WikiDer > Waverider

Waverider
Для использования в других целях см. Waverider (значения).
В Боинг Х-51 носовая часть является примером конусообразного волновода
Китайский летающий аппарат проекта 0901 г. CASIC показывает другую конфигурацию вейверидера.
Макет советский / российский Аякс самолет выставленный в 1993 г. Авиасалон МАКС, Москва. Он все еще находится в стадии разработки

А колеблющийся это гиперзвуковой самолет конструкция, улучшающая его сверхзвуковой подъемная сила и лобовое сопротивление используя ударные волны генерируется собственным полетом в качестве подъемной поверхности, явление, известное как лифт сжатия.

Вейверайдер остается хорошо проработанной конструкцией для высокоскоростных самолетов в гиперзвуковом режиме со скоростью 5 Маха и выше, хотя такая конструкция еще не запущена в производство. В Боинг Х-51А ГПВРД Демонстрационный самолет испытывался с 2010 по 2013 год. В своем заключительном испытательном полете он достиг скорости 5,1 Маха (5 400 км / ч; 3 400 миль / ч).[1][2]

История

Ранняя работа

Концепция дизайна вейверайдера была впервые разработана Теренс Нонвейлер из Королевский университет Белфаста, и впервые описан в печати в 1951 году как возвращающийся автомобиль.[3] Он состоял из треугольное крыло платформа с низким нагрузка на крыло чтобы обеспечить значительную площадь поверхности для сброса тепла при повторном входе. В то время Нонвейлер был вынужден использовать сильно упрощенную 2D-модель воздушного потока вокруг самолета, которая, как он понимал, не будет точной из-за по размаху течь 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 Ракета Blue Streak, который в какой-то момент должен был включать пилотируемый автомобиль. Армстронг-Уитворт были заключены контракт на разработку космического корабля, и, в отличие от космической программы США, они решили использовать крылатый аппарат вместо баллистического. капсула. Между 1957 и 1959 годами они наняли Нонвейлера для дальнейшей разработки его концепций. Эта работа произвела пирамида-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, так как ракета считалась устаревшей до того, как ее можно было принять на вооружение. Затем работа переместилась в Royal Aircraft Establishment (RAE), где он продолжился как исследовательская программа в области высокоскоростных (от 4 до 7 Маха) гражданских авиалайнеры.[4]

Эта работа была обнаружена инженерами компании Североамериканская авиация во время ранних проектных исследований того, что привело бы к XB-70 бомбардировщик. Они перепроектировали 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 площадь горизонтальной подъемной поверхности в задней части самолета, что помогло компенсировать триммер с опусканием носа, который происходит на высоких скоростях, и добавил больше вертикальной поверхности, что помогло улучшить курсовую устойчивость, которая уменьшалась на высокой скорости.[нужна цитата]

Крыло каретки

В оригинальной конструкции Nonweiler ударная волна, создаваемая самолетом, использовалась как способ управления потоком по размаху и, таким образом, увеличивал количество воздуха, захваченного под крылом, так же, как крыло ограждения. Работая над этими концепциями, он заметил, что крыло можно было придать такой формы, чтобы ударная волна, создаваемая 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 захвачен между этим листом и фюзеляжем, большой объем воздуха был бы захвачен, что намного больше, чем более простой подход, который он впервые разработал. Кроме того, поскольку ударная поверхность держалась на некотором расстоянии от корабля, ударный нагрев ограничивался передними кромками крыльев, снижая тепловые нагрузки на фюзеляж.

В 1962 году Нонвейлер переехал в Университет Глазго стать профессором аэродинамики и механики жидкостей. В том же году его «Дельта-крылья форм, поддающихся точной теории ударных волн» были опубликованы Журнал Королевское авиационное общество, и заработал ему это общественное Золотая медаль. 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, как вариант, "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 Австралия за 90 минут. Газетные статьи привели к появлению на Шотландское телевидение.[нужна цитата]

Хоукер Сиддели исследовал колеблющийся крыло карета в конце 1960-х годов как часть конструкции трехступенчатой ​​лунной ракеты. Первая очередь построена на расширенном Голубая сталь, второй - гидроцикл, а третий - пилотируемая ступень 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 вейверидер с воздушно-реактивный движитель для возвращения на стартовую площадку. Верхняя ступень была спроектирована как подъемное тело и должна была нести полезную нагрузку в 8000 фунтов (3,6 т). низкая околоземная орбита.[нужна цитата]

Конические вибраторы

Работа Nonweiler была основана на исследованиях плоских двумерных сотрясений из-за сложности понимания и предсказания реальных схем сотрясений вокруг трехмерных тел. По мере того, как изучение гиперзвуковых потоков улучшалось, исследователи смогли изучить конструкции волноводных аппаратов, в которых использовались ударные волны различной формы, простейшим из которых был конический удар, 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 коническим потоком 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 различных расчетных скоростях, а иногда и иметь законцовки крыла, которые кривой вверх, чтобы присоединиться к ударной волне.[нужна цитата]

Дальнейшее развитие конических секций, добавление козырьков и областей фюзеляжа привело к созданию «вибратора 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 поверхностных потоков сжатия позволило разработать волноводные устройства с контролем объема,[5] форма верхней поверхности, интеграция двигателя и положение центра давления. Улучшение производительности и внепроектный анализ продолжались до 1970 года.[6][7]

За это время как минимум один водолаз был испытан на Woomera Rocket Range, установленный на носовой части авиалайнера Ракета Blue Steel, и несколько планеров были испытаны в аэродинамической трубе НАСА. Исследовательский центр Эймса. Однако в течение 1970-х годов большая часть работ в области гиперзвука исчезла, а вместе с ней и волновод.[нужна цитата]

Вязкостные оптимизированные вибраторы

Одно из многих различий между сверхзвуковым и гиперзвуковым полетом касается взаимодействия пограничный слой и ударные волны, исходящие от носовой части 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 полезных вычислительная гидродинамика начиная с 1980-х гг. В 1981 году Морис Расмуссен на Университет Оклахомы начал возрождение колеблющихся, опубликовав статью о новой трехмерной форме нижней стороны с использованием этих методов. Эти формы обладают превосходными подъемными характеристиками и меньшим сопротивлением. С тех пор целыми семьями конуспроизводные вейверидеры были разработаны с использованием все более и более сложных конических амортизаторов на основе более сложного программного обеспечения. Эта работа в конечном итоге привела к конференции в 1989 г. Первая международная конференция Hypersonic Waverider, проходившего в Университете Мэриленда.

Эти новейшие формы, «оптимизированные для вязкости колебания», похожи на конические конструкции до тех пор, пока угол ударной волны на носовой части превышает некоторый критический угол, например, около 14 градусов для конструкции со скоростью 6 Маха. Угол удара можно контролировать, 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, а затем разработки формы кузова, которая захватывает этот угол, а затем повторения этого процесса для разных углов. Для любой заданной скорости одна форма даст наилучшие результаты.

Дизайн

В течение возвращениегиперзвуковые аппараты создают подъемную силу только с нижней стороны фюзеляж. Нижняя сторона, наклоненная к потоку при высоком угол атаки, создает подъемную силу в ответ на заклинивание транспортного средства воздушного потока вниз. Количество подъема не особенно велико по сравнению с традиционным крыло, но более чем достаточно для маневра, учитывая расстояние, которое автомобиль преодолевает.

Большинство транспортных средств для возвращения в атмосферу были основаны на тупоносый дизайн повторного входа впервые был разработан Теодор фон Карман.[нужна цитата] Он продемонстрировал, что ударная волна вынужден «отрываться» от изогнутой поверхности, вытесняется в более крупную конфигурацию, для формирования которой требуется значительная энергия. Энергия, затраченная на формирование этой ударной волны, больше не доступна в виде тепла, поэтому такая форма может значительно снизить тепловую нагрузку на космический корабль. Такой дизайн был основой почти для каждой возвращающейся машины с тех пор, как[нужна цитата] найдено на тупых носах ранних МБР боеголовки, днища различных НАСА капсулы, и большой нос Космический шатл.

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 входа. Если предполагается, что космический корабль сможет вернуться в точку запуска "по команде", то потребуется какое-то маневрирование, чтобы противодействовать тому факту, что Земля поворачивается под космический корабль как летает. После сингла низкая околоземная орбита, 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 объединению системы тупого носа с крыльями, что привело к разработке подъемное тело дизайн в США[нужна цитата]

Именно во время работы над одной из таких конструкций Nonweiler разработал вейверайдер. Он заметил, что отрыв ударной волны над тупым передние кромки Крылья конструкции Армстронга-Уитворта позволили бы воздуху на днище корабля течь по размаху и уходить в верхнюю часть крыла через зазор между передней кромкой и отделившейся ударной волной. 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.

Полученный в результате дизайн Nonweiler представляет собой треугольное крыло с некоторым количеством отрицательных двугранный - крылья загнуты вниз от фюзеляж к подсказкам. При взгляде спереди крыло напоминает каретка символ (Arial caret.svg) в поперечное сечение, и эти рисунки часто называют каретками. Более современная трехмерная версия обычно выглядит как закругленная буква «М». Теоретически звездообразный[требуется разъяснение] волновод с фронтальным поперечным сечением «+» или «×» мог снизить сопротивление еще на 20%. Недостатком этой конструкции является то, что она имеет большую площадь контакта с ударной волной и, следовательно, имеет более выраженный рассеивание 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 кромки 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 планер имел бы капсулы вверху (быстрое возвращение при очень высоких тепловых нагрузках), колеблющиеся внизу (чрезвычайно длинные профили скольжения на большой высоте) и Космический шатл где-то посередине.

Простые вейверйдеры имеют серьезные конструктивные проблемы. Во-первых, очевидные конструкции работают только на определенных число Маха, и количество захваченной подъемной силы резко изменится по мере изменения скорости транспортного средства. Другая проблема заключается в том, что водоворот зависит от радиационное охлаждение, возможно, если транспортное средство проводит большую часть времени на очень большой высоте. 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 авиаперевозка.

Некоторые исследователи[ВОЗ?] спорно[нужна цитата] утверждают, что существуют конструкции, которые преодолевают эти проблемы. Одним из кандидатов на роль многоскоростного гидроцикла является "крыло каретки", действует под разными углами атаки. Каретное крыло - это треугольное крыло с продольным конусом или треугольником слоты или же полосы. Он сильно напоминает бумажный самолетик или же крыло рогалло. Правильный угол атаки становится все более точным при более высоких числах Маха, но это проблема управления, которая теоретически разрешима. Говорят, что крыло будет работать даже лучше, если оно будет сконструировано из плотной сетки, потому что это снижает его сопротивление, сохраняя при этом подъемную силу. Говорят, что такие крылья обладают необычным свойством работать в широком диапазоне чисел Маха в разных жидкости с широким спектром Числа Рейнольдса.

Температурную проблему можно решить с помощью некоторой комбинации происходящий поверхность, экзотические материалы и, возможно, тепловые трубы. На просвечивающей поверхности небольшое количество охлаждающая жидкость например, вода закачивается через небольшие отверстия в обшивке самолета (см. испарение и пот). Эта конструкция работает для космического корабля со скоростью 25 Маха. защитные щиты, и поэтому должен работать для любого самолета, который может нести вес охлаждающей жидкости. Экзотические материалы, такие как углерод-углеродный композит не проводят тепло, но переносят его, но, как правило, хрупкий. Тепловые трубки в настоящее время широко не используются. Как обычный теплообменник, они проводят тепло лучше, чем большинство твердых материалов, но как термосифон пассивно прокачиваются. 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 охлаждающей жидкости 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, чем Армированный углеродный композит (RCC), используемые 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]

Рекомендации

  1. ^ Уорик, Грэм. "Первый гиперзвуковой полет X-51A признан успешным". Авиационная неделя и космические технологии, 26 мая 2010 г.[мертвая ссылка]
  2. ^ «Экспериментальный самолет разгоняется до более чем 3000 миль в час в испытательном полете». latimes.com. 3 мая 2013 г.. Получено 2013-05-03.
  3. ^ "Nonweiler Waverider". Энциклопедия Astronautica. Получено 15 августа 2012.
  4. ^ Д-р Дж. Седдон; Д-р Дж. Э. Гордон; Д-р Р. Р. Джемисон (1962). «Сверхзвуковой гиперзвуковой полет». Правительство Великобритании (через Имперский военный музей). Архивировано из оригинал на 2012-12-24. Получено 2012-10-17.
  5. ^ а б Джонс, Дж. Г., К. К. Мур, Дж. Пайк и П.Л. Икра. «Метод проектирования подъемных конфигураций для высоких сверхзвуковых скоростей с использованием осесимметричных полей потока». Ingenieur-Archiv, 37, Band, 1, Heft, стр. 56-72, 1968.
  6. ^ Пайк, Дж. «Экспериментальные результаты трех волноводов с конусным потоком». Материалы 30 конференции Агарда, Гиперзвуковые граничные слои и поля течения, Королевское авиационное общество, Лондон, Ref. 12, стр. 20, 1–3 мая 1968 г.
  7. ^ Пайк, Дж. «Давление на плоские и угловые треугольные крылья с присоединенными ударными волнами». The Aeronautical Quarterly, Том XXIII, часть 4, ноябрь 1972 г.
  8. ^ «Гиперзвуковой самолет Х-51 совершит испытательный полет в мае». Космический полет сейчас. 2010 г.. Получено 2012-08-16.
  9. ^ 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. Дои:10.1111 / j.1551-2916.2008.02364.x.
  10. ^ Авиационная неделя «Материалы Sandia обеспечивают возможность гиперзвукового полета»[мертвая ссылка]

внешняя ссылка