалась устаревшей до того, как ее можно было принять на вооружение. Затем работа перешла в Королевский авиастроительный завод (RAE), где продолжилась в рамках исследовательской программы высокоскоростных (от 4 до 7 Маха) гражданских авиалайнеров . [4]
Эта работа была обнаружена инженерами North American Aviation во время ранних исследований конструкции бомбардировщика XB-70 . Они переработали оригинальное "классическое" треугольное крыло, чтобы включить в него опущенные законцовки крыла, чтобы улавливать ударные волны механически, вместо того, чтобы использовать ударный конус, создаваемый передней частью самолета. Этот механизм также имел два других положительных эффекта; он уменьшил количество горизонтальной подъемной поверхности в задней части самолета, что помогло компенсировать дифферент с опусканием носа, который происходит на высоких скоростях, и добавил больше вертикальной поверхности, что помогло улучшить курсовую устойчивость, которая уменьшалась на высокой скорости. [ необходима цитата ]
Крыло каретки [ править ]
В этом разделе не процитировать любые источники . ( Август 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Оригинальная конструкция Nonweiler использовала ударную волну, создаваемую самолетом, как способ управления потоком по размаху и, таким образом, увеличивая количество воздуха, захваченного под крылом, так же, как и ограждение крыла. Работая над этими концепциями, он заметил, что крыло можно было сформировать таким образом, чтобы ударная волна, генерируемая его передней кромкой, образовывала горизонтальный лист под аппаратом. В этом случае воздушный поток будет задерживаться не только по горизонтали и размаху, но и по вертикали. Единственная область, откуда воздух над ударной волной мог уйти, - это задняя часть листа, где заканчивается фюзеляж. Поскольку воздух был зажат между этим листом и фюзеляжем, большой объем воздуха был бы захвачен, намного больше, чем более простой подход, который он впервые разработал. Кроме того, поскольку ударная поверхность удерживалась на некотором расстоянии от корабля, ударный нагрев ограничивался передними кромками крыльев, снижая тепловые нагрузки на фюзеляж.
В 1962 году Нонвейлер перешел в Университет Глазго, где стал профессором аэродинамики и механики жидкостей. В том же году его «Дельта-крылья форм, допускающих точную теорию ударных волн» были опубликованы в Журнале Королевского авиационного общества и принесли ему Золотую медаль этого общества . Корабль, созданный с помощью этой модели, выглядит как треугольное крыло, которое сломано по центру и две стороны сложены вниз. Сзади он выглядит как перевернутая буква V или « каретка » ^, и такие конструкции известны как «крылья каретки». Два-три года спустя концепция на короткое время попала в поле зрения общественности из-за работы авиалайнера в RAE, которая привела к перспективе достижения Австралии.за 90 минут. Газетные статьи привели к появлению на шотландском телевидении . [ необходима цитата ]
В конце 1960-х годов Хокер Сиддели исследовал колеблющийся крыло каретки как часть конструкции трехступенчатой лунной ракеты. Первая ступень была построена на расширенной Blue Steel , вторая - на водном транспорте, а третья - на пилотируемой ступени с ядерной установкой. В 1971 г. эта работа была обобщена для создания двухступенчатого космического корабля многоразового использования. Первая ступень длиной 121 фут (37 м) была спроектирована как классический гидроцикл с воздушной силовой установкой для возврата на стартовую площадку. Верхняя ступень была спроектирована как подъемное тело и должна была нести полезную нагрузку весом 8000 фунтов (3,6 т) на низкую околоземную орбиту . [ необходима цитата ]
Волноводные конусные потоки [ править ]
Работа Nonweiler была основана на исследованиях плоских двумерных сотрясений из-за сложности понимания и предсказания реальных схем сотрясений вокруг трехмерных тел. По мере улучшения изучения гиперзвуковых потоков исследователи смогли изучить конструкции волноводных устройств, в которых использовались различные формы ударных волн, простейшим из которых был конический скачок уплотнения, создаваемый конусом. В этих случаях волновод предназначен для удержания закругленной ударной волны, прикрепленной к его крыльям, а не к плоскому листу, что увеличивает объем воздуха, захваченного под поверхностью, и тем самым увеличивает подъемную силу. [5]
В отличие от крыла каретки, конструкции с конусом плавно изгибают крылья, от почти горизонтального в центре до сильно опущенного в месте удара. Как и крыло каретки, они должны быть спроектированы для работы с определенной скоростью, чтобы правильно прикрепить ударную волну к передней кромке крыла, но, в отличие от них, форма всего тела может резко меняться при разных расчетных скоростях, а иногда и иметь законцовки крыла, которые изогните вверх, чтобы присоединиться к ударной волне. [ необходима цитата ]
Дальнейшее развитие конических секций, добавление козырьков и областей фюзеляжа привело к созданию «вибродвигателя с соприкасающимися конусами», который создает несколько конических ударных волн в разных точках корпуса, смешивая их для создания единой формы удара. Расширение до более широкого диапазона потоков поверхности сжатия позволило сконструировать волновод с контролем объема, [5] формы верхней поверхности, интеграции двигателя и положения центра давления. Улучшение производительности и внепроектный анализ продолжались до 1970 года. [6] [7]
В течение этого периода, по крайней мере, один вейверидер был испытан на ракетном полигоне Вумера , установленном на носовой части запускаемой по воздуху ракеты Blue Steel , а также несколько планеров были испытаны в аэродинамической трубе исследовательского центра Эймса НАСА . Однако в течение 1970-х годов большая часть работ в области гиперзвука исчезла, а вместе с ней и волновод. [ необходима цитата ]
Вязкостные оптимизированные колебания [ править ]
В этом разделе не процитировать любые источники . ( Август 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Одно из многих различий между сверхзвуковым и гиперзвуковым полетом касается взаимодействия пограничного слоя и ударных волн, генерируемых носовой частью самолета. Обычно пограничный слой довольно тонкий по сравнению с линией обтекания крыла воздушным потоком, и его можно рассматривать отдельно от других аэродинамических эффектов. Однако по мере того, как скорость увеличивается и ударная волна все больше приближается к сторонам корабля, наступает момент, когда они начинают взаимодействовать, и поле потока становится очень сложным. Задолго до этого пограничный слой начинает взаимодействовать с воздухом, находящимся между ударной волной и фюзеляжем, воздухом, который используется для подъема на волну.
Расчет эффектов этих взаимодействий был за пределами возможностей аэродинамики до появления полезной вычислительной гидродинамики, начиная с 1980-х годов. В 1981 году Морис Расмуссен из Университета Оклахомы начал возрождение колебаний, опубликовав статью о новой трехмерной форме нижней стороны с использованием этих методов. Эти формы обладают превосходными подъемными характеристиками и меньшим сопротивлением. С тех пор целые семейства конических вибраторов были разработаны с использованием все более и более сложных конических амортизаторов, основанных на более сложном программном обеспечении. Эта работа в конечном итоге привела к конференции в 1989 году, Первой международной конференции по гиперзвуковым волнам , которая проводилась в Университете Мэриленда.
Эти новейшие формы, «оптимизированные для вязкости колебания», похожи на конические конструкции до тех пор, пока угол ударной волны на носу превышает некоторый критический угол, например, около 14 градусов для конструкции со скоростью 6 Маха. Угол удара можно регулировать, расширив носовую часть до изогнутой пластины определенного радиуса, а уменьшение радиуса дает меньший угол конуса ударной волны. Проектирование транспортного средства начинается с выбора заданного угла и затем разработки формы кузова, улавливающей этот угол, а затем повторения этого процесса для разных углов. Для любой заданной скорости одна форма даст наилучшие результаты.
Дизайн [ править ]
Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . ( Август 2012 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
При входе в атмосферу гиперзвуковые аппараты создают подъемную силу только с нижней стороны фюзеляжа . Нижняя часть, которая наклонена к потоку под большим углом атаки , создает подъемную силу в ответ на то, что транспортное средство заклинивает воздушный поток вниз. Подъемная сила не особенно велика по сравнению с традиционным крылом , но более чем достаточна для маневра, учитывая расстояние, которое автомобиль преодолевает.
Большинство транспортных средств для входа в атмосферу были основаны на конструкции с тупым носом, впервые разработанной Теодором фон Карманом . [ необходимая цитата ] Он продемонстрировал, что ударная волна вынуждена "отрываться" от изогнутой поверхности, вытесняется в большую конфигурацию, для формирования которой требуется значительная энергия. Энергия, затрачиваемая на формирование этой ударной волны, больше не выделяется в виде тепла, поэтому такая форма может значительно снизить тепловую нагрузку на космический корабль. Такая конструкция была основой почти для каждой возвращающейся машины с тех пор, как [ необходима цитата ] обнаружена на тупых носах боеголовок ранних межконтинентальных баллистических ракет, днищах различных НАСАкапсулы и большой нос космического корабля .
Проблема с системой с тупым носом заключается в том, что полученная конструкция создает очень небольшую подъемную силу, а это означает, что у транспортного средства есть проблемы с маневрированием во время повторного въезда. Если предполагается, что космический корабль сможет вернуться в точку запуска «по команде», тогда потребуется какое-то маневрирование, чтобы противодействовать тому факту, что Земля поворачивается под космическим кораблем во время полета. После одиночной низкой околоземной орбиты точка запуска будет находиться на расстоянии более 1000 км (600 миль) к востоку от космического корабля к тому времени, когда он завершит один полный оборот. Значительное количество исследований было посвящено комбинируя тупой нос системы с крылами, что приводит к развитию лифтинг тела конструкций в США [ править ]
Именно во время работы над одной из таких конструкций Nonweiler разработал вейверайдер. Он заметил, что отрыв ударной волны от тупых передних кромок крыльев конструкции Армстронга-Уитворта позволит воздуху на днище корабля течь по размаху и уходить в верхнюю часть крыла через зазор между крыльями. передняя кромка и оторвавшаяся ударная волна. Эта потеря воздушного потока уменьшила (до четверти) подъемную силу, создаваемую вибратором, что привело к исследованиям о том, как избежать этой проблемы и удержать поток под крылом.
Конструкция Nonweiler представляет собой треугольное крыло с некоторым количеством отрицательного двугранного угла - крылья изогнуты вниз от фюзеляжа к законцовкам. Если смотреть спереди, крыло в поперечном сечении напоминает символ каретки ( ) , и эти конструкции часто называют каретками. Более современная трехмерная версия обычно выглядит как закругленная буква «М». Теоретически звездообразный [ необходимо пояснение ] волновод с фронтальным поперечным сечением «+» или «×» мог бы уменьшить сопротивление еще на 20%. Недостатком этой конструкции является то, что она имеет большую площадь контакта с ударной волной и, следовательно, имеет более выраженный отвод тепла. проблемы.
Вейверидеры обычно имеют острые носы и острые передние кромки крыльев. Нижняя ударная поверхность остается прикрепленной к нему. Воздух, проходящий через ударную поверхность, застревает между амортизатором и фюзеляжем и может выйти только через заднюю часть фюзеляжа. С острыми краями сохраняется весь подъем.
Несмотря на то, что острые края становятся намного горячее, чем закругленные при той же плотности воздуха, улучшенная подъемная сила означает, что водолазы могут скользить при входе на гораздо больших высотах, где плотность воздуха ниже. Список, ранжирующий различные космические аппараты в порядке нагрева, применяемого к планеру, будет иметь капсулы вверху (быстро возвращающиеся при очень высоких тепловых нагрузках), колеблющиеся внизу (чрезвычайно длинные профили планирования на большой высоте) и космический шаттл. где-то посередине.
У простых вейверайдеров есть существенные проблемы с дизайном. Во-первых, очевидные конструкции работают только при определенном числе Маха , и величина захваченной подъемной силы будет резко меняться при изменении скорости транспортного средства. Другая проблема заключается в том, что водолаз зависит от радиационного охлаждения , возможного до тех пор, пока транспортное средство проводит большую часть времени на очень больших высотах. Однако эти высоты также требуют очень большого крыла для создания необходимой подъемной силы в разреженном воздухе, и это же крыло может стать довольно громоздким на меньших высотах и скоростях.
Из-за этих проблем вейверидеры не получили одобрения практических аэродинамических конструкторов, несмотря на то, что они могли бы сделать гиперзвуковые транспортные средства дальнего радиуса действия достаточно эффективными для перевозки грузов по воздуху .
Некоторые исследователи [ кто? ] Спорно [ править ] утверждают , что есть проекты , которые преодолевают эти проблемы. Одним из кандидатов на роль многоскоростного гидроцикла является « крыло каретки », работающее под разными углами атаки. Каретное крыло - это треугольное крыло с продольными коническими или треугольными прорезями или перемычками . Он сильно напоминает бумажный самолетик или крыло рогалло.. Правильный угол атаки будет становиться все более точным при более высоких числах Маха, но это проблема управления, которая теоретически разрешима. Говорят, что крыло будет работать даже лучше, если его можно будет сконструировать из плотной сетки, потому что это снижает его сопротивление при сохранении подъемной силы. Считается, что такие крылья обладают необычным свойством работать в широком диапазоне чисел Маха в различных жидкостях с широким диапазоном чисел Рейнольдса .
Температурную проблему можно решить с помощью некоторого сочетания прозрачной поверхности, экзотических материалов и, возможно, тепловых трубок . На просвечивающей поверхности небольшие количества охлаждающей жидкости, такой как вода, прокачиваются через небольшие отверстия в коже самолета (см. Испарение и потоотделение ). Эта конструкция работает для экранов входа космических аппаратов со скоростью 25 Маха , и поэтому должна работать для любого самолета, который может нести вес охлаждающей жидкости. Экзотические материалы, такие как углерод-углеродный композит , не проводят тепло, но выдерживают его, но они, как правило, хрупкие . Тепловые трубки в настоящее время не получили широкого распространения. Как обычныйтеплообменник они проводят тепло лучше, чем большинство твердых материалов, но, как термосифон , пассивно перекачиваются. Boeing X-51A имеет дело с внешним обогревом за счет использования вольфрамового наконечника и плит теплозащитного экрана в стиле космического челнока на его брюхе. Внутренний нагрев (двигатель) поглощается за счет использования топлива JP-7 в качестве хладагента перед сгоранием. [8] Другие высокотемпературные материалы, называемые материалами SHARP (обычно диборид циркония и диборид гафния.) использовались на рулевых аппаратах для межконтинентальных баллистических ракет с 1970-х годов и предлагаются для использования на гиперзвуковых транспортных средствах. Говорят, что они позволяют летать со скоростью 11 Маха на высоте 100 000 футов (30 000 м) и со скоростью 7 Маха на уровне моря. Эти материалы более прочны по конструкции, чем армированный углеродный композит (RCC), используемый на носу и передней кромке космического челнока, обладают более высокими радиационными и температурными характеристиками и не страдают от проблем окисления, от которых RCC необходимо защищать покрытиями. [9] [10]
Ссылки [ править ]
- ^ Уорик, Грэм. «Первый гиперзвуковой полет X-51A признан успешным» . Неделя авиации и космических технологий , 26 мая 2010 г. [ мертвая ссылка ]
- ^ "Экспериментальный самолет разгоняется до более чем 3000 миль в час в испытательном полете" . latimes.com. 3 мая 2013 года . Проверено 3 мая 2013 .
- ^ "Nonweiler Waverider" . Энциклопедия Astronautica . Проверено 15 августа 2012 года .
- ^ Д-р Дж. Седдон; Д-р JE Gordon; Д-р Р.Р. Джеймисон (1962). «Сверхзвуковой гиперзвуковой полет» . Правительство Великобритании (через Имперский военный музей) . Архивировано из оригинала на 2012-12-24 . Проверено 17 октября 2012 .
- ^ а б Джонс, Дж. Г., К. К. Мур, Дж. Пайк и П. Л. Роу. «Метод проектирования подъемных конфигураций для высоких сверхзвуковых скоростей с использованием осесимметричных полей потока» . Ingenieur-Archiv, 37, Band, 1, Heft, стр. 56-72, 1968.
- ^ Пайк, Дж. "Экспериментальные результаты от трех волноводов конуса" . Материалы 30 конференции Агарда, Гиперзвуковые граничные слои и поля течения, Королевское авиационное общество , Лондон, Ref. 12, стр. 20, 1–3 мая 1968 г.
- ^ Пайк, Дж. "Давление на плоские и угловые треугольные крылья с прикрепленными ударными волнами" . The Aeronautical Quarterly, Том XXIII, часть 4, ноябрь 1972 г.
- ^ "Гиперзвуковой самолет X-51, чтобы запустить испытательный полет в мае" . Космический полет сейчас. 2010 . Проверено 16 августа 2012 .
- ^ Гаш, Мэтью; Джонсон, Сильвия; Маршалл, Йохен (2008). "Определение характеристик теплопроводности сверхвысокотемпературной керамики на основе диборида гафния - Гаш -". Журнал Американского керамического общества . 91 (5): 1423–1432. DOI : 10.1111 / j.1551-2916.2008.02364.x .
- ^ Авиационная неделя "Материалы Sandia делают возможным гиперзвуковой полет" [ мертвая ссылка ]
Внешние ссылки [ править ]
- Гиперзвуковые волны от Aerospace.org
- ASTRA Waverider от gbnet.net
- Accurate Automation Corporation , компания, которая построила несколько моделей волн, включая LoFLYTE и NASA X-43.
