Среда, 26.04.2017, 14:53
Приветствую Вас Гость | RSS
Четырнадцатая олимпиада посвящена 100-летию выдающегося советского авиаконструктора Р.Е.Алексеева
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Двенадцатая олимпиада (2014/15 уч.год)

Когда полетит пассажирский самолет с гиперзвуковой скоростью?

Цель работы
Изучение основных возможностей пассажирских самолетов с гиперзвуковой скоростью.
Задачи работы
Ознакомиться с историей создания гиперзвуковых самолетов, рассмотреть и проанализировать состояние современных ГЛА, а углубиться в будущее данных аппаратов.
Основные проблемы создания ГЛА
Главными проблемами создания любого гиперзвукового летательного аппарата являются поиск оптимальной двигательной установки и борьба с аэродинамическим нагревом.

Содержание
1. Введение.
2. Принцип работы ГПВРД (Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель)
а) Аэродинамический нагрев.
б) История создания ГЛА
в) Анализ современного состояния ГЛА
3. Как работает гиперзвуковой космический самолет?
а) Гиперзвуковые пассажирские самолёты
б) Преимущества и недостатки в случае космических аппаратов
4. Анализ перспектив создания и применения ГПС
5. Заключение
6. Список используемой литературы

Введение
Одним из направлений развития авиационной и ракетно-космической техники является создание принципиально нового класса летательных аппаратов, совершающих полёт в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями. Гиперзвуковые летательные аппараты (ГЛА), использующие самолётные принципы при движении в атмосфере, способны решать многие задачи гражданского и военного характера. Кроме того, их разработка позволит освоить перспективные технологии, которые во многом будут определять уровень передовых отраслей ведущих стран мира.
Исследования и перспективные разработки ГЛА включают наряду с решением ключевых проблем аэротермодинамики, двигателестроения и конструкции также и вопросы выбора траекторий полёта, программ и алгоритмов управления движением. В моей работе мы и рассмотрим различные аппараты, которые могут осуществлять длительный полёт в атмосфере с гиперзвуковой скоростью, окунемся в мир инноваций, а также проследуем в недалекое будущее.

Принцип работы ГПВРД (Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель)

В традиционном ПВРД поступающий в воздухозаборник сверхзвуковой воздушный поток тормозится до дозвуковой скорости скачками уплотнения — ударными волнами, образуемыми за счет определенной геометрии воздухозаборника. Горючее впрыскивается в этот сжатый торможением дозвуковой поток, смесь сгорает, и горячие газы, проходя через регулируемое или нерегулируемое сопло, снова разгоняются до сверхзвуковых скоростей.
В гиперзвуковом ПВРД воздушный поток тормозится на входе в меньшей степени и остается сверхзвуковым в ходе всего процесса горения топлива. В этом случае отпадает нужда в регулируемых соплах, и работа двигателя оптимизирована для широкого диапазона чисел Маха. Современные двухрежимные гиперзвуковые ПВРД способны работать в режимах как дозвукового, так и сверхзвукового горения, обеспечивая плавный переход из одного режима в другой.


Концепция ГПВРД являет собой образец гармоничного сопряжения планера летательного аппарата и его движителя. В этой схеме двигатель занимает всю нижнюю поверхность летательного аппарата. Силовая установка состоит из семи основных элементов, пять из них относятся собственно к двигателю, а два — к фюзеляжу аппарата. Зона двигателя — это передняя и задняя части воздухозаборника, камера сгорания, сопло и система подачи горючего. К фюзеляжу можно отнести влияющие на работу двигателя нижние поверхности его носовой и хвостовой частей.
В скоростной системе нагнетания воздуха эффективно взаимодействуют носовая нижняя часть фюзеляжа и воздухозаборник. Они совместно захватывают и сжимают воздушный поток, подавая его в камеру сгорания. В отличие от обычных реактивных двигателей, в ГПВРД на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета необходимое сжатие поступающего воздуха достигается без использования механического компрессора. Первоначальное сжатие создается нижней носовой частью фюзеляжа самолета, а воздухозаборник доводит его до необходимой степени сжатия.
Набегающий воздушный поток испытывает серию скачков уплотнения у носовой части самолета и на входе в воздухозаборник, его скорость снижается, при этом растут давление и температура. Принципиально важным компонентом ГПВРД выступает задняя часть воздухозаборника. В этой зоне сверхзвуковой входящий поток встречается с противодавлением, которое превосходит статическое давление воздуха на входе. Когда в результате процесса горения от стенки начинает отделяться пограничный слой, в зоне задней части воздухозаборника формируется серия скачков уплотнения, создавая своего рода «предкамеру» перед настоящей камерой сгорания. Наличие задней части воздухозаборника позволяет достичь в камере сгорания необходимых уровней теплоподвода и управлять растущим давлением так, чтобы не возникла ситуация, называемая «запиранием», при которой ударные волны препятствуют попаданию воздушного потока в заднюю часть воздухозаборника.
Камера сгорания обеспечивает наиболее эффективное смешивание воздуха с горючим за счет впрыска, распределенного по длине камеры. Таким образом достигается наиболее эффективный перевод тепловой энергии в тягу двигателя. Система выброса газов, состоящая из сопла и нижней поверхности хвостовой части фюзеляжа, обеспечивает управляемое расширение сжатых горячих газов, что, собственно, и дает необходимую тягу.
Процесс расширения преобразует возникающую в камере сгорания потенциальную энергию в энергию кинетическую. В зоне сопла происходит множество физических явлений — это и горение, и эффекты пограничного слоя, и нестационарные потоки газов, и неустойчивость слоев с поперечным сдвигом, а также множество специфических объемных эффектов. Форма сопла имеет огромное значение для эффективности работы двигателя и для полета в целом, поскольку она влияет на подъемную силу и управляемость самолета.
Как все это действует
До того как летательный аппарат с ГПВРД достигнет желаемых скоростей, его двигатель должен последовательно пройти через несколько режимов работы. Для разгона до скоростей порядка 3 Махов можно использовать одну из нескольких возможностей — к примеру, дополнительные газотурбинные двигатели либо же ракетные ускорители (как внутренние, так и внешние).
На скорости 3−4 Маха ГПРВД перестраивается с режима низкоскоростной тяги на такой режим, когда в двигателе формируются устойчивые скачки уплотнения, создающие на входе в камеру сгорания один или несколько участков воздушного потока на дозвуковой скорости. В традиционном ПВРД это обеспечивают воздухозаборник и диффузор — они снижают скорость потока до уровня ниже скорости звука за счет увеличения площади диффузора, таким образом на дозвуковых скоростях можно достичь полного сгорания смеси.
За камерой сгорания расположено суживающееся-расширяющееся сопло, которое и выдает необходимую тягу. В ГПРВД на выходе из камеры происходит «газовое тепловое дросселирование», которое не требует реального геометрического сужения сопла. Это сужение потока формируется благодаря смешиванию газов с воздухом и точно выверенному распределению потоков.
Пока самолет с ГПВРД на собственной тяге разгоняется от 3 до 8 Махов, в диапазоне от 5 до 7 Махов двигатель переходит на другой режим. Это переходный момент, когда двигатель работает и как традиционный ПВРД, и как гиперзвуковой. Рост температуры и давления в камере сгорания замедляется. В результате для нормальной работы становится достаточной более короткая зона предварительного сжатия. Скачки уплотнения сдвигаются от горловины воздухозаборника ближе к входу камеры сгорания.

Когда скорость переваливает за 5 Махов, режим сверхзвукового горения обеспечивает уже более высокую тягу, поэтому специфика двигателя требует, чтобы режим ПВРД использовался до тех пор, пока аппарат не достигнет скорости в 5−6 Махов. На пороге примерно в 6 Махов торможение воздушного потока к дозвуковым скоростям приводит местами к почти полной его остановке, что вызывает резкие скачки давления и теплопередачи. Где-то в интервале между 5 и 6 Махами появление этих симптомов может служить сигналом для перехода на режим чистого ГПВРД. Когда скорость переваливает за 7 Махов, процесс сгорания уже не способен разделять воздушный поток, и двигатель начинает работать в режиме ГПВРД без скачков уплотнения перед камерой сгорания. Ударные волны от воздухозаборника распределяются вдоль всего двигателя. На скоростях выше 8 Махов законы физики требуют сверхзвукового режима сгорания, поскольку двигатель уже не сможет выдерживать давлений и температур, которые возникли бы при торможении воздушного потока до дозвуковых скоростей.

При работе ГПВРД на скоростях от 5 до 15 Махов встает несколько технических проблем. Это сложности смешивания горючего с воздухом, борьба с тепловыми перегрузками двигателя, в частности с перегревом всех передних кромок воздухозаборника. Для полетов на гиперзвуковых скоростях требуются особые конструкции и материалы.

Когда скорость впрыскиваемого горючего уравнивается со скоростью влетающего в камеру сгорания воздушного потока, а это происходит на скоростях около 12 Махов, смешивание горючего с воздухом становится весьма затруднительным. При еще более высоких числах Маха огромные температуры в камере сгорания вызывают распад молекул и их ионизацию. Эти процессы, накладываясь на и без того сложную картину воздушного потока, где происходит сверхзвуковое перемешивание, взаимодействие камеры сгорания с каналом воздухозаборника и действуют законы горения, делают почти невозможным расчет газовых потоков, режима подачи топлива и теплового баланса камеры сгорания.
В ходе гиперзвукового полета нагрев двигателя летательного аппарата зависит не только от работы камеры сгорания — свой вклад вносят и другие системы: насосы, гидравлика, электроника. Системы управления теплообменом в гиперзвуковых летательных аппаратах в основном сконцентрированы на двигателе, поскольку именно он испытывает максимальные тепловые нагрузки. Двигатель вообще создает много проблем — зона реактивного потока отличается огромными термическими, механическими и акустическими нагрузками, а плюс ко всему она заполнена исключительно коррозионно активной смесью из раскаленных продуктов сгорания и кислорода.

Если двигатель не охлаждать, температура камеры сгорания перевалит за 2760 градусов Цельсия, а это выше, чем точка плавления для большинства металлов. К счастью, с проблемой высоких температур удается справить
ся путем активного охлаждения, правильного подбора материалов и разработкой специальных высокотемпературных конструкций.
Сам гиперзвуковой летательный аппарат тоже предъявляет жесткие требования к конструкциям и материалам. Вот они:
— очень высокие температуры;
— нагрев аппарата в целом;
— стационарные и перемещающиеся локализованные зоны нагрева от ударных волн;
— высокие аэродинамические нагрузки;
— высокие нагрузки от пульсаций давления;
— возможность серьезного флаттера, вибраций, флуктуирующие нагрузки термического происхождения;
— эрозия под воздействием набегающего воздушного потока и реактивного потока внутри двигателя.
Теперь, после успешного полета аппарата Х-43А и наземных испытаний нескольких полномасштабных моделей, все реальнее выглядят планы создать полноценный самолет с ГПВРД на водородном или углеводородном горючем. Когда наши материалы были отправлены в печать, NASA готовилась запустить еще один Х-43А и разогнать его до скорости 10 Махов, то есть до 12 000 км/ч.
В 2007 и 2008 годах ВВС США, Pratt & Whitney и подразделение компании Boeing — Phantom Works — будут продолжать летные испытания ГПВРД на углеводородном горючем. Эти испытания — с использованием относительно простого в изготовлении двигателя — должны продемонстрировать диапазон возможных ускорений и возможность устойчивой работы в течение нескольких минут на скоростях 4,5−6,5 Махов. Предполагается также проверить управляемость двигателя и всего аппарата при использовании сенсоров и компьютеров.

Демонстрация этих технических достижений, а также серия других запланированных наземных и воздушных испытаний должны открыть дорогу к созданию экономически выгодных, пригодных для многократного использования гиперзвуковых двигателей для крылатых ракет, самолетов дальнего действия и космических аппаратов. Эти аппараты могут войти в эксплуатацию соответственно в 2010, 2015 и в 2025 годах.

Числа Маха
Чтобы получить число Маха, нужно поделить скорость объекта на скорость звука. Этот параметр назван именем австрийского физика XIX века Эрнста Маха, который заложил основы аэродинамики на сверхзвуковых скоростях. 1 Мах соответствует скорости звука, а дозвуковой диапазон — значениям этого параметра, меньшим единицы. Сверхзвуковой диапазон — это значения числа Маха от 1 до 5, а после 5 начинается уже гиперзвуковой диапазон.
Ракеты и реактивные двигатели


Турбовентиляторный двигатель (ТВРД)
1. Компрессор.2.Сопло.3.Внешний приводной вал (для компрессора).4.Внутренний приводной вал (для вентилятора).5.Топливные форсунки.6.Камера сгорания.7.Турбина.8.9.10.
И ракеты, и воздушно-реактивные двигатели (ВРД) для создания тяги сжигают смесь горючего с окислителем. Различие состоит в том, что обычная ракета несет окислитель на борту, в то время как ВРД получает его из окружающего воздуха. В ТРД воздух проходит через компрессор, камеру сгорания и турбину, где часть энергии забирается и приводит в движение компрессор. В ТВРД установлен дополнительный вал с вентилятором, который пускает часть воздуха в обход двигателя. В сверхзвуковом ПВРД нет вращающихся деталей, а сжатие воздуха осуществляется за счет торможения потока до дозвуковых скоростей перед подачей в камеру сгорания. ГПВРД — это ПВРД, действующий на гиперзвуковых скоростях совместно с фюзеляжем летательного аппарата, причем воздушный поток, проходящий сквозь камеру сгорания, сохраняет сверхзвуковую скорость. Выбор между типами горючего — водородом или углеводородными смесями — определяется системой охлаждения. В крылатых ракетах и самолетах малого радиуса действия можно использовать углеводородное топливо, а в самолетах дальнего радиуса действия и в космических аппаратах разумнее использовать водород.

Аэродинамический нагрев
Аэродинамический нагрев является не менее важной проблемой. В разное время эту проблему решали по-разному.

Самым первым и самым логичным решением была пассивная теплозащита. Она широко применялась во многих летательных аппаратах. В частности, такая защита применялась на Спейс Шатлах и Буране. Применялась она и на обычных сверхзвуковых самолётах. Недостаток её в том, что полностью исключить проникновение тепла внутрь корпуса невозможно. Малая часть тепла всё-таки будет проникать внутрь аппарата. При кратковременном полёте, например, при спуске с орбиты, это не имеет значения, так как аппарат спускается всего каких-то 6-10 минут. А при перелёте из Нью-Йорка в Сидней пассажиры ГПС рискуют свариться в собственном соку. К тому же, такая защита дорога и сложна в изготовлении.

Ещё одним способом борьбы с аэродинамическим нагревом является сброс тепла излучением. Суть этого способа заключается в изготовлении корпуса аппарата из дорогих и тугоплавких металлов, таких как цирконий и ниобий, которые переводят тепло получаемое от раскалённого воздуха в излучение, которое они и сбрасывают в окружающее пространство. Недостаток такого аппарата в стоимости этих самых металлов.
Конечно же, при слове охлаждение, мы все вспоминаем холодильник. А правда, почему его не применить к охлаждению поверхности ГЛА. К сожалению, чтобы охладить столь горячий объект, нужны очень мощные охладители, которые на самолёт не поставишь, поэтому использовать жидкостное охлаждение необходимо вместе с каким-либо из вышеперечисленных способов.
Из всего вышесказанного следует, что все способы имеют свои недостатки, которые не позволяют их использовать, поэтому необходимо комбинировать их между собой.

История создания ГЛА.

Перед тем как рассказывать об истории создания ГЛА, стоит упомянуть, что за время своего существования в рамках этой концепции было создано огромное количество проектов, но лишь малая часть из них дошла до практической реализации. Уже много лет у нас и за рубежом ведутся разработки, прежде всего, военного, гиперзвукового летательного аппарата.
Silbervogel.
Первые проекты ГЛА появились в далёких сороковых. Первым проектом можно назвать немецкий Зибельфогель, который относился к разряду немецкого супероружия.

Несмотря на то, что для практической реализации данного проекта не хватало ни времени, ни сил, ни знаний - это был действительно первый проект ГЛА, который должен был двигаться с гиперзвуковой скоростью на участке набора высоты. Двигателем для данной машины должен был служить ЖРД тягой в 100 тонн. Но этот проект так и остался на бумаге. Окончание второй мировой войны и крушение третьего рейха похоронили этот проект. Но сама идея заатмосферного гиперзвукового бомбардировщика не исчезла.
Х-15

В пятидесятых годах, в самый разгар холодной войны страны искали способ в чём-нибудь обогнать друг друга. И в США родилась идея поставить новый рекорд скорости самолёта. Так появился гиперзвуковой самолёт Х-15. Звание самолёта он получил с некоторой натяжкой, так как он имел ракетный двигатель, а его тяговооружённость приближалась к 2. По сути это была ракета, которая использовала крылья только при посадке. В воздух его поднимали с помощью В-52, а садился он на лыжи. Самолёт был сугубо опытный, и ни о каком боевом или коммерческом применении речи не шло. Но факт остаётся фактом, он почти на 40 лет стал самым быстрым при скорости 6,72М и самым высотным с высотой полёта более 107906 метров самолётом.
Система охлаждения на аппарате была аналогичной таковой на предыдущих машинах серии Х. Конструкция изготавливалась из жаропрочных сплавов и делалась максимально обтекаемой. В движение аппарат приводился двигателем тягой 25855 кгс. Испытания данного аппарата позволили изучить влияние процессов, происходящих с аппаратом на гиперзвуковых скоростях, на его конструкцию и проложили дорогу следующим проектам. Так же по этой теме был создан аппарат с прямоточным двигателем, но он разбился за день до намеченного полёта с включенным ПВРД.
Спираль
Всё в тех же пятидесятых вспомнили о заатмосферном бомбардировщике. Идея была очень заманчивой. Аппарат способный преодолеть любую систему ПВО и доставить ядерный заряд в любую точку земли за несколько минут. Но американцы в отличии от немцев имели не только желание, но и средства и, что не маловажно, время. Так появился Х-20 Dyna Soar, но речь не о нём. Речь о его советском аналоге, об авиационно-космической системе «Спираль», а конкретно о его самолёте-разгонщике. Этот самолёт был первым проработанным проектом тяжёлого ГЛА.

Технически самолёт-разгонщик представлял из себя самолёт-бесхвостку. Масса его составляла 52 тонны, длина 38 м, размах крыла 16,5 м. Разгоняться он должен был до 6М и подниматься на высоту 30 км. Полезная нагрузка в виде орбитального самолёта с ускорителем составляла 10 тонн. На аппарате использовалась пассивная теплозащита. Но самой интересной частью этого самолёта были его двигатели, работающие на водороде, которых было четыре. Особенностью двигателей являлось использование внешнего привода компрессора вместо обычной газовой турбины. Привод должен был работать на парах водорода. Это позволяло иметь единый двигатель для всех режимов полета. Однако двигатель, который получил обозначение АЛ-51, так и не был доведён до необходимых характеристик.
ТУ-2000

В отличии от «Спирали» на ТУ-2000 не предполагалось использовать какой-либо экзотический двигатель. Вместо этого применяли следующие двигательные установки: четыре обычных ТРД, которые работали бы на скоростях 0-2.5М, многорежимный ПВРД, который работал на скоростях 2.5-25М и двух ЖРД, которые работали при подъёме аппарата до опорной орбиты. Такое решение снимало множество проблем по доводке двигателя, с которыми столкнулись создатели «Спирали». Таким образом, требовалось всего-навсего создать достаточно надёжный многорежимный ПВРД. Но и это было не просто.
Проблему аэродинамического нагрева решили комбинированием пассивной теплозащиты и активного охлаждения жидким водородом.
Технически аппарат был построен по интегральной схеме. Основную роль в создании подъёмной силы играл приплюснутый снизу фюзеляж. Аэродинамическая схема – «безхвостка». Все элементы ВКС конструктивно интегрированы вокруг силовой установки. Органы управления чисто самолётные. Топливо, жидкий водород, находилось в баках в фюзеляже. Разработка проекта зашла довольно далеко. До приостановки работ в 1992 для Ту-2000 были изготовлены кессон крыла из никелевого сплав, элементы фюзеляжа, криогенные топливные баки и композитные топливопроводы. Масса аппарата, в конечном счёте, составляла 350 тонн, полезной нагрузки 10 тонн, возвращаемой нагрузки 8 тонн. Длина 71,4 м, размах крыла 34,1 м. На базе Ту-2000 предполагалось создать бомбардировщик Ту-2000Б и гиперзвуковой пассажирский самолет.
Холод

Почти все полноценные проекты ГЛА требуют, в первую очередь, работоспособного ГПВРД. И создать ГПВРД только с помощью наземных испытаний невозможно. Любой новый двигатель сначала должен быть испытан в полёте, на летающей лаборатории. Не стал исключением и ГПВРД. Так был создан «Холод».

С технической точки зрения «Холод» представляет собой простой осесимметричный ПВРД, предназначенный для работы только в одном режиме. Разгонялся он до нужной скорости при помощи снимаемой с вооружения зенитной ракеты С-200. Но факт остаётся фактом, «Холод» - это первый работоспособный и испытанный в полёте ГПВРД. В одном из испытательных полётов двигатель проработал 77 секунд, учитывая, что современные ГПВРД не могут проработать и минуты - это впечатляющий результат. Максимальная достигнутая скорость достигла 6,5М. Полученные в результате испытательных полётов данные, позволили продолжить работы по созданию ГПВРД.

Анализ современного состояния ГЛА
Главным центром современных разработок ГЛА является США. Но стоит учесть, что американские разработки основаны на отечественных, которые мы из-за безденежья продали в 90-е. Американские программы создания ГЛА можно разделить на несколько групп: воздушно-космические системы, предназначенные для замены Спейс Шаттлов, маневрирующие боеголовки, о которых я не буду рассказывать, и атмосферные крылатые ракеты.

Как же работает гиперзвуковой космический самолет?

Современные пассажирские реактивные самолеты летают на высоте 10 км со скоростью примерно 950 км/час. Это факт. И на этой высоте небо достаточно загружено. А ниже и выше - свободно. Объясняется этот факт просто - на этой высоте еще достаточно кислорода для работы турбин и при этом минимальное сопротивление воздуха. Если высоту набрать - двигатели начнут задыхаться, а если лететь ниже - расход топлива резко увеличится из-за сопротивления воздуха.
Нет, есть еще турбовинтовые самолеты. Там тягу создает не столько реактивная струя, сколько пропеллер. Они используются на местных авиалиниях. У таких самолетов оптимальная высота - 7 км.
Вот в два этажа все (за редким исключением) и летают. На 10 км чуть ли не пробки, на 7 км почти пусто. Ниже - нет вообще практически никого - легкие пропеллерные самолетики, фермерская авиация, спротсмены немножко.
Нет, военные истребители имеют потолок около 20 км, легендарные разведчики добираются и до 26 км. На таких высотах для создания достаточной подъемной силы в разреженном воздухе нужно развить скорость в 3 Маха (три скорости звука). При этом двигатели дышат на пределе возможности, а элементы корпуса от трения воздуха разогреваются выше 300°С.
Еще на аэростате можно подняться почти до 40 км. Но на нем регулярные рейсы не организуешь. Так, покататься. Выше - только спутники, но они гораздо дальше. Геостационарные - 36 тыс км, спутники GPS - 20 тыс.км. Даже МКС, которая классифицируется как низкоорбитальная это - чуть выше 400 км. Ибо спутникам ниже 100 км опускаться нельзя - остатки атмосферы в течении нескольких дней или недель затормозят спутник и он сгорит в "плотных слоях атмосферы", которые начинаются с 50-70 км.
Отсюда вывод. Нужен гиперзвуковой полет, со скоростью полета порядка 30М (первая космическая скорость), достаточная для выхода на орбиту. Одна из последних представленный общественности прототипов - Skylon.

Главная проблема гиперзвукового полета - это не опора для крыльев. И не нехватка воздуха для двигателя. В конце концов, можно построить крупные воздухозаборники, которые будут разбивать гиперзвуковой поток на входе, собирать его и подавать в двигатель. Здесь-то и начинаются проблемы!
Газ при сжимании нагревается. Пользовались ручным насосом? Качнешь несколько раз, а он уже горячий. В гиперзвуковом самолета при сжатии разреженного воздуха с температурой -50°С, он разогревается примерно до 1000°С. А реактивный двигатель работает фактически за счет разницы температур входящего и выходящего воздуха, поэтому тяга падает чуть не до нуля. Для Skylon разработали новый тип двигателя, под названием SABRE. Производство его обещают к 2017 году.

Такой движок работает на водороде. Сжиженый водород имеет температуру -140°С - и должен не только сжигаться в двигателе, но и через систему тонких трубочек должен за 0.01 секунды охладить входящий воздух с 1000°С до этих самых -140°С. Тонкие трубочки - это с диаметром 0.1 мм и с толщиной стенок меньше человеческого волоса. Гланая проблема в этом случае - избегание намерзания водяного пара. Изобретатели двигателя хранят в секрете технологию ненамерзания, но испытание прототипа двигателя прошло - и прошло успешно.

Такой двигатель позволяет разогнаться только до 5.5М. Далее у разработчиков есть планы построить вариант движка, в котором после набора высоты закроется и вместо атмосферного воздуха в двигатель пойдет кислород, запасенный в баках. И вот это уже и будет орбитальный самолет. Он сможет самостоятельно взлететь с аэродрома, не теряя разгонные ступени на ходу, выйти на орбиту и приземлиться как обычный самолет.

По расчетам разработчиков Skylon стоимость вывода килограмма груза на околоземную орбиту упадет с сегодняшних 10-14 тыс долларов почти до 500 долларов. А это уже сравнимо со стоимостью дальнего рейса на самолете - то есть доступно огромным массам людей. Вот тогда-то мы и сможем слетать в космос на уик-энд.

5. Гиперзвуковые пассажирские самолёты

Вообще, исходя из всего вышесказанного, можно сказать, что создать гиперзвуковой пассажирский самолёт (ГПС) вполне можно. Но, не смотря на то, что история работ в этой области насчитывает более 50-ти лет, первые попытки создать ГПС стали предприниматься совсем недавно. При этом необходимо решить те же проблемы, что и при создании сверхзвуковых Конкордов такие как высокий расход топлива, узкопрофильность и высокая стоимость. Но есть и совсем новые, вроде уже описанных мною проблем с двигателем и нагревом, а также экологические: воздействие на озоновый слой Земли, уровни шума на взлете и посадке, и интенсивность звукового удара на поверхность Земли при полете на гиперзвуке.
ZEHST
Совсем недавно в 2011 году на авиасалоне в Ле Бурже корпорацией EADS был представлен проект гиперзвукового пассажирского авиалайнера ZEHST, который переводится как Высокоскоростной транспорт с нулевым уровнем выбросов.

Как утверждают сами разработчики, топливо для него будут вырабатывать морские водоросли. Машина будет иметь смешанную двигательную установку. Причём, сделана она будет довольно странно. До скорости 0,8М самолёт будут разгонять традиционные ТРД. Потом произойдёт доразгон до скорости в 2,5М с помощью обычного ЖРД. И только потом вступает ПВРД, который разгоняет самолёт до 4М. В свете этого, у меня возникает вопрос – «А зачем тут ЖРД?». Ведь существуют ТРД, которые способны разогнать самолёт до 2,5М. Вопрос этот остаётся без ответа. Разработчики обещают выпустить машину в полёт в 2050-х, но я считаю, что её постигнет судьба Конкорда.
А2

У данного проекта очень сложная судьба. Ведёт он свою родословную от ВКС HOTOL, который разрабатывался в Великобритании в 80-х годах. Проект окончился неудачей, как это часто бывает в капиталистических странах, неожиданно закончились деньги. Но сама идея не пропала. А идея заключалась в следующем: чтобы не везти с собой запас жидкого кислорода, его предполагалось сжижать прямо в полёте. А двигателем должен был быть таинственный двигатель Бонга, в основе которого лежит та же технология, что и в конструкции двигателя для Спирали. После закрытия проекта HOTOL, уже на частные средства был разработан проект Skylon. Он при массе 275 тонн поднимал на орбиту в 200 км 12 тонн груза, что было неплохим показателем. Но самым главным его отличием от всех других проектов, в том числе и от HOTOL, было то, что на протяжении всего полёта он использовал одни и те же двигатели, которые работали сначала как ТРД, потом как ПВРД, потом как ЖРД. А уже на его основе и был создан А2.

Преимущества и недостатки в случае космических аппаратов
Преимущество гиперзвукового самолета наподобие X-30 состоит в исключении или уменьшении количества транспортируемого окислителя. Например, внешний бак МТКК Спейс Шаттл на старте содержит 616 432 кг жидкого кислорода (окислитель) и 103 000 кг жидкого водорода (топливо). Сам космический челнок-космоплан при приземлении весит не более 104 000 кг. Таким образом, 75 % всей конструкции составляет транспортируемый окислитель. Исключение этой дополнительной массы должно облегчить аппарат и, как можно надеяться, увеличить долю полезной нагрузки. Последнее можно считать основной целью изучения ГПВРД вместе с перспективой уменьшения стоимости доставки грузов на орбиту. Но имеются определенные недостатки.

Низкое отношение тяги к весу аппарата
Жидкостный ракетный двигатель («ЖРД») отличается очень высоким показателем тяги по отношению к его массе (до 100:1 и более), что позволяет ракетам достичь высоких показателей при доставке грузов на орбиту. Напротив, отношение тяги ГПВРД к его массе составляет порядка 2, что означает увеличение доли двигателя в стартовой массе аппарата (без учета необходимости уменьшить эту величину по крайней мере в четыре раза из-за отсутствия окислителя). Вдобавок наличие нижнего предела скорости ГПВРД и падение его эффективности с ростом скорости определяет необходимость использования на таких космических системах ЖРД со всеми их недостатками.

Необходимость дополнительных двигателей для достижения орбиты
Гиперзвуковые ПВРД имеют теоретический диапазон рабочих скоростей от 5-7 М вплоть до первой космической скорости 25 М, но как показали исследования в рамках проекта X-30, верхний предел устанавливается возможностью сгорания топлива в проходящем воздушном потоке и составляет порядка 17 М. Таким образом, требуется другая дополнительная система реактивного ускорения в нерабочем диапазоне скоростей. Поскольку необходимая разница восполнения скоростей незначительна, а доля ПН в стартовой массе гиперзвукового самолета велика, применение дополнительных ракетных ускорителей различного типа является вполне приемлемым вариантом. Оппоненты исследований ГПВРД утверждают, что любая перспективность этого типа аппаратов может проявиться лишь для одноступенчатых космических систем. Сторонники этих исследований утверждают, что варианты многоступенчатых систем с использованием ГПВРД также оправданы.

Этап возвращения
Потенциально, нижняя часть тепловой защиты гиперзвукового космического аппарата должна быть увеличена вдвое в целях возвращения аппарата на поверхность. Использование абляционного покрытия может означать его потерю после выхода на орбиту, активная теплозащита с использованием топлива в качестве хладагента требует работы двигателя для своего функционирования.

Стоимость
Сокращение количества топлива и окислителя в случае гиперзвуковых аппаратов означает увеличение доли стоимости самого аппарата в общей стоимости системы. На самом деле, стоимость одного самолета с ГПВРД может быть очень высокой по сравнению со стоимостью топлива, потому как стоимость аэрокосмического оборудования по крайней мере на два порядка выше, чем на жидкий кислород и баки к нему. Таким образом, аппараты с ГПВРД наиболее оправданы в качестве систем многоразового использования. Может ли оборудование многократно использоваться в экстремальных условиях гиперзвукового полета остается не до конца ясным — все сконструированные до сих пор системы не предусматривали возвращение и их повторное использование.
Окончательная стоимость такого аппарата является предметом интенсивного обсуждения, потому как сейчас нет четкой убежденности в перспективности таких систем. По всей видимости, для того чтобы быть экономически оправданным, гиперзвуковой аппарат должен будет обладать бо́льшей ПН по сравнению с ракетой-носителем с той же стартовой массой.

4. Анализ перспектив создания и применения ГПС

В предыдущих разделах работы я рассмотрел основные проблемы создания ГЛА, дал исторический обзор наиболее интересных проектов ГЛА и привел данные об экспериментальных летных образцах ГЛА. Анализируя эту информацию, я пришел к выводу, что создание гиперзвукового пассажирского самолета, вероятнее всего, пойдет по тому же пути, что и создание пассажирских реактивных самолетов и многих других сложных технических объектов. То есть, сначала будут созданы военные ГЛА, а затем уже и пассажирские.
SR-72: будущий гиперзвуковой самолет-шпион
Знаменитый самолет-разведчик Lockheed Martin SR-71 Blackbird времен холодной войны в следующем десятилетии может получить достойную смену. В настоящее время разрабатывается SR-72, развивающий вдвое большую скорость и способный летать без пилота.

После того, как ВВС США отказались от Blackbird в 1999-м, в самолетах-разведчиках, летающих с сумасшедшей скоростью, наблюдается серьезный недостаток. Подразделение Lockheed Skunk Works в настоящее время разрабатывает SR-72, который должен в два раза превосходить максимальную скорость SR-71 в 3 Маха. Развивая 6 Махов, он будет перемещаться в шесть раз быстрее скорости звука.
Когда SR-71 был отправлен «на пенсию», роль высотного наблюдения в значительной мере взяли на себя спутники. Однако «шпионы» на орбите — неидеальное решение. Такие наземные объекты, как мобильные ракетные комплексы, могут перемещаться между спутниковыми орбитами, и лишь для гиперзвукового самолета они не останутся незаметными. Сам же он из-за своей колоссальной скорости будет оставаться неуязвимым для систем ПВО.
В 1990 году SR-71 установил рекорд скорости, пролетев на скорости 3,3 Маха из Лос-Анджелеса в американскую столицу Вашингтон чуть более, чем за час. Для того, чтобы лететь еще быстрее, SR-72 будет оснащаться гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ГПВРД), который использует смесь топлива и суперсжатого воздуха, сгорание которой и позволяет самолету развивать гиперзвуковую или близкую к гиперзвуковой скорость.
Планируется преодолеть и сопутствующие технические сложности. Поскольку ГПВРД используют суперсжатый воздух, он не подходит для полетов на низких скоростях. Для решения этой проблемы в Lockheed планируют задействовать в SR-72 два двигателя с общим воздухозаборником. Первым будет стандартный реактивный двигатель, который задействуется с момента взлета до скорости в 3 Маха. На ГПВРД самолет переходит начиная с этой скорости и выше.

Самым же большим отличием от предшественника станет то, что SR-72 сможет летать без пилота, то есть рассматриваются два варианта самолета — пилотируемый и беспилотный.
Оружие, которое мог бы использовать SR-72, может быть продемонстрировано Lockheed Martin в 2018 году. Речь идет об облегченных ракетах, поскольку при запуске со скорости в 6 Маха им не нужна разгоняющая и, следовательно, утяжеляющая их начинка.
Сам самолет Lockheed Martin планирует представить в 2023 году.

Отечественные ученые помогут разработать двигатель для международного проекта гиперзвукового самолета

Российские ученые вновь займутся исследованием водородных двигателей для авиации. Эта разработка может приблизить мечту о создании гиперзвукового гражданского самолета.

В середине октября Минпромторг объявил конкурс на выполнение научно-исследовательской работы по формированию облика высокоскоростного гражданского самолета «включая расчетно-экспериментальные исследования характеристик демонстратора водородного прямоточного двигателя, интегрированного с планером самолета». За выполнение работ победитель конкурса получит до 205 млн рублей. Закончить исследования ученые должны уже в декабре 2014 года.

Как пояснил «Известиям» источник в Минпромторге, речь идет о сотрудничестве в рамках Седьмой рамочной европейской программы. Одно из направлений программы — разработка гиперзвукового гражданского самолета. В проекте участвуют Россия, Евросоюз, Китай и другие страны, при этом затраты на исследования несут все участники. Российские научные организации во главе с ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского) еще в середине 2012 года вели переговоры с партнерами Еврокомиссии о проекте этого самолета.

Гиперзвуковые летательные аппараты способны летать в атмосфере со скоростью 5M и больше (то есть свыше 6 тыс. км/ч), и они в мире в последние десять лет активно исследуются. Минпромторг напоминает в материалах конкурса, что в США сейчас активно идут исследования в области разработки, создания и летных испытаний гиперзвуковых летательных аппаратов — демонстраторов. В Европе аналогичные работы проводятся под эгидой Еврокомиссии при Европарламенте в виде рамочных программ. Также существует европейский проект SHEFEX-II, в рамках которого были реализованы успешные автономные летные испытания.

«Водородный гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель рассматривается как основа комбинированных силовых установок для гиперзвуковых гражданских летательных аппаратов», говорится в материалах Минпромторга.

Обычный, непрямоточный водородный двигатель был разработан в советское время и стоял, например, на испытательных, демонстрационных самолетах Ту-155 и Ту-156 в середине 1980-х годов, поясняет доктор технических наук, профессор МГТУ ГА Евгений Коняев. Однако тогда водородные двигатели не пошли в серию в основном по политическим причинам, замечает эксперт. Также водородные двигатели устанавливали на американских шаттлах.

Топливом для водородного двигателя является жидкий водород. Одним из минусов двигателей такого типа является то, что он не может долго стоять заправленным. Например, при задержке шаттла необходимо было сразу извлекать из него топливо, а это занимает несколько часов, поясняет Коняев. Прямоточный двигатель сам по себе был разработан еще во время Второй мировой войны. Его минусом является то, что он начинает работать только на большой скорости, когда самолет уже находится в движении, поэтому у самолета с таким двигателем должен быть еще один мотор другого типа.

Как пояснил Сергей Чернышев, исполнительный директор ЦАГИ, одна из главным проблем, которая может встать в ходе исследований гиперзвукового самолета — найти материалы, которые будут использоваться в его производстве.

— Гиперзвуковой самолет будет двигаться на скоростях от 6 маха до 8 маха (примерно 7,4–9,9 тыс. км/ч.) При таких скоростях летательный аппарат сильно нагревается, и требуются совершенно новые материалы, способные выдержать такие температуры, — пояснил Чернышев.
В результате исследования по тендеру Минпромторга будет получен опытный образец, который в полетах использоваться не будет: через двигатель, зафиксированный на стенде, станет подаваться гиперзвуковой поток воздуха.

Заключение
Реализация очень многих идей и проектов была долгой. Порой на то, чтобы реализовать определённую идею, уходили столетия, но эти идеи всё таки были реализованы. Создание гиперзвукового пассажирского самолёта так же является этапным в развитии не только авиации, но и науки в целом. Опыт, который будет получен при создании ГПС, и научно-технические решения позволят создавать и другие летательные аппараты гражданского, военного, научного назначения.
Освоение в качестве топлива жидкого водорода неизбежно повлечёт за собой создание водородной инфраструктуры. Её создание стимулирует развитие водородного транспорта вообще.
Создание и применение принципиально новых ВРД, подобных тем, что планировалось использовать на «Спирали» и «А2», позволит повысить эффективность сверхзвуковых двигателей.
Быстрое развитие стран Тихоокеанского региона требует кардинального повышения скорости сообщения с Европой. Создание пассажирских гиперзвуковых самолетов позволило бы полностью решить эту проблему.
И в конце концов, страна первой создавшая пассажирский гиперзвуковой самолёт, сможет с уверенностью сказать: «Нам есть чем гордиться!»

Список используемой литературы
Дорренс У.Х., Гиперзвуковые течения вязкого газа. Пер. с англ. – М., 1966
Концепция двухступенчатого гиперзвукового самолета. AERO-EXPRESS. Авиационная техника. 2011, 20 мая
Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд. - М., 1966
Лайнер на гиперзвуковой скорости. RNNS. Наука и технологии. 2007. Ноябрь.
Филатьев А. С. Оптимальный запуск искусственного спутника земли с использованием аэродинамических сил // Космические исследования. — 1991. Т. 29, № 2. - С. 255-271.
Сверхзвуковые пассажирские самолеты могут вернуться. INFUTURE. Новости авиации. 20.11.2011
Медиапортал Авиация.ру «Аэродинамический нагрев»
Баллистические ракеты pi ракеты-носители: Пособие для студентов вузов / под ред. О. М. Алифанова. — М.: Дрофа, 2004. — 512 с.
Солозобов В., Слободчиков А., Казаков М., Ригмант В. Туполев, гиперзвуковые. Авиация и космонавтика. 2009. №10

Категория: Двенадцатая олимпиада (2014/15 уч.год) | Добавил: Service (26.12.2014) | Автор: Михайлов Артем Алексеевич E W
Просмотров: 2146 | Рейтинг: 4.3/3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
14-Я ОЛИМПИАДА ЗАВЕРШЕНА!
ИТОГИ ПОДВЕДЕНЫ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ В 15-Й ОЛИМПИАДЕ НАЧНЕТСЯ
1 ОКТЯБРЯ 2017 ГОДА!

Google+
Их многие читают
Щур Илья Андреевич (8833)
Бадакова Анастасия (6309)
Кузьминова Анастасия Олеговна (6209)
Чеховская Алена Алексеевна (4390)
Кошманов Илья Игоревич (4135)
Иванов Семен Владимирович (3882)
Пушинская Кристина Валерьевна (3810)
Беляева Александра Сергеевна (3732)
Ахметшин Тимур (3565)
Рафаэль (3379)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017