Сверхзвуковой самолет - Supersonic aircraft

А Локхид SR-71 Блэкберд сверхзвуковой самолет-разведчик

А сверхзвуковой самолет является самолет способен летать быстрее, чем скорость звука (число Маха 1). Сверхзвуковой Самолеты были разработаны во второй половине двадцатого века и почти полностью использовались в исследовательских и военных целях. Только два, Туполев Ту-144 (первый полет - 31 декабря 1968 г.) и Конкорд (первый полет - 2 марта 1969 г.), принят на вооружение для гражданского использования в качестве авиалайнера. Истребители являются наиболее распространенным примером сверхзвуковых самолетов.

Аэродинамика сверхзвукового полета называется сжимаемый поток из-за сжатие связанный с ударные волны или же "ударная волна "создается любым объектом, движущимся быстрее звука.

Самолеты, летящие со скоростью выше 5 Махов, часто называют гиперзвуковой самолет.

История

Колокол X-1

Первым самолетом, совершившим горизонтальный сверхзвуковой полет, был американский самолет. Колокол X-1 экспериментальный самолет, оснащенный ракетой с тягой 6000 фунтов, работающей на жидком кислороде и этиловом спирте. Большинство сверхзвуковых самолетов были военными или экспериментальными.

В 1960-х и 1970-х годах было выполнено множество проектных исследований сверхзвуковых авиалайнеров, и в конечном итоге на вооружение поступили два типа самолетов: советские. Туполев Ту-144 (1968) и англо-французский Конкорд (1969). Однако политические, экологические и экономические препятствия и одна катастрофа со смертельным исходом не позволили использовать Concorde в полной мере их коммерческий потенциал.

Принципы дизайна

Сверхзвуковой полет сопряжен с существенными техническими проблемами, поскольку аэродинамика сверхзвукового полета резко отличается от аэродинамики дозвукового полета (то есть полета со скоростью ниже скорости звука). Особенно, аэродинамическое сопротивление резко повышается при выходе самолета из околозвукового режима, что требует гораздо большей мощности двигателя и более обтекаемых корпусов.

Крылья

Чтобы сохранить низкое сопротивление, необходимо ограничить размах крыльев, что также снижает аэродинамическую эффективность при медленном полете. Поскольку сверхзвуковой самолет должен взлетать и приземляться на относительно небольшой скорости, его аэродинамическая конструкция должна быть компромиссом между требованиями для обоих концов диапазона скоростей.

Один из подходов к разрешению этого компромисса - использование крыло с изменяемой геометрией, широко известный как «качающееся крыло», которое широко распределяется при полете на малой скорости и затем резко, обычно назад, при полете на сверхзвуке. Однако раскачивание влияет на продольная отделка Самолет и механизм поворота увеличивает вес и стоимость. Использование треугольное крыло, например, используемые на Aerospatiale-BAC Concorde генерирует вихрь который возбуждает поток на верхней поверхности крыла на высоких скоростях и углах атаки, задерживая отрыв потока и давая самолету очень высокий ларек угол. Это также решает проблему жидкости. сжимаемость на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Однако это, конечно, неэффективно на более низких скоростях из-за требования большого угла атаки и, следовательно, требует использования закрылки.

Обогрев

Другой проблемой является тепло, выделяемое трением при обтекании самолета воздухом. В большинстве дозвуковых конструкций используются алюминиевые сплавы, такие как Дюралюминий, которые дешевы и просты в эксплуатации, но быстро теряют свою прочность при высоких температурах. Это ограничивает максимальную скорость примерно до 2,2 Маха.

Большинство сверхзвуковых самолетов, в том числе многие военные самолет истребитель, предназначены для того, чтобы проводить большую часть своего полета на дозвуковых скоростях и только на короткие промежутки времени, превышающие скорость звука, например, при перехвате вражеского самолета. Меньшее число, например Локхид SR-71 Блэкберд Самолеты-разведчики и сверхзвуковой авиалайнер Concorde были разработаны для непрерывного крейсерского полета на скоростях, превышающих скорость звука, и с этими конструкциями проблемы сверхзвукового полета становятся более серьезными.

Двигатели

Некоторые ранние сверхзвуковые самолеты, включая первый, полагались на ракета мощность для обеспечения необходимой тяги, хотя ракеты сжигают много топлива и поэтому время полета было коротким. Рано турбореактивные двигатели были более экономичными, но не имели достаточной тяги, и некоторые экспериментальные самолеты были оснащены как турбореактивным двигателем для полета на малых скоростях, так и ракетным двигателем для полета на сверхзвуковых скоростях. Изобретение форсаж, в котором дополнительное топливо сжигается в выхлопе реактивного двигателя, сделали эти смешанные типы силовых установок устаревшими. В турбовентилятор Двигатель пропускает дополнительный холодный воздух вокруг сердечника двигателя, что еще больше увеличивает его топливную эффективность, и сегодня сверхзвуковые самолеты оснащены турбовентиляторными двигателями, оснащенными форсажными камерами.

Сверхзвуковые самолеты обычно используют ТРДД с малым байпасом поскольку они имеют приемлемый КПД как ниже скорости звука, так и выше; или если суперкруиз необходим турбореактивный двигатели могут быть желательны, поскольку они дают меньше сопротивление гондолы на сверхзвуковых скоростях. В Пратт и Уитни J58 двигатели Локхид SR-71 Блэкберд работал двумя способами: взлет и посадка как турбореактивные без байпаса, но пропускали часть компрессорного воздуха в форсажную камеру на более высоких скоростях. Это позволяло Blackbird летать со скоростью более 3 Маха, быстрее, чем любой другой серийный самолет. Нагревательный эффект трения воздуха на этих скоростях означал, что необходимо было разработать специальное топливо, которое не разрушалось бы под воздействием тепла и не забивало бы топливные трубы на пути к горелке.

Еще одна скоростная силовая установка - это прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Это должно происходить довольно быстро, прежде чем оно вообще сработает.

Трансзвуковой полет

Трансзвуковые картины течения на профиль показаны схемы потока на и выше критическое число Маха

Воздушный поток может ускоряться или замедляться локально в разных точках над самолетом. В области около 1 Маха в некоторых областях может наблюдаться сверхзвуковой поток, в то время как другие - дозвуковые. Этот режим называется трансзвуковым полетом. При изменении скорости самолета будут формироваться или перемещаться волны давления. Это может повлиять на дифферент, устойчивость и управляемость самолета, и конструктор должен обеспечить учет этих эффектов на всех скоростях.

Гиперзвуковой полет

Полет на скорости выше 5 Махов часто называют гиперзвуковой. В этом регионе проблемы лобового сопротивления и нагрева стоят еще более остро. Трудно сделать материалы, которые могут выдерживать силы и температуры, создаваемые сопротивлением воздуха на этих скоростях, а гиперзвуковой полет в течение значительного промежутка времени еще не достигнут.

ударная волна

Источник звука движется со скоростью в 1,4 раза превышающей скорость звука (1,4 Маха). Поскольку источник движется быстрее, чем создаваемые им звуковые волны, он опережает продвигающийся волновой фронт.

Звуковой удар, производимый летательным аппаратом, движущимся с М = 2,92, рассчитанным из угла конуса 20 градусов. Наблюдатель ничего не слышит, пока ударная волна на краях конуса не пересечет их местоположение.

Угол конуса Маха

Данные НАСА, показывающие сигнатуру N-волны.^[1]

Звуковой удар - это звук, связанный с ударные волны создается всякий раз, когда объект, путешествующий по воздуху, движется быстрее, чем скорость звука. Звуковые удары генерируют значительное количество звук энергия, похожая на взрыв или раскат грома к человеческому уху. Трещина сверхзвуковой пуля прохождение над головой или трещина кнут являются примерами звукового удара в миниатюре.^[2]

Звуковые удары, создаваемые большим сверхзвуковым самолетом, могут быть особенно громкими и пугающими, могут разбудить людей и могут вызвать незначительные повреждения некоторых конструкций. Они привели к запрету обычных сверхзвуковых полетов над сушей. Хотя их нельзя полностью предотвратить, исследования показывают, что при тщательном формировании транспортного средства неудобства, связанные с ними, могут быть уменьшены до такой степени, что сверхзвуковой полет над сушей может стать практическим вариантом.

Суперкруиз

Суперкруиз поддерживается сверхзвуковой полет сверхзвукового самолета с полезной грузовой, пассажирской или боевой нагрузкой, выполненный эффективно, что обычно исключает использование крайне неэффективных форсажные камеры или «подогреть». Многие известные сверхзвуковые военный самолет не способный к суперкруизу может только поддерживать Мах Полет 1+ короткими очередями, обычно с форсажем. Самолеты, такие как SR-71 Блэкберд предназначены для крейсерского полета на сверхзвуковой скорости с включенными форсажными камерами.

Одним из самых известных примеров самолета, способного к суперкруизу, был Конкорд. Благодаря долгой эксплуатации коммерческого авиалайнера, Concorde является рекордсменом по количеству времени, проведенному в суперкруизах; больше, чем все остальные самолеты вместе взятые.^[3]

Сверхзвуковой транспорт

Фюзеляж Concorde имел чрезвычайно высокую коэффициент тонкости.

А сверхзвуковой транспорт (ССТ) это гражданский самолет, предназначенный для перевозки пассажиров на скоростях больше, чем скорость звука. Единственные сверхзвуковые гражданские самолеты, поступившие на вооружение, были советского производства. Туполев Ту-144 который впервые совершил полет в 1968 году и был списан в 1997 году; и франко-британского производства Конкорд, который впервые совершил полет в 1969 году и оставался на вооружении до 2003 года. С 2003 года на вооружении отсутствовали сверхзвуковые гражданские самолеты.

Ключевой особенностью этих конструкций является способность поддерживать сверхзвуковой крейсерский полет в течение длительных периодов времени, поэтому низкое лобовое сопротивление необходимо для ограничения расхода топлива до практического и экономического уровня. Как следствие, эти планеры имеют очень обтекаемую форму, а крылья имеют очень короткий размах. Требование низких скоростей при взлете и посадке выполняется за счет использования вихревой подъемной силы: когда самолет замедляется, подъемную силу необходимо восстанавливать, поднимая нос, чтобы увеличить угол атаки крыла. Резко изогнутая передняя кромка заставляет воздух закручиваться, когда он обтекает крыло, локально ускоряя воздушный поток и поддерживая подъемную силу.

Другие проекты SST включали:

Франция - Sud Aviation Супер-Каравелла
Россия-США - Сухой-Гольфстрим С-21
Советский союз - Туполев Ту-244, Туполев Ту-444
Объединенное Королевство - Бристоль Тип 223
Соединенные Штаты - Convair Модель 58-9, Боинг 2707, Локхид L-2000, Дуглас 2229, SAI Тихий сверхзвуковой транспорт, Высокоскоростной гражданский транспорт

Сверхзвуковой бизнес-джет

Модель Aerion SBJ

Сверхзвуковые бизнес-джеты (SSBJ) - это предлагаемый класс малых сверхзвуковых самолетов. Еще никто не летал.

Обычно SSBJ предназначены для перевозки около десяти пассажиров, они примерно такого же размера, как и традиционные дозвуковые бизнес-джеты.

Проекты как для масштабных, так и для бизнес-джет (см. ниже) пассажирские сверхзвуковые и гиперзвуковые авиалайнеры (Aerion SBJ, Шип S-512, HyperMach SonicStar, Сверхзвуковой транспорт нового поколения, Туполев Ту-444, Гольфстрим Х-54, LAPCAT, Двигатели реакции A2, Гиперзвуковой транспорт с нулевым уровнем выбросов, SpaceLiner и др.) были предложены и сейчас находятся в разработке.

Сверхзвуковые стратегические бомбардировщики

Convair B-58A Hustler

XB-70 Валькирия

Туполев Ту-22М3

B-1B Lancer

Туполев Ту-160

А стратегический бомбардировщик должен нести большую бомбовую нагрузку на большие расстояния. Следовательно, это большой самолет с массой пустого, превышающей 25 000 кг. Некоторые из них также были разработаны для выполнения связанных задач, таких как стратегическая разведка и нанесение ударов по судам.

Обычно самолет будет лететь на дозвуковом режиме большую часть своего полета для экономии топлива, прежде чем разгоняться до сверхзвуковой скорости для бомбардировки.^[4]

На вооружение поступило несколько сверхзвуковых стратегических бомбардировщиков. Самый ранний тип, Convair B-58 Hustler, первый полет в 1956 г. Rockwell B-1B Lancer, в 1983 году. Хотя этот и несколько других типов все еще используются сегодня, ни один из них не находится в производстве.

Другие типы полета включают:

Dassault Mirage IV (1959)
Туполев Ту-22 (1959)
Мясищев М-50 (1959)
BAC TSR-2 (1964)
Североамериканский XB-70 Valkyrie (1964)
Туполев Ту-22М (1969)
General Dynamics FB-111A (1969)
Сухой Т-4 (1972)
Туполев Ту-160 (1981)
Rockwell B-1B Lancer (1986)

Из них только Ту-22, Ту-22М, FB-111A, B-1B, и Ту-160 В Соединенных Штатах планируется создание малозаметного сверхзвукового стратегического бомбардировщика следующего поколения. 2037 Бомбардировщик проект.

Сверхзвуковая стратегическая разведка

Некоторые сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как Сухой Т-4 также способны выполнять роль разведчика (хотя «Сухой» оставался прототипом).

В Локхид SR-71 Блэкберд был специально разработан для этой роли и был большим развитием Локхид А-12 самолет-разведчик, совершивший первый полет в 1962 году.

Сверхзвуковой истребитель / штурмовики

Сверхзвуковые истребители и связанные с ними самолеты иногда называют быстрыми реактивными двигателями. Они составляют подавляющее большинство сверхзвуковых самолетов, а некоторые, например, Микоян-Гуревич МиГ-21, Lockheed F-104 Истребитель и Dassault Mirage III, были произведены в большом количестве.

Многие военные сверхзвуковые истребители и аналогичные самолеты четвертый и пятый поколения разрабатываются в нескольких странах, включая Россию, Китай, Японию, Южную Корею, Индию, Иран и США.

Соединенные Штаты

Дуглас F4D Skyray (1951)
Североамериканский F-100 Super Sabre (1953)
Convair F-102 Delta Dagger (1953)
Грумман F-11 Тигр (1954)
McDonnell F-101 Вуду (1954)
Lockheed F-104 Истребитель (1954)
Республика F-105 Thunderchief (1955)
Воут F-8 Крестоносец (1955)
Convair F-106 Delta Dart (1956)
Дуглас F5D Skylancer (1956)
Грумман F11F-1F Супер Тигр (1956)
Североамериканский F-107 (1956)
Североамериканский A-5 Vigilante (1958)
McDonnell Douglas F-4 Phantom II (1958)
Vought XF8U-3 Crusader III (1958)
Истребитель свободы Northrop F-5A / B (1959)
Локхид YF-12 (1963)
General Dynamics F-111 Aardvark (1964)
General Dynamics – Grumman F-111B (1965)
Грумман F-14 Tomcat (1970)
McDonnell Douglas F-15 Eagle (1972)
Нортроп F-5E / F Tiger II (1972)
Нортроп YF-17 (1974)
General Dynamics F-16 Fighting Falcon (1974)
McDonnell Douglas F / A-18 Hornet (1978)
Нортроп F-20 Тигершарк (1982)
Воут Я-7Ф (1989)
Локхид YF-22 (1990)
Нортроп YF-23 (1990)
Боинг F / A-18E / F Super Hornet (1995)
Lockheed Martin F-22 Raptor (1997)
Локхид Мартин Х-35 (2000)
Боинг Х-32 (2000)
Lockheed Martin F-35 Lightning II (2006)

Советский Союз / Россия

Швеция

объединенное Королевство

Английский Electric Lightning (1954)

Франция

Норд 1500 Грифон II (1950)
Dassault Super Mystère B1 (1955)

Китай

Шэньян J-6 Фермер (1958)
Наньчан Q-5 Фантан (1965)
Чэнду J-7 Рыбная ложа (1966)
Шэньян J-8 (1969)
Наньчан J-12 (1970)
Сиань JH-7 Камбала (1988)
Чэнду J-10 Энергичный дракон (1998)
Шэньян J-11 (1998)
Наньчан / Хунду L-15 (2005)
Шэньян J-15 Летающая акула (2009)
Чэнду J-20 стелс (2011)
Шэньян J-16 (2012)
Шэньян J-21 / J-31 Кречет (2012)

Канада

Япония

Израиль

ИАИ Нешер (1971)
IAI Kfir (1973)
IAI Lavi (1986)
IAI Nammer (1991)

Германия / Италия / Великобритания

Панавиа Торнадо (1974)

Южная Африка

Атлас Гепард (1986)

Тайвань

AIDC F-CK-1 Ching-kuo (1989)

Германия / Италия / Испания / Великобритания

Еврофайтер Тайфун (1994)

Иран

Южная Корея

КАИ Т-50 Беркут (2002)

Пакистан

PAC JF-17 Гром (2003)

Сверхзвуковой исследовательский самолет

Североамериканский X-15

Колокол X-1 (1946), первым преодолевшим звуковой барьер в горизонтальном полете. Ракетный двигатель.
Дуглас D-558-2 Skyrocket (1948), Ракетный двигатель.
Convair XF-92 (1948), Первый сверхзвуковой самолет с треугольным крылом.
Республика XF-91 Thunderceptor (1949), смешанная мощность
Колокол X-2 (1952), Ракетный двигатель.
Convair F2Y Sea Dart (1953), единственный гидросамолет, превышающий скорость звука
SNCASO Trident (1953), французский сверхзвуковой двухдвигательный исследовательский самолет.
Фейри Дельта 2 (1954), впервые превысивший 1000 миль в час.
Nord Gerfaut (1954), Франция построила сверхзвуковой исследовательский самолет с треугольным крылом.
SNCASE SE.212 Дюрандаль (1956), экспериментальный сверхзвуковой истребитель с треугольным крылом французской постройки.
Норд 1500 Грифон (1955, 1957), Griffon 1 летал в 1955 году, Griffon 2 летал в 1957 году, экспериментальный смешанный турбореактивный ПВРД.
Сондерс-Роу SR.53 (1957 г.), экспериментальный реактивный истребитель смешанной мощности
Североамериканский X-15 (1959), первая гиперзвуковой самолет и космоплан. Ракетный двигатель.
Бристоль 188 (1962), британский сверхзвуковой исследовательский самолет
Локхид NF-104A (1963) модифицированный истребитель F-104, используемый для тренировки космонавтов для североамериканских X-15 и Боинг X-20 Dyna-Soar программы.
Нортроп HL-10 (1966), с ракетным двигателем
Мартин Мариетта X-24A (1969) с ракетным двигателем.
Нортроп М2-Ф3 (1970) с ракетным двигателем
General Dynamics F-16XL (1982) модифицированный F-16, испытательный образец треугольного крыла.
Грумман X-29 (1984)
British Aerospace EAP (1986)
Взлетно-посадочная полоса взлетно-посадочной полосы F-15 McDonnell Douglas (1988) сильно модифицированный F-15 использовался в нескольких программах испытаний НАСА, включая STOL / MTD, ACTIVE, IFCS, Quiet Spike, SBRDC / ECANS и HISTEC.
Rockwell-MBB X-31 (1990)
General Dynamics F-16 VISTA (1992) модифицированный F-16, демонстратор управления вектором тяги
Демонстрация Shaped Sonic Boom (2003)
SpaceShipOne (2003) первый космический самолет частной конструкции
НАСА Х-43 (2004) демонстратор с прямоточным воздушным двигателем
Активное аэроупругое крыло Boeing X-53 (2006) модифицированный F-18, демонстратор деформации крыла. Также использовался как Исследовательская машина с высоким альфа и более недавние исследования звукового бума.
Боинг X-51 Waverider (2010) демонстратор с прямоточным воздушным двигателем
Локхид Мартин X-59 QueSST (2018) по заказу НАСА^[5]

Смотрите также

Звуковой барьер