В небе Родины
В небе Родины
Интересная винтажная статья, которая, думаю, заинтересует коллег.
Содержание:
Наши скоростные пассажирские лайнеры завоевали всеобщее признание: ими по праву гордится советский народ.
А впереди захватывающая перспектива полота на пассажирском космическом корабле. Юрий Гагарин, а за ним Герман Титов первыми проникли в моемое. Это сделано а осуществление Программы КПСС. В ее проекте предусмотрено грандиозное развитие всех видов авиации.
«Авиационный транспорт превратится в массовый вид перевозки пассажиров, охватит все районы страны. Дальнейшее быстрое развитие получит новейшая реактивная техника, прежде всего в области воздушного транспорта, а также для освоения космического пространства».
* * *
Развитие авиации напоминает бег с препятствиями, где вся дистанция разделена на этапы своеобразными «барьерами», поставленными природой.
На долю реактивной авиации природа тоже припасла несколько «барьеров». Из них первым м наиболее болезненным был «звуковой».
При достижении самолетом скорости звука сопротивление полету резко возрастало. Тяги двигателя не хватало для преодоления возросшего сопротивления. Начинали вибрировать, в иногда обламывались крылья, хвостовое оперение. Часто все это происходило в доли секунды, так что летчик даже не успевал снизить скорость полета…
Только новые аэродинамические формы и огромные мощности двигателей позволили авиации преодолеть «звуковой барьер». Но недолго продолжалось затишье. Путь к большим скоростям преградил «тепловой барьер».
Ведь обшивка самолета нагревается до 150°С при скорости, в 2 раза большей скорости звука. Если же скорость полета превысит луковую в 4 раза, температура обшивки достигнет 600°С.
Поэтому конструкторам пришлось заменить классический авиационный материал дюралюминий жаропрочной сталью и титаном, в кабину летчика и другие отсеки самолета пришлось защищать мощной изоляцией и создавать системы охлаждения для отвода тепла с раскаленной обшивки самолета.
НОВЫЙ БАРЬЕР
«Шум пробуждает у невежды представление о силе»,
– сказал Уатт о владельце паровой машины, который запретил произвести регулировку, необходимую для уменьшения шума.
Когда гражданская авиация стала оснащаться реактивными лайнерами, борьба с самолетным шумом внезапно стала проблемой номер один, которая по трудности разрешения стоит не ниже «звукового и теплового барьеров». Как бы по традиции эту новую проблему, это препятствие на пути развития авиации можно назвать «шумовым барьером».
Величину шума обычно измеряют в децибелах (дБ). Уровень шума в тихой квартире составляет 40 дБ, в вагоне метро – около 100 дБ. А уровень шумя в 130 дБ уже вызывает у человеке болевое ощущение. Но важно знать не только его уровень, но и каким частотам соответствует тот или иной шум, то есть спектральный состав шуме.
Ведь высокочастотные шумы наиболее сильно раздражают нервную систему и быстрее вызывают утомляемость человека, но зато они лучше поглощаются звукоизоляцией.
Максимальный шум от турбореактивных двигателей (ТРД) находится именно в высокочастотной области спектра. Он наиболее неприятен для человека, но с ним несколько легче бороться, улучшая звукоизоляцию самолета.
Низкочастотный шум турбовинтового двигателя (ТВД) создается главным образом вращающимся винтом, лопасти которого порождают а воздушной среде переменное поле давления. Если мы встанем невдалеке от винта в плоскости вращения его, то услышим низкочастотный шум, который достигает максимального значения а плоскости вращения винта. Это шум вращения. Его максимум лежит вдоль оси вращения винта.
Встав перед винтом, мы услышим высокочастотный шум, напоминающий грохот. Это вихревой шум.
Основная неприятность у ТВД – шум вращения. Наиболее неприятен для пассажира шум, частота и амплитуда которого постоянно меняются. Синхронизация же выравнивает периоды вращения всех винтов, делая шум более «комфортабельным».
Фазосинхронизатор дополнительно к синхронизации устанавливает лопасти в наивыгоднейшее положение – так, чтобы давления и разрежения от различных винтов взаимно уничтожались.
Насадки-глушители, которые ставят на ТРД снижают самолетный шум на земле, не давая ощутимого эффекта в кабине.
Вот почему все эти методы снижения шуме не могут полностью решить проблему, особенно для будущих высокоскоростных самолетов. Ведь уже у современных авиадвигателей «достигнут» уровень шуме в 160 дБ, который не только нетерпим для человеке, но и опасен для самолете.
А нельзя ли использовать важное свойство шума авиационных двигателей – его направленность? Ведь перенося двигатель как можно дальше назад, к хвосту самолета, мы оставляем пассажирскую кабину в области низких шумов. Но такое смещение двигателей сильно изменит формы и конструкции будущих воздушных лайнеров.
САМОЛЕТ ЗАВТРАШНЕГО ДНЯ
Чтобы самолет сохранял устойчивость и управляемость, его центр тяжести и точки приложения подъемных сил не крыльях и хвостовом оперении должны находиться в строго определенных пределах.
Смещая двигатели к хвосту, мы перемещаем и центр тяжести самолета назад. Поэтому, чтобы не нарушить балансировки, приходится сдвинуть назад крыло и увеличить размеры хвостового оперения.
Схеме «утка» позволяет беспрепятственно перемещать двигатели назад. У машины, построенной по такой схеме, горизонтальное оперение вынесено далеко вперед, в носовую часть.
Если у обычного самолете хвостовое оперение создает в горизонтальном полете силу, направленную вниз, и тем уменьшает общую подъемную силу крыле, то у «утки» горизонтальное оперение создает вертикальную силу вверх, помогая крылу. Поэтому «утка» может поднять и перевезти больше коммерческого грузе, чем такой же по весу самолет обычной конструкции.
Недостаток этой схемы проявляется не малых скоростях: при взлете и посадке самолет как бы клюет носом, грозя удариться о землю. Чтобы от этого избавиться, можно, например, увеличить эффективность горизонтального оперения, обдувая его верхнюю поверхность потоком воздуха, или помогать горизонтальному оперению вертикальной силой тяги небольшого реактивного двигателя в носовой части самолета.
Сверхзвуковые лайнеры будущего смогут летать со скоростью 2000-3000 км/час. Перелет Москва – Владивосток займет всего 3-4 часа. Чтобы защитить обшивку самолета от перегрева, придется повысить потолок до 20-25 км. Основной материал обшивки – сталь и титан.
Будут ли в сверхзвуковом самолете окна в пассажирской кабине? Мнения конструкторов по этому вопросу разделились. Окна ухудшают аэродинамику машины, ослабляют конструкцию фюзеляжа и, следовательно, увеличивают его вес. Новые трудности создает нагрев: ведь обычное органическое стекло отзывается в этом случае непригодным. Поэтому понятно стремление конструкторов обойтись без окон, заменив их, к примеру, телевизионными экранами. С другой стороны, указывают на психологический эффект, называемый «клаустрофобией», связанный с боязнью оставаться в закрытом помещении. Ведь даже незначительная болтанка при невозможности «выглянуть в окно» будет неприятно переноситься пассажирами. Окончательный ответ на этот вопрос даст, очевидно, первый сверхзвуковой пассажирский самолет.
В дальнейшем, когда будут созданы более мощные двигатели и освоена более эффективная защита от аэродинамического нагрева, реальным станет пассажирский воздушный корабль со скоростью полета, в 6-7 раз превышающей скорость звука.
На таких скоростях существенное влияние будет оказывать кривизна земного шара. Полет на постоянной высоте уже придется считать криволинейным. В результате этого создается центробежная сила, как бы уменьшающая вес самолета и снижающая потребную подъемную силу. Если при скорости 2000 км/час центробежная сила равна 0,5% веса самолета, то при скорости, в 6-8 раз большей, чем скорость звука, она уже составляет около 10% веса самолета. (Весь вес самолета уравновесится центробежной силой при полете с первой космической скоростью, равной примерно 28400 км/час.)
Возможность получения подъемной силы от самого фюзеляжа и возросшая величина центробежной силы приведут к тому, что не скоростях, в 6-7 раз превышающих скорость звука, испытанные и верные крылья, без которых сейчас даже трудно представить самолет, станут ненужными. Но это только на режиме высокой крейсерской скорости. А как же быть на малых скоростях взлета и посадки? Самолеты, могущие летать со скоростями, а 6-7 раз большими скорости звука, будут оснащены такими мощными силовыми установками, которые позволят самолету осуществлять вертикальный взлет и посадку. На таком пассажирском самолете, носящем название «самолет-фюзеляж», потребуется установить несколько двигателей, из них часть будет создавать горизонтальную тягу, а другая – тягу вверх.
Использование сверхзвуковых пассажирских самолетов на расстояниях в 6-12 тыс. км окажется наиболее экономически выгодным. При больших дальностях выгоднее использовать гиперзвуковой ракетопланер. У ракетопланера будет жидкостный реактивный двигатель, работающий только на начальном участке траектории. Дальнейший полет – планирование.
Ракетопланер может быть выведен и на орбиту спутника. Тогда дальность его полета можно довести до многих оборотов вокруг Земли. Как известно, современные космические корабли спускаются на Землю по крутой баллистической траектории. При этом неизбежно возникают большие перегрузки торможения и сильный разогрев оболочки космического корабля. Планирующий спуск может совершаться по плавной нисходящей траектории под небольшими углами снижения. Чтобы избежать чрезмерного разогрева, желательно осуществить постепенное торможение планера на возможно больших высотах – от 100 до 60 км, где аэродинамический нагрев и перегрузки торможения меньше. Для этого ракетопланеру необходимо иметь увеличенную площадь крыла. Быстрого торможения на больших высотах можно достигнуть, увеличивая угол атаки до 90°. Чтобы уменьшить аэродинамический нагрев, ракетопланер должен представлять собой тупоносое тело, имеющее крылья большой стреловидности, со скругленной передней кромкой. И все-таки температура нагрева превысит 1000°С, поэтому корпус аппарата должен быть изготовлен из молибденовых жаропрочных сталей и керамических материалов.
Для увеличения дальности планирования и уменьшения аэродинамического нагрева возможно осуществить полет ракетопланера с многократным отражением от плотных слоев атмосферы. Погружаясь в плотные слои атмосферы, планер несколько снизит скорость и получит избыточную подъемную силу, которая обеспечит новый набор высоты и выход в разреженные слои, где произойдет остывание корпуса аппарата. Затем все повторится. В результате дальность полета возрастет, а общий нагрев снизится по сравнению с обычной траекторией планирования. Погасив скорость, ракетопланер сможет совершить посадку на заранее выбранном аэродроме.
Известно, что в нестоящее время человек освоил и сверхзвуковые скорости в 2 000—3 000 км/час и скорости космического полета. Блестящий пример тому – советские космические корабли. Внутри диапазоне в 3-20 тыс. км в чес скорости пока не используются. И сейчас человек ведет наступление на эти скорости с двух фронтов: со стороны авиации – созданием сверхзвуковых самолетов и со стороны космических ракет – созданием сверхзвуковых ракетопланеров для дальних полетов.
Советские люди могут быть уверены в том, что наши ученые, инженеры, техники, рабочие создадут машины, стоящие на уровне передовых достижений технической мысли.
источник: В. Киселев, инженер «В небе Родины» «Техника-молодежи» 1961-10
