Сверхзвуковые самолеты

Цихош Эдмунд

В 60-х годах предпринимались опыты использования в конструкции планера и других металлов. Один из них- бериллий, который отличается малой плотностью (меньшей, чем у алюминиевых сплавов), большим модулем продольной упругости (почти на 50% больше, чем у стали), а также относительно высокой прочностью при повышенных температурах.

Применение бериллия дает существенную экономию массы конструкции. Так, изготовление некоторых узлов самолета F-4C с использованием бериллия позволило уменьшить массу соответствующих узлов на 25-58,6%. Применение бериллия в авиации ограничено пока его высокой стоимостью.

Важнейшей проблемой авиационного материаловедения на рубеже 1960-1970-х гг. была разработка так называемых композитов, т.е. комбинаций матрицы и

армирующего материала. Композиты, особенно с волокнами бора или углерода в качестве армирующего материала, отличаются большой удельной прочностью, которая дает реальные возможности уменьшения массы планера на величину до 20%. Однако довольно высокая стоимость композитов, недостаточная изученность их свойств и в некоторой степени психологический консерватизм конструкторов пока препятствуют широкому применению этих материалов в самолетостроении.

Еще несколько лет тому назад представлялось, что внедрение композитов ограничивается линейными свойствами волокон, т.е. анизотропными свойствами материала, а также почти полным отсутствием его пластичности. С учетом линейных свойств волокон необходима разработка композитов с надлежащей ориентацией волокон для каждого конкретного применения, а также точных методов расчета конструкций из таких материалов. Отсутствие же пластичности у композитов объективно нельзя считать недостатком, поскольку ее сравнивают с пластичностью металла, которая расценивается как положительное качество. Благодаря пластичности в конструкции происходит перераспределение напряжений в направлении их выравнивания, и зачастую пластичность сглаживает или исключает последствия ошибок, допущенных в процессе конструирования или производства. В настоящее же время существует мнение, опирающееся на результаты применения композитов в элементах конструкции некоторых новейших самолетов, что линейные свойства волокна в композите при условии тщательного проектирования и производства могут стать ценным достоинством.

Определенная ориентация волокон в различных слоях композита вызывает определенное поведение конструкции под нагрузкой. Например, в крыле появляются деформации кручения, которые во время полета дополнительно увеличивают эффективность управления. Это позволяет уменьшить требуемые размеры управляющих поверхностей и тем самым массу и полетное сопротивление самолета.

6. Взаимодействие планера самолета с двигательной установкой

Из данных, представленных в гл. 3, следует, что эволюция конструктивных форм и общая конструктивная идея самолета зависят от физических явлений, определяемых скоростями полета, и от возможных мер смягчения отрицательных последствий этих явлений. Важную роль в самолете играет двигательная установка, которая не только обеспечивает требуемую скорость полета, но и (с учетом ее габаритов, массы и характера внутренних процессов) значительно влияет также на форму самолета в целом. В отдельных случаях это влияние имеет даже решающее значение. Следовательно, уже на этапе проектирования самолета необходимо провести анализ взаимного влияния частей планера и двигательной установки с точки зрения возможности реализации требуемых летно- технических характеристик. Уровень же достигнутых характеристик свидетельствует о совершенстве самолета в целом и, в частности, об эффективности примененной двигательной установки.

Различия двигательных установок по типу и числу двигателей, их компоновке и габаритам привели к большому разнообразию форм планера сверхзвукового самолета и его частей. Тем не менее, несмотря на разнообразие очертаний самолетов, обусловленное различием задач и требуемых характеристик, располагаемой двигательной установкой и доступными материалами, самолеты каждого конструкторского бюро отличаются определенным «почерком» их создателей.

Двигательной (силовой) установкой называется совокупность устройств и коммуникаций, обеспечивающих самолету необходимую тягу во всем диапазоне его эксплуатационных условий. Основными элементами

реактивной двигательной установки являются: двигатели и узлы их крепления, воздухозаборники и устройства выхода отработанных газов, гондолы и кожухи, системы обеспечения топливом и смазкой, системы охлаждения, противопожарной защиты и управления работой двигателя, а также средства контроля за работой систем.

Общий к. п. д. двигательной установки зависит в основном от эффективности работы двигателя, на которую влияет степень совершенства воздушного и выхлопного трактов. В сверхзвуковых самолетах это особенно относится к воздушному каналу, характеристики которого зависят от принципа работы и конструкции его входной части, называемой воздухозаборником. Выбор параметров двигателя для определенного самолета производится на основании энергетических требований, выполнение которых является одним из основных условий обеспечения заданных летно-тех- нических характеристик самолета.

На первом этапе развития сверхзвуковых самолетов существовала в определенных пределах свобода выбора двигателя, в том числе его типа. Однако надежды на использование ракетных и прямоточных двигателей в качестве основы двигательных установок для самолетов широкого применения не оправдались, что ограничило в настоящее время эту свободу лишь до возможности выбора числа и местоположения двигателей, а также принципа действия и конструкции воздухозаборника.

Из представленного во второй части книги обзора 88 типов сверхзвуковых самолетов следует, что 43 из них-одно- двигательные, 3 8 – двух двигательные, 1 – трехдвигательный, 6 – четырехдвига- тельные и 1-шестидвигательный (разница в числе типов самолетов получается в результате учета одно- и двухдвигательного вариантов самолета Х-15). Следовательно, преобладают одно- и двухдвигательные схемы. Значительно большее разнообразие наблюдается среди типов используемых двигателей. На однодвигательных самолетах в 3 случаях применены ракетные двигатели, в 33-турбореактивные (в том числе Е-50, «Дюрандаль» и «Мираж» III оснащены вспомогательными ракетными двигателями), а в 7-двухконтурные турбореактивные (турбовентиляторные).

На двухдвигательных самолетах в 1 случае установлен ракетной двигатель, в 2-комбинированная система, состоящая из турбореактивного и ракетного двигателей («Скайрокет» и SR. 53), в 2-комбинация турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей («Ледюк» 022 и «Гриффон» И), в 23-турбореактивные, а в 10-турбовентиляторные двигатели. На четырехмоторных самолетах в 4 случаях применены турбореактивные, а в 2-турбовентиляторные двигатели.

Рис. 1.42. Самолет «Ягуар» с балочным кронштейном крепления оперения.

Размещение двигательной установки

Отсутствие воздушного винта, относительно небольшая масса, сравнительно простые конструкция и обслуживание реактивных двигательных установок позволяют размещать двигатели в местах, обеспечивающих оптимальные условия их работы и оптимальные характеристики самолета. В современной реактивной авиации наблюдается большое разнообразие вариантов размещения двигателей на самолете. Правда, в сверхзвуковых самолетах эти возможности существенно ограничены, тем не менее в конструкторской практике реализованы следующие варианты размещения двигателей:

– в гондолах, расположенных непосредственно под корневыми (Ту-144, В-1) или средними («Конкорд») частями крыла, либо в гондолах, встроенных в средние части крыла (Т. 188, YF-12A); в самолетах Ту-144, «Конкорд» и В-1 применены гондолы, вмещающие по два двигателя, в остальных случаях-индивидуальные гондолы;

– в гондолах, размещенных под крылом на пилонах (В-58, М-50) либо на концах крыла («Тридан», М-50, VJ-101C); в самолете VJ-101C использованы двухдвигатель- ные, а в остальных-индивидуальные гондолы ;