- •Тема 2. Основи аеродинаміки та динаміки польоту
- •2.1. Аеродинаміка, як наука
- •2.2. Основні параметри та фізичні властивості повітря
- •2.3. Земна атмосфера, її склад та структура. Міжнародна стандартна атмосфера [1], c. 26-28
- •2.4. Основні закони гидроаеродинаміки
- •2.4.1. Основні поняття гидроаеродинаміки
- •2.4.2. Моделі обтічності
- •2.4.3. Рівняння для ідеальної рідини
- •2.5. Обтікання тіл потоком повітря
- •2.5.1. Принцип оборотності
- •2.5.2. Аеродинамічні спектри
- •2.6. Межовий шар
- •2.7. Природа виникнення аеродинамічних сил. Принципи створення піднімальної сили
- •2.7.1. Аеростатичний принцип створення піднімальної сили
- •2.7.2. Аеродинамічний принцип створення піднімальної сили. Повна аеродинамічна сила та її складові
- •2.7.3. Реактивний принцип створення піднімальної сили
- •2.8. Форма крила та її вплив на аеродинамічну якість
- •2.8.1. Профіль крила
- •2.8.2. Вид крила в плані
- •2.8.3. Вид крила спереду
- •2.9. Положення крила у повітряному потоці. Кут атаки та його вплив на аеродинамічну якість крила
- •2.10. Аеродинамічна якість літака та засоби її підвищення
- •2.11. Основні законі руху повітря, що стискається
- •2.11.1. Загальні відомості про аеродинаміку великих швидкостей
- •2.11.2. Число Маха
- •2.11.3. Законі руху потоку, що стискається
- •2.12. Надзвукова течія повітря
- •2.13. Особливості обтікання тіл надзвуковим потоком
- •2.13.1. Розповсюдження малих збурень у потоці повітря
- •2.13.2. Обтікання тупих кутів, криволінійної поверхні та профілю крила
- •2.13.3. Фізична суть стрибків ущільнення
- •2.13.4. Хвильовий опір
- •2.13.5. Форма стрибка ущільнення
- •2.14. Хвильова криза
- •2.14.1. Поняття про критичне число Маха
- •2.14.2. Фізична суть і наслідки хвильової кризи
- •2.15. Вплив стисливості потоку на аеродинамічні коефіцієнти
- •2.15.1. Залежність аеродинамічних коефіцієнтів від числа м
- •2.15.2. Подолання хвильової кризи
- •2.16. Аеродинамічні форми швидкісного літака
- •2.17. Проблеми надзвукового польоту
- •2.17.1. Безпека та економічність надзвукового польоту
- •2.17.2. Звуковий удар і тепловий бар'єр
- •2.17.3. Аеродинамічна компоновка надзвукових літаків
- •2.17.4. Особливості гіперзвукового польоту
- •2.18. Основні види руху літального апарату. Горизонтальний політ літака
- •2.19. Набір висоти та зниження літака [1], c. 50-53
- •2.20. Зліт і посадка літака
- •2.21. Правильний віраж літака
- •2.22. Дальність і тривалість польоту літака
2.17.2. Звуковий удар і тепловий бар'єр
Звуковий удар — результат взаємодії стрибка ущільнення, створеного літаком у надзвуковому польоті, з поверхнею землі (рис. 2.64).
Рис. 2.64. Звуковий удар.
Інтенсивність звукового удару залежить від висоти польоту літака і його маси. Допустимою інтенсивністю звукового удару вважається Δр = 100 Па, такий тиск створюється віддаленим гуркотом грому. При Δр = 150 Па розбиваються стекла, а при Δр = 175 ÷ 190 Па руйнуються будинки.
Для зменшення інтенсивності звукового удару обмежують швидкості польоту надзвукових літаків при наборі висоти і зниженні та вводять обмеження нижньої межі висоти надзвукового польоту. Наприклад, для літака Ту - 144 нижня межа надзвукового польоту встановлена на висоті 10 - 14 км.
Тепловий бар'єр виникає внаслідок нагрівання конструкції літака при надзвукових і гіперзвукових швидкостях польоту із-за:
- аеродинамічного (кінетичного) нагрівання, що виникає при гальмуванні потоку в критичних точках, межовому шарі й стрибках ущільнення. Кінетичне нагрівання створює основний потік тепла, що діє на конструкцію ЛА;
- теплового випромінювання, що відбувається в двох напрямах: обшивка літака сприймає тепловипромінювання Сонця, зірок, Землі й внутрішніх елементів конструкції, а сама випромінює тепло в навколишній простір;
- теплового потоку від бортових нагрітих агрегатів (силових установок, електронного обладнання і т.п.).
Точно визначити температуру літака і його частин можна на основі теплового балансу, що враховує всі види теплових потоків.
Сильне нагрівання конструкції літака викликає:
1. Зниження міцністних характеристик матеріалів. Наприклад, при температурі 60 – 80 °С розм'якшується органічне скло, при 200 °С — на 50% знижується міцність дюралюмінієвих сплавів, при 300 – 350 °С — руйнуються пластики, клей, ущільнення, фарби, тканини. Подальше підвищення температури знижує міцність титанових сплавів і сталі. Температуру 500 °С витримують тільки нікелеві сплави.
2. Погіршення антикорозійних властивостей металів. Високі температури прискорюють хімічні реакції, викликають появу електрохімічних процесів, сприяють дисоціації молекул повітря. В атмосфері дисоциірованного повітря метали окислюються в 400 разів швидше, ніж звичайно.
3. Зміна теплофізичних властивостей матеріалів — теплопровідності, питомої теплоємності, коефіцієнта температурного розширення може привести до появи температурних напруг і залишкових деформацій в елементах конструкції літаків.
4. Порушення роботи літакових систем і електронного обладнання, а також шкідливий вплив на здоров'я льотного складу. Все це перешкоджає збільшенню швидкостей польоту.
Сучасне літакобудування має у своєму розпорядженні достатьньо ефективні засоби подолання теплового бар'єру, але проблема ця ще не може вважатися остаточно вирішеною.
Для подолання теплового бар'єра використовують:
- затуплення передніх кромок, що приводить до від'єднання головного стрибка ущільнення; температура знижується через зменшення теплового потоку і збільшення маси;
- теплостійкі матеріали в конструкції літака: жароміцні сталі, титанові сплави, нікель, берилій і інші; при дуже великих швидкостях застосовуються керамічні матеріали, а для ліхтаря кабін - двошарові, жароміцні стекла;
- теплоізоляційні покриття, які наносяться на обшивку розпилюванням або приклеюванням або розміщаються між зовнішньою і внутрішньою обшивкою; теплоізоляційними матеріалами можуть служити кремнезем, азбест, пінопласти;
- теплопоглинальні покриття („жертвенный шар”) під дією високих температур розплавляються, сублімують або випаровуються і при цьому поглинають велику кількість тепла, захищаючи від перегрівання обшивку літака;
- розсіювання тепла радіацією; для цього зовнішня поверхня обшивки повинна мати покриття з коефіцієнтом випромінювання, близьким до одиниці, а внутрішня поверхня обшивки - покриття з коефіцієнтом випромінювання, близьким до нуля;
- охолодження обшивки методом запотівання або за допомогою спеціальних систем охолодження;
- упорскування рідкого охолоджувача в межовий шар.
Для надійнішого захисту від надмірного нагрівання використовують різні комбінації декількох перерахованих вище засобів. Однак самим надійним способом подолання теплового бар'єру є політ на великих висотах. На висоті 60 км густина повітря в 3000 разів, а на висоті 100 км — в 1 млн. раз менше, ніж у Землі. Маса межового шару, а отже, і тепловий потік від нього в багато тисяч разів менше, ніж у щільних шарах атмосфери. Одночасно збільшується тепловипромінювання обшивки. Тому, з погляду нагрівання, навіть тривалий політ при М = 5 ÷ 6 на великих висотах безпечний. Таким чином, для надзвукових літаків утворюється „коридор” безпечного горизонтального польоту, верхня і нижня межі якого відповідають певному значенню швидкості польоту (рис. 2.65).
Рис. 2.65. „Коридор” можливого горизонтального польоту.
Висота верхньої межі 1 визначається можливістю створення достатньої піднімальної сили, що залежить від густини повітря і числа М.
Зі збільшенням М верхня межа відсовується вгору. Нижня межа 2 коридору визначається за умовами міцності. Чим менше висота польоту, тим більше навантаження, що діють на літак, і вище його температура. Зі збільшенням М польоту нижня межа коридору теж відсовується вгору. Для подолання теплового бар'єру висота польоту повинна бути тим більше, чим більше швидкість польоту літального апарату.
EF 2000 (захист від надмірного нагрівання)