Автор: Мухаметзянов Марсель Маратович
Возраст: 18 лет
Место учебы: "Уфимский авиационный техникум"ФГБОУ ВО "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Город: Уфа
Руководитель: Дикова Флорида Амировна, преподаватель ФГБОУ ВО УГАТУ "Уфимский авиационный техникум" по дисциплинам Теория авиационных двигателей и Конструкция двигателей.
Когда полетит пассажирский самолет
с гиперзвуковой скоростью?
План исследовательской работы:
- Введение
- Историческое исследование вопроса.
- Гиперзвуковой летательный аппарат как пассажирский самолет
- Схема и особенности гиперзвукового двигателя.
- Проблемы создания пассажирского гиперзвукового самолета.
- Список использованной литературы
1.Введение
В настоящее время в мире быстро нарастает интерес к освоению гиперзвуковых полётов в атмосфере. Создание гиперзвукового летательного аппарата, тем более пассажирского - сложная инженерная задача, характеризующаяся высокой неопределенностью количественных показателей отдельных подсистем создаваемого технического объекта, что связано с применением значительного количества новых технических решений и технологий.
Целью работы являются ответы на вопросы "Когда полетит пассажирский самолет с гиперзвуковой скоростью?» и что он из себя представляет.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-выполнить историческое исследование вопроса;
-рассмотреть гиперзвуковой летательный аппарат как пассажирский самолет и особенности гиперзвукового двигателя;
-выделить проблемы создания гиперзвукового самолета.
2.Историческое исследование вопроса
В 50-е годы шла борьба за достижение скорости звука. Когда инженеры и ученые поняли - как ведет себя самолет при скорости выше скорости звука и научились создавать летательные аппараты, предназначенные для таких полетов, пришло время идти дальше. Заставить самолеты, и военные, и пассажирские, летать еще быстрее. Гиперзвуковая скорость (ГС) в аэродинамике — скорости, которые значительно превосходят скорость звука в атмосфере. Начиная с 1970-х годов, понятие ГС обычно относят к сверхзвуковым скоростям выше 5 чисел Маха (М). 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.
Полет на гиперзвуковой скорости является частью сверхзвукового режима полета и осуществляется в сверхзвуковом потоке газа. Сверхзвуковой поток воздуха коренным образом отличается от дозвукового и динамика полета самолета при скоростях выше скорости звука (выше 1,2 М) кардинально отличается от дозвукового полета (до 0,75 М, диапазон скоростей от 0,75 до 1,2 М называется трансзвуковой скоростью). Определение нижней границы гиперзвуковой скорости обычно связано с началом процессов ионизации и диссоциации молекул в пограничном слое (ПС) около аппарата, который движется в атмосфере, что начинает происходить примерно при 5 М. Также данная скорость характеризуется тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель («ПВРД») с дозвуковым сгоранием топлива («СПВРД») становится бесполезным из-за чрезвычайно высокого трения, которое возникает при торможении проходящего воздуха в двигателе этого типа. Таким образом, в гиперзвуковом диапазоне скоростей для продолжения полета возможно использование только ракетного двигателя или гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) со сверхзвуковым сгоранием топлива.
В 1967 году американский экспериментальный летательный аппарат X-15 достиг скорости 6,72 М (7274 км/ч). Он был оснащен ракетным двигателем и летал на высотах от 81 до 107 км (100 км, это линия Кармана, условная граница атмосферы и космоса). Поэтому, правильнее называть X-15 не самолетом, а ракетопланом. Взлететь самостоятельно он не мог, ему требовался самолет-разгонщик. Но все-таки, это был гиперзвуковой полет. Летали X-15 с 1962 по 1968 годы.
Рис 1. X-15
Стоит понимать, что полеты вне атмосферы, какими бы быстрыми они не были, не корректно считать гиперзвуковыми, ведь плотность среды в которой движется летательный аппарат очень мала. Эффектов, присущих сверхзвуковому или гиперзвуковому полету, просто не будет.
В 1965 году YF-12 (прототип знаменитого SR-71) достиг скорости 3331,5 км/ч, а в 1976 уже сам серийный SR-71 — 3529,6 км/ч. Это "всего лишь" 3,2–3,3 М. Далеко не гиперзвук, но уже для полетов на этой скорости в атмосфере пришлось разрабатывать специальные двигатели, которые на малых скоростях работали в обычном режиме, а на высоких в режиме прямоточного двигателя, а для пилотов — специальные системы жизнеобеспечения (скафандры и системы охлаждения), так как самолет нагревался слишком сильно. Позднее, эти скафандры использовались для проекта Шаттл. Очень долгое время SR-71 являлся самым скоростным самолетом в мире (летать он перестал в 1999 году).
В те же 60-е в США и СССР существовали проекты космических проектов X-20 «Dyna Soar» и "Спираль" соответственно. Для Спирали изначально предполагалось использование гиперзвукового самолета-разгонщика, потом сверхзвукового, а потом проект вообще закрыли. Та же судьба постигла и американский проект.
Рис 3. Космический самолет Спираль
Вообще проекты именно гиперзвуковых летательных аппаратов того времени были связны с полетами вне атмосферы. Иначе и быть не может, на "малых" высотах слишком высока плотность и соответственно сопротивление, что приводит ко многим негативным факторам, которые в то время преодолеть не смогли.
За всеми перспективными исследованиями, как обычно, стоят военные. Подтверждается и в случае с гиперзвуковыми скоростями.
Сейчас исследования ведутся в основном в направлении космических аппаратов, гиперзвуковых крылатых ракет и так называемых гиперзвуковых боевых блоков. Теперь уже речь идет о "настоящем" гиперзвуке, полетах в атмосфере.
Работы по гиперзвуковым скоростям были в активной фазе в 60-70 годах, потом все проекты были закрыты. Вернулись к скоростям выше 5 М только на рубеже 2000-х годов. Когда технологии позволили создавать эффективные прямоточные двигатели для гиперзвуковых полетов.
В 2001 первый полет совершил беспилотный летательный аппарат с прямоточным двигателем Boeing X-43. Уже в 2014 он разогнался до скорости в 9,6 М (11 200 км/ч). Хотя проектировался X-43 для скоростей в 7 раз выше скорости звука. При этом рекорд был поставлен не в космосе, а на высоте всего 33 500 метров.
В 2009 году начались испытания прямоточного двигателя для крылатой ракеты компании Boeing X-51A Waverider. В 2013 году аппарат X-51A разогнался до гиперзвуковой скорости — 5,1 М на высоте 21 000 метров.
Рис 4. X-51A Waverider гиперзвуковая крылатая ракета
Аналогичные проекты на разных стадиях осуществляют и другие страны: Германия (SHEFEX), Великобритания (Skylon), Россия («Холод» и «Игла»), Китай (WU-14) и даже Индия (Брамос), Австралия (ScramSpace) и Бразилия (14-X).
Рис 5. Skylon
Все перечисленные летательные аппараты (кроме Skylon) не могут самостоятельно набрать необходимую для работы прямоточного двигателя скорость и используют разные ускорители. Но Skylon пока только проект, не сделавший ни единого испытательного полета.
Если говорить о космических аппаратах, развивающих гиперзвуковую скорость, то следует вспомнить космические корабли многоразового использования, которые развивают во время спуска скорость во много раз больше скорости звука. К подобным кораблям относятся американские шаттлы и советский «Буран» (рис 6.) [4]
Рис 6. Орбитальный корабль-ракетоплан «Буран»
3. Гиперзвуковой летательный аппарат как пассажирский самолет
Авиастроительный концерн Airbus получил патент на гиперзвуковой пассажирский самолет с тремя типами двигателей. По оценке компании, новое транспортное средство сможет в полете развивать скорость до 4,5 Маха (около 5,2 тысячи километров в час), что в шесть раз больше скорости, на которой выполняют полеты современные пассажирские самолеты, сообщает издание N+1.
На самолете, разрабатываемомAirbus планируется устанавливать три типа двигателей. В передней части фюзеляжа будут размещаться обычные турбовентиляторные реактивные двигатели, под консолями крыла —гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели, а в хвостовой части — ракетные силовые установки. Каждый из двигателей должен участвовать в определенном этапе набора высоты и скорости полета. Согласно описанию, перспективный самолет будет взлетать при помощи турбовентиляторных двигателей, после этого двигатели будут отключаться и втягиваться во внутренний отсек в фюзеляже. Одновременно будут включаться реактивные двигатели в хвостовой части. Они должны будут разгонять самолет до скорости подхвата гиперзвуковых двигателей. После включения гиперзвуковых двигателей ракетные будут отключаться и закрываться специальной заслонкой, чтобы исключить их влияние на аэродинамические характеристики. Крейсерская высота полета гиперзвукового пассажирского самолета составит от 30 до 35 тысяч метров. Основной набор высоты и разгон будет происходить при помощи ракетных двигателей, причем высота будет набираться строго вертикально. В этом случае при превышении скорости звука ударные волны от самолета будут расходиться горизонтально, не достигая поверхности земли. Образец гиперзвукового самолета от концерна Airbus представлен на рисунке ниже.
Рис 7. Образец гиперзвукового самолета от концерна Airbus
По предварительным подсчетам, перспективному гиперзвуковому самолету потребуется около трех часов на преодоление расстояния в девять тысяч километров. Сегодня в гражданской авиации не используются самолеты, способные летать быстрее скорости звука. В 1970-х годах были созданы сверхзвуковые пассажирские самолеты Ту-144 и Concorde. Первые эксплуатировались до 1977 года и были списаны из-за дороговизны перелетов. Concorde прослужили до 2003 года. Оба типа самолетов использовали обычные турбореактивные двигатели. [5]
4.Схема и особенности гиперзвукового двигателя
«Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель» (ГПВРД) — вариант прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), который отличается от обычного сверхзвуковым сгоранием. На больших скоростях для сохранения эффективности двигателя необходимо избегать торможения приходящего воздуха и производить сжигание топлива в сверхзвуковом воздушном потоке.
Рис.8 Принципиальная схема гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД):
1 — КС, 2 — расширяющееся сопло. КС начинается не за диффузором, как у ПВРД,
а почти сразу за горлом воздухозаборника. Топливовоздушная смесь горит, двигаясь со сверхзвуковой скоростью.
Продукты горения еще более разгоняются в расширяющемся сопле
Рис.9 Принципиальная схема ГПВРД с внешним горением: 1 — место впрыска топлива.
Горение происходит на внешней стороне двигателя — давление продуктов сгорания меньше,
чем в закрытой КС, но тяга — сила, действующая на стенки планера,
больше лобового сопротивления, что и приводит аппарат в движение.
Простейший вариант гиперзвукового ПВРД выглядит как пара воронок, которые соединены друг с другом узкими отверстиями. Первая воронка служит воздухозаборником, в наиболее узкой части происходит сжатие входящего воздуха, добавление в него топлива и сжигание смеси, что ещё больше поднимает температуру и давление газа. Вторая воронка формирует сопло, через которое происходит расширение продуктов сгорания и создание тяги. Такая схема позволяет ГПВРД исключить сильное трение и обеспечивает высокую эффективность сгорания при его использовании на скоростях свыше 8М, что достигается путём сохранения практически неизменной скорости проходящего через весь двигатель воздуха. Поскольку по сравнению с СПВРД проходящий газ в гиперзвуковом ПВРД меньше замедляется, он меньше разогревается, и сгорание происходит более эффективно с большим выделением полезной энергии. Основная сложность такой схемы состоит в том, что топливо должно быть смешано с воздухом и сожжено за крайне короткое время, и в том, что любое нарушение геометрии двигателя приведёт к большому трению. Расположение ГПВРД под корпусом (фюзеляжем) аппарата предназначено для конвертирования силы трения в подъёмную силу и создания дополнительной подъёмной силы, используя выхлоп двигателя. Это формирует подъёмную силу при гиперзвуковом полете и определяет дизайн гиперзвуковых самолётов.
Рисунок со схемой гиперзвукового ПВРД. Вариант, использующий конус в воздуховоде. [2]
Рис 10. Схема гиперзвукового ПВРД
4. Проблемы создания гиперзвукового пассажирского самолета
Гиперзвуковой пассажирский самолет - это пассажирский летательный аппарат, способный осуществлять полёт в атмосфере с гиперзвуковой скоростью (большей или равной 5М; М — число Маха) и маневрировать с использованием аэродинамических сил.
Можно выделить следующие проблемы гиперзвукового пассажирского самолета:
Во-первых, проблемой, объясняющей высокую потенциальную стоимость эксплуатации гиперзвуковых самолетов, остается низкая эффективность существующего способа получения водорода. В отличие от современных дозвуковых самолетов, авиалайнеры, работающие на водороде, не будут выбрасывать в атмосферу вещества, усиливающие парниковый эффект, такие как углекислый газ, окиси серы и сажа. Однако у водородных двигателей есть свой недостаток: в процессе их работы образуются водяные пары, которые надолго остаются в стратосфере и могут сыграть свою роль в процессе глобального потепления.
Во-вторых, на таких высоких скоростях полета возникает еще одна проблема-воздействие звукового удара, вызываемого ударной волной от самолета, движущегося со сверхзвуковой скоростью. Громкость звукового удара, достигающего земли, может достигать 160 дБ - достаточно, чтобы привести к необратимой потере слуха. Фиксируемый на земле звуковой удар от летящего на сверхзвуке Concorde составлял 135 дБ - гораздо громче, чем в среднем шум, производимый дозвуковыми авиалайнерами. Еще громче звуковой удар при изменении скорости или маневрировании. Причем громкость достигающей земли ударной волны в этом случае в два или три раза выше, чем на высоте, на которой пролетает самолет. [1]
Еще одна проблема, которую предстоит решить, - это нагревание внешних поверхностей гиперзвукового самолета: при полете на скоростях от М=5 и выше температура его обшивки будет достигать 1000°C. Алюминий и титан при таких температурах плавятся, подобно маслу. Придется использовать керамические материалы. Большинство концептов предусматривают размещение пассажиров вдоль топливных баков, занимающих большую часть самолета. Среди вариантов топлива исследователи рассматривают жидкий водород: он сгорает без CO2 и может быть использован для охлаждения лайнера. Исследователи уже сегодня тестируют специальную жаростойкую керамику, способную выдерживать крайне высокие температуры. Этот материал может защитить передние кромки самолета, которые из-за лобового сопротивления будут нагреваться до нескольких тысяч градусов по Цельсию. Важно, чтобы площадь нагрева внешней обшивки самолета оставалась минимальной, так тепловая нагрузка для пассажиров останется нормальной, как во время обычного полета.”
В ходе продувок на скорости М=8 поверхность модели нагревалась до температуры примерно на 30% ниже, чем на скорости М=5. Масса термозащитного покрытия, требуемого для воздушного судна, летающего на скорости М=8, может быть ниже, чем для самолета, летающего на М=5. Чем легче самолет, тем ниже расход топлива; соответственно, снижается объем топливных баков, а это, в свою очередь, ведет к еще большему облегчению конструкции. [3]
Работы в этом направлении ведутся сегодня и частными компаниями, которые планируют использовать подобные аппараты для суборбитального туризма. Однако эти работы идут уже на современном уровне развития технологий и, скорее всего, закончатся успешно.
5.Заключение
В заключении можно сказать следующее:
- За последние годы сделан огромный шаг в развитии гиперзвуковых летательных аппаратов;
- Прогресс развития авиационного двигателестроения и самолетостроения дает понять, что будущее авиации за большими сверхзвуковыми и гиперзвуковыми скоростями;
- Воплощение в жизнь идей и проектов создания гиперзвуковых аппаратов были и будут долгими;
- Опыт, получаемый при создание военных самолетов отразится и на успешном создании пассажирских гиперзвуковых самолетов;
- Создание и применение новых ГПВРД позволит использовать их не только на ракетах, но и на самолетах;
- Для реализации проекта в гражданской авиации необходимо усовершенствовать способ получения водорода и внедрить альтернативное топливо, например, жидкий водород, который может решить проблему с нагреванием корпуса. Также нуждается в разработке технология минимизации звукового удара.
После решения всех проблем в создании гиперзвукового пассажирского самолета начнется новая эра в авиастроении.
Итак, когда же мы сможем забронировать билет? Я думаю, что на совершенствование проектов гиперзвукового самолета уйдет, как и предсказывают ученые, около 10-20 лет.
6.Список литературы
1. Сайт BBC [Электронный ресурс]. -http://www.bbc.com/future/story/20150914-the-challenges-of-building-a-hypersonic-airliner
2.Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - http://wikipedia.org
3. Медиапортал Авиация.ру «Аэродинамический нагрев»
4. Медиапортал Авиаторы и их друзья «Гиперзвук. Когда полетим?»
6. Медиапортал N+1 Airbus запатентовал гиперзвуковой пассажирский самолет.
7. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд. - М., 1966
8. Бондарюк, М.М. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели - М.: ЁЁ Медиа, 2006. - 366 c.
| 
