2.17. Проблеми надзвукового польоту

2.17.1. Безпека та економічність польоту

Безпека. У процесі розгону надзвуковий літак долає хвильову кризу, яка різко змінює аеродинамічні сили, характеристики стійкості й керованості, викликає небезпечні вібрації, порушує роботу пілотажних приладів. На перших надзвукових літаках хвильова криза створювала передумови до порушення безпеки польоту.

Щоб подолати звуковий бар'єр при переході від дозвукового польоту до надзвукового, довелося вирішувати дві проблеми:

1 - створення великої тяги для подолання різко зростаючого опору при навколозвукових швидкостях;

2 - забезпечення стійкості й керованості. Друга проблема виявилася найбільш важкою, і для її розв’язання потрібні були тривалі аеродинамічні дослідження.

Ефективним засобом зменшення опору і поліпшення характеристик стійкості й керованості на наколозвукових швидкостях виявилося стрілоподібне крило малого подовження. Значне зниження кризових явищ дало застосування тонких профілів з відносною товщиною = 8 ÷ 9% і кривизною = 0 ÷ 2%. Але стрілоподібне крило схильне до кінцевих зривів потоку, і профілі з гострими передніми кромками цьому сприяють. Для запобігання зриву потоку застосовують конічну крутку крила, механізацію передніх кромок: турбулізатори, носки, що відхиляються, носові щитки Крюгера, передкрилки, здування межого шару.

Стабілізація положення центра тиску і збереження поздовжньої стійкості при переході від дозвукових швидкостей до надзвукових здійснюється застосуванням трикутного або ожівального крила 1 і плаваючого горизонтального оперення 2 в носовій частині фюзеляжу (дестабілізатора) (рис. 2.62, а).

Бічна стійкість забезпечується збільшенням площі вертикального оперення, постановкою внизу на фюзеляжі вертикальних гребенів або кілів, що вбираються при посадці й зльоті 3 (рис. 2.62, б), а також змінним по розмаху крила кутом поперечного „V”.

а) б)

Рис. 2.62. Засоби забезпечення поздовжньої стійкості надзвукових літаків.

Особливості забезпечення керованості надзвуковим літаком полягають у використанні рулів з дефлекторами, поворотного крила 1, цілісно поворотних кілів 2, цілісно ноповоротного горизонтального оперення 3, інтерцепторного керування 4, кінцевих елеронів 5 і газодинамічного керування (рис. 2.63).

Рис. 2.63. Забезпечення керованості надзвукового літака.

Керування надзвуковим літаком значно утрудняється через появу коливань (розгойдування літака). Щоб усунути це неприємне явище, на надзвукових літаках застосовуються демпфери коливань. Мала несуча здатність стрілоподібних і трикутних крил малого подовження викликає необхідність створення потужної механізації крила для вирішення проблеми безпеки посадки і зльоту.

МіГ - 142 (трикутне крило, аеродинамічні гребені під кілями)

Ту - 144 (ожівальнє крило і переднє горизонтальне оперення)

МіГ - 23 (кіль прибраний на землі і випущений у польоті)

Конкорд (ожівальнє крило і плаваюче горизонтальне оперення)

Ту - 22М (потужна механізація крила змінної стрілоподібності, інтерцептори)

Економічність. Майже 50% експлуатаційних витрат надзвукового літака складає вартість палива. Тому вирішення проблеми економічності починається з вибору двигунів.

Годинна витрата палива в польоті C_h залежить від питомого розходу С_уд і тяги двигуна Р C_h = С_уд·Р.

В області трансзвукових швидкостей через появу хвильового опору аеродинамічна якість K літака різко зменшується.

Потрібна для польоту тяга зростає, і з'являється необхідність в значному збільшенні тяги двигуна за рахунок включення форсажу (французьке слово, означає примушення, форсування, збільшення): Р = Р_потр = G / K,

де G - вага літака, Н;

K - аеродинамічна якість.

Форсування двигуна пов'язане з великою витратою палива і тому негативно позначається на економічності польоту, яку можна збільшити, якщо розгін літака до надзвукової швидкості проводити на досить великих висотах (11 - 12 км).

З погляду економічності надзвукового польоту, до М = 3 доцільно застосовувати турбореактивні двигуни з форсажем і турбореактивні двигуни двоконтурні (ТРДФ і ТРДД), а при М > 3 велики переваги мають прямоточні повітряно-реактивні двигуни (ПВРД). Очевидно, що літаки, розраховані на велики надзвукові швидкості польоту, повинні мати комбіновану силову установку: ТРДФ і ТРДД - для здійснення зльоту, набору висоти і розгону, ПВРД — для польоту при М > 3.

Другий напрям у вирішенні проблеми економічності полягає в збільшенні аеродинамічної якості літака, головним чином за рахунок зменшення хвильового опору. Достатня економічність надзвукового літака забезпечується при K > 6. Хвильовий опір можна істотно зменшити вибором відповідних аеродинамічних форм. Надзвукові профілі з гострими кромками, висувні конуси усмоктувальних пристроїв двигунів, голки в носовій частині фюзеляжу - все зроблено для перетворення прямих стрибків у систему косих стрибків ущільнення, тобто для зменшення хвильового опору, і збільшення економічності польоту.

Міраж ІІІ (турбореактивний двигун з форсажем)

F - 15 (турбореактивний двигун з форсажем)

Як - 130 (турбореактивний двигун двоконтурний)

F - 14 (турбореактивний двигун двоконтурний з форсажем)

SR - 71 (турбореактивний (при малих швидкостях) і прямоточний повітряно-реактивний (при великих швидкостях) двигуни)