Туполев, гиперзвуковые. Гиперзвуковые самолеты
Как отмечалось ранее, начиная с 70-х годов в ОКБ велись работы по созданию самолетов, способных выполнять длительный полет на крейсерских гиперзвуковых скоростях,
К означенному периоду в авиационно-космической технике и технологиях были достигнуты значительные результаты, полеты на сверхзвуковых скоростях стали обыденным явлением для самолетов военного назначения, внедрялись в эксплуатацию первые сверхзвуковые пассажирские самолеты, осуществлялись пилотируемые и беспилотные полеты в космос. Появились уже и серийные самолеты, летавшие в атмосфере со скоростями, соответствующими М=3 (МиГ-25, SR-71). Космические спускаемые аппараты и воздушно-космические самолеты с большими числами М совершали полеты на очень больших высотах, кратковременно проходя плотные слои атмосферы с гиперзвуковыми скоростями.
Общая диалектика развития авиационной техники, а также желание военно-политического руководства стран по обе стороны «железного занавеса» получить в свои руки очередное абсолютное оружие, поставило перед авиационной промышленностью передовых авиационных держав задачу создания летательных аппаратов самолетного типа с большими гиперзвуковыми скоростями, соответствующим М=3-10, способными выполнять полет на высотах 30-35 км. Подобный летательный аппарат по своим техническим решениям (как по части силовой установки, так и по своей конструкции) должен был в значительной степени отличаться от современных самолетов и космических аппаратов. Существовавшие типы ВРД, эффективно использовавшие атмосферу при полетах на малых высотах, из-за ограничений по температуре были приемлемы только для летательных аппаратов со скоростями полета, соответствующим М=3. С другой стороны, ракетные двигатели, для которых таких ограничений не было, из-за необходимости нести на борту полный запас топлива (горючее + окислитель), являлись нерациональными для продолжительных полетов в атмосфере.
Наиболее рациональным для принятых режимов будущего гиперзвукового самолета являлся прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) в комбинации с разгонным двигателем (ТРД или ЖРД). С целью достижения высокой эффективности силовой установки в качестве горючего предлагалось использовать жидкий водород. Для полетов в диапазоне чисел М=3-5, наиболее приемлемой определялась комбинированная силовая установка, содержащая турбореактивный и прямоточный двигатель, работающие на углеводородном горючем или сжиженным природным газе (СПГ). Для полетов со скоростями, превышающих М=5-6, наиболее подходящим являлся ПВРД на жидком водороде с разгонными ТРД на керосине или на жидком водороде.
Коренных изменений, с учетом способности летательного аппарата длительно воспринимать в полете высокие и сверхвысокие температуры, требовала конструкция подобного летательного аппарата. Выбор конструкции должен был определяться следующими факторами: с одной стороны, интенсивностью аэродинамического нагрева и его продолжительностью, а с другой стороны, кратностью ее использования или ресурсом.
Накопленный опыт показывал, что для летательных аппаратов, подверженных интенсивному аэродинамическому нагреву продолжительное время перспективными представлялись следующие типы конструкций: «горячая», теплоизолированная и активно-охлаждаемая. «Горячая» конструкция непосредственно контактируете окружающей средой. Теплоизолированная конструкция защищена теплоизлучающим слоем или экраном. Конструкция с активным охлаждением предполагала использование системы циркуляции теплоносителя, отводящего тепло от обшивки. Основными проблемами, требовавшими решения, являлись ослабление температурных напряжений, уменьшение коробления и увеличение ресурса конструкции. Одним из направлений, позволявшим ослабить температурные напряжения, являлось использование теплозащитных панелей (гофрированных, трубчатых и т.п.). Теплоизолированные конструкции предлагалось выполнять как сочетание силовой конструкции и теплозащиты. Самолет с умеренными требованиями к ресурсу и с крейсерским числом полета М=6 мог иметь «горячую» конструкцию или экранированную конструкцию, или упрощенную пассивную систему охлаждения. Для самолетов с большим ресурсом активная система охлаждения представлялась необходимой. В системе должны были использоваться промежуточные теплоноситель (например этилен гликоль), циркулирующий в каналах обшивки, передающий тепло через теплообменник жидкому водороду, который после этого должен был служить охладителем компонентов двигателя и поступать в камеру сгорания. Требования к активной системе могли быть снижены применением теплозащитных экранов или теплоизоляции.
Необходимость использования жидкого водорода в качестве топлива гиперзвукового самолета требует разработки высокоэффективной конструкции баков и низкотемпературной теплоизоляции (НТИ). Несмотря на то, что начиная с 60-х гг. было исследовано как в США, так и в СССР много различных конструкций криогенных баков и НТИ ни одна из этих конструкций не удовлетворяет как техническим, так и экономическим требованиям для гиперзвукового самолета. Так, конструкции криогенных баков и НТИ, разработанные лля применения в ракетной технике, имеют ограниченный ресурс. Отсутствие необходимости их многократного использования не требовало подробных исследований срока службы НТИ при длительном влиянии термоциклирова-ния, вибрации, климатических условий, старения материалов с точки зрения деградации их теплофизичес-ких и физикомеханических характеристик во времени.
Исследования по вопросам создания самолета на криогенном топливе показали, что среди множества технических проблем, одной из наиболее существенных является тепловая защита криогенных топливных баков.
Имевшийся, на тот период, задел в области гиперзвуковой аэродинамики был более весомый, чем в области конструкций и силовых установок будущих гиперзвуковых самолетов. Многие результаты аналитических и экспериментальных исследований, проведенных по другим авиационным, ракетным и авиационно-космическим программам (в частности по МВКА) были во многом применимы к гиперзвуковым самолетам. Предстояло еще много сделать для определения оптимальной аэродинамической схемы, обеспечивающей полезное взаимодействие силовой установки и планера гиперзвукового самолета. Как и для обычных самолетов, необходимо было вести исследования по применению систем активного управления при уменьшении запасов статической устойчивости, что должно было снизить размеры и массу летательного аппарата.
В СССР работы по гиперзвуковым самолетам в ударных вариантах начались в середине 70-х годов. К работам над этой перспективной тематикой было подключено несколько авиационных ОКБ страны и научно-исследовательских организаций авиационной промышленности.
В Туполевском ОКБ работы шли в следующих направлениях:
- — исследования и проектирование гиперзвукового дальнего ударного самолета, рассчитанного на крейсерскую скорость полета, соответствующую М=4 — проект «230» (Ту-230). Проектирование было начато в 1983 г. Эскизный проект был готов в 1985 г. Взлетная масса самолета определялась в пределах 180 т. Силовая установка должна была состоять из четырех комбинированных ТРД типа Д-80. Максимальный запас топлива (керосин) — 106 т. Высота крейсерского полета 25000 — 27000 м, максимальная дальность полета определялась в 8000 — 10000 км при продолжительности полета 2,3 часа, (длина самолета — 54,15 м, размах крыла — 26,83 м);
- — исследования и проектирование гиперзвукового дальнего самолета, рассчитанного на крейсерскую скорость полета, соответствующую М=6 — проект «260» (Ту-260). Это был ЛА с двигателями, работающими на крейсерском режиме на жидком водороде с дальностью полета до 12000 км при 10 т полезной нагрузки;
- — исследования и проектирование гиперзвукового межконтинентального самолета, рассчитанного на крейсерскую скорость полета, соответствующую М=6, при заданной максимальной дальности полета до 16000 км и с полезной нагрузкой до 20 т — проект «360» (Ту-360). Высота крейсерского полета 30000 — 33000 м.
По теме «260» и «360» в ОКБ было подготовлено несколько вариантов гиперзвукового самолета с силовой установкой с 4-6 маршевыми ПВРД и с шестью разгонными ТРДЦ тягой по 22000 кгс. Расчетный удельный расход топлива ПВРД на крейсерском режиме составлял 1,04 кг/кгсч. Выбранная компоновочно-аэродинамическая схема позволила получить расчетные значения качества 5,2 — 5,5. Для разгонных ТРДЦ предполагалось использовать керосин.
В рамках работ по гиперзвуковым самолетам в ОКБ было подготовлено предложение по проекту гиперзвукового пассажирского самолета, рассчитанного на крейсерский полет со скоростью, соответствующей М = 4,5-5 на высотах 28 — 32 км. Дальность полета определялась в 8500 — 10000 км. Число пассажиров — 250 — 280 человек. Силовая установка — комбинированная (ТРД + ПВРД), в качестве топлива должен был использоваться сжиженный природный газ.
В ходе исследований по гиперзвуковым самолетам в ОКБ были проведены обширные исследования материалов и конструкций, работающих в условиях интенсивного аэродинамического нагрева. Был сделан вывод, что одними из наиболее перспективных являются конструкции с металлическими внешними поверхностями. Разработка таких конструкций требовала решения ряда задач, основными среди которых являлись поиски новых конструкционных материалов с повышенным сопротивлением окислению и увеличенным пределом ползучести, а также разработка качественно новых типов многослойных металлических конструкций, эксплуатирующихся в условиях больших температурных градиентов. Основными типами таких конструкций, которые рассматривались в ОКБ для гиперзвуковых самолетов, были:
- — металлические теплозащитные экраны для снижения тепловых потоков к основной силовой конструкции, не включенные в работу силовой конструкции и проектируемые на местную поперечную нагрузку;
- — панели, обладающие как свойствами силовой конструкции, так и теплоизолирующими свойствами.
Одними из наиболее эффективных по несущей способности при работе в условиях нагрева до 250 — 500 °С являются многослойные конструкции из титановых сплавов.
В ходе этих исследований были разработаны технологии получения многослойных титановых панелей с ферменным заполнителем методом СПФ/ДС (сверхпластичная формовка и диффузионная сварка), в котором за одну операцию производилось и формирование из листового материала обшивок, заполнителя, элементов заготовок и соединения их между собой в готовую монолитную конструкцию.
Проводились исследования по низкотемпературной теплозащите (НТИ) топливных баков с криогенным топливом. Как наиболее перспективная рассматривалась теплозащита на основе экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) с мягкой герметичной оболочкой, обжатой атмосферным давлением для внешней НТИ, или давлением водорода для внутренней НТИ. Конструкция бака при этом может выполняться как из алюминиевых или титановых сплавов, так и из композиционных материалов. В ОКБ были изготовлены модельные баки, как с НТИ на основе пенопластов, так и с обжатой атмосферным давлением ЭВТИ. Были проведены ресурсные испытания этих баков с использованием жидкого азота.
Большое внимание уделялось проектированию криогенных топливных баков с большим ресурсом работы. При их разработке были созданы специальные нормы прочности, обеспечивающие необходимую герметичность в процессе эксплуатации.
Все эти и другие работы ОКБ имели большое значение для решения проблем создания гиперзвуковых летательных аппаратов, над которыми в те годы работало ОКБ, а также в работах по созданию криогенных самолетов, в частности, экспериментального Ту-155, проектов криогенных пассажирских самолетов Ту-204К, Ту-334К и др., над которыми ОКБ продолжает работать в настоящее время.
Сегодня ОКБ ОАО «Туполев» является обладателем уникальных технологий по криогенной авиационной технике, многие из которых были освоены в период работ по ВКС и гиперзвуковым самолетам.
источник: Валерий Солозобов, Александр Слободчиков, Михаил Казаков, Владимир Ригмант "Туполев, гиперзвуковые" Авиация и Космонавтика №1-2010
