Samoloty naddźwiękowe - Supersonic aircraft

Oddziaływanie fal uderzeniowych z dwóch samolotów naddźwiękowych, sfotografowanych po raz pierwszy przez NASA metodą Schlierena w 2019 roku.

Naddźwiękowy samolot to samolot zdolny do lotu naddźwiękowego , który jest w stanie latać samoloty szybciej niż prędkość dźwięku ( liczba Macha 1). Samoloty naddźwiękowe powstały w drugiej połowie XX wieku. Samoloty naddźwiękowe były wykorzystywane do celów badawczych i wojskowych, ale tylko dwa samoloty naddźwiękowe, Tupolew Tu-144 (pierwszy lot 31 grudnia 1968) i Concorde (pierwszy lot 2 marca 1969), weszły do ​​służby cywilnej. jako samoloty . Myśliwce są najczęstszym przykładem samolotów naddźwiękowych.

Aerodynamika lotu naddźwiękowego nazywana jest przepływem ściśliwym ze względu na kompresję związaną z falami uderzeniowymi lub „ bomem dźwiękowym ” wytwarzanym przez dowolny obiekt poruszający się szybciej niż dźwięk.

Samoloty lecące z prędkością powyżej Mach 5 są często określane jako samoloty naddźwiękowe .

Historia

Pierwszym samolotem, który latał naddźwiękowo w locie poziomym, był amerykański samolot eksperymentalny Bell X-1 , który był napędzany rakietą o ciągu 6000 funtów, napędzaną ciekłym tlenem i alkoholem etylowym. Większość samolotów naddźwiękowych to samoloty wojskowe lub eksperymentalne.

Badania lotnicze w czasie II wojny światowej doprowadziły do ​​powstania pierwszego samolotu o napędzie rakietowym i odrzutowym. Później pojawiło się kilka twierdzeń o przełamaniu bariery dźwięku podczas wojny. Jednak pierwszy uznany lot przekraczający prędkość dźwięku przez załogowy samolot w kontrolowanym locie poziomym został wykonany 14 października 1947 r. przez eksperymentalny samolot rakietowy Bell X-1 pilotowany przez Charlesa „Chucka” Yeagera . Pierwszym samolotem produkcyjnym, który przełamał barierę dźwięku, był F-86 Canadair Sabre z pierwszą „naddźwiękową” pilotką, Jacqueline Cochran , za sterami. Według Davida Mastersa, prototyp DFS 346 przechwycony w Niemczech przez Sowietów, po wypuszczeniu z B-29 na wysokości 32800 stóp (10000 m), osiągnął pod koniec 1945 roku prędkość 683 mil na godzinę (1100 km/h), co przekraczałoby prędkość Macha. 1 na tej wysokości. Pilotem w tych lotach był niemiecki Wolfgang Ziese.

21 sierpnia 1961 roku Douglas DC-8-43 (rejestracja N9604Z) przekroczyła 1 Mach w kontrolowanym nurkowaniu podczas lotu testowego w bazie sił powietrznych Edwards. Załogę stanowili William Magruder (pilot), Paul Patten (drugi pilot), Joseph Tomich (inżynier lotu) i Richard H. Edwards (inżynier lotów testowych). Był to pierwszy lot naddźwiękowy cywilnego samolotu pasażerskiego innego niż Concorde czy Tu-144 .

W latach 60. i 70. przeprowadzono wiele badań projektowych naddźwiękowych samolotów pasażerskich i ostatecznie do służby weszły dwa typy: radziecki Tu-144 (1968) i angielsko-francuski Concorde (1969). Jednak przeszkody polityczne, środowiskowe i gospodarcze oraz jedna śmiertelna katastrofa Concorde uniemożliwiły im pełne wykorzystanie ich potencjału komercyjnego.

Zasady projektowania

Lot naddźwiękowy niesie ze sobą poważne wyzwania techniczne, ponieważ aerodynamika lotu naddźwiękowego jest dramatycznie różna od aerodynamiki lotu poddźwiękowego (tj. lotu z prędkością mniejszą niż prędkość dźwięku). W szczególności opór aerodynamiczny gwałtownie wzrasta, gdy samolot przechodzi przez reżim transsoniczny, co wymaga znacznie większej mocy silnika i bardziej opływowych płatowców.

Skrzydełka

Aby utrzymać niski opór, rozpiętość skrzydeł musi być ograniczona, co również zmniejsza wydajność aerodynamiczną podczas powolnego lotu. Ponieważ samolot naddźwiękowy musi startować i lądować ze stosunkowo małą prędkością, jego aerodynamiczna konstrukcja musi stanowić kompromis między wymaganiami dla obu krańców zakresu prędkości.

Jednym ze sposobów rozwiązania tego kompromisu jest zastosowanie skrzydła o zmiennej geometrii , powszechnie znanego jako „swing-wing”, które rozpościera się szeroko podczas lotu z małą prędkością, a następnie gwałtownie odchyla się, zwykle do tyłu, podczas lotu naddźwiękowego. Jednak kołysanie wpływa na wyważenie wzdłużne samolotu, a mechanizm kołysania zwiększa wagę i koszty. Zastosowanie skrzydła delta , takiego jak stosowane w Aerospatiale-BAC Concorde, generuje wir, który pobudza przepływ na górnej powierzchni skrzydła przy dużych prędkościach i kątach natarcia, opóźniając separację przepływu i dając samolotowi bardzo duży kąt przeciągnięcia . Rozwiązuje również problem ściśliwości płynu przy prędkościach transsonicznych i naddźwiękowych. Jednak jest to oczywiście nieefektywne przy niższych prędkościach ze względu na wymaganie dużego kąta natarcia i dlatego konieczne jest zastosowanie klap .

Ogrzewanie

Innym problemem jest ciepło generowane przez tarcie, gdy powietrze przepływa nad samolotem. Większość konstrukcji poddźwiękowych wykorzystuje stopy aluminium, takie jak duraluminium , które są tanie i łatwe w obróbce, ale szybko tracą swoją wytrzymałość w wysokich temperaturach. Ogranicza to maksymalną prędkość do około 2,2 Macha.

Większość samolotów naddźwiękowych, w tym wiele myśliwców wojskowych , jest zaprojektowanych tak, aby większość lotu spędzać z prędkościami poddźwiękowymi i tylko przez krótki czas przekraczać prędkość dźwięku, na przykład podczas przechwytywania wrogiego samolotu. Mniejsza ich liczba, taka jak samolot rozpoznawczy Lockheed SR-71 Blackbird i naddźwiękowy samolot pasażerski Concorde, zostały zaprojektowane do ciągłego lotu z prędkościami przekraczającymi prędkość dźwięku, a problemy z lotami naddźwiękowymi są bardziej dotkliwe.

Silniki

Niektóre wczesne samoloty naddźwiękowe, w tym pierwszy, polegały na mocy rakietowej, aby zapewnić niezbędny ciąg, chociaż rakiety spalają dużo paliwa, więc czas lotu był krótki. Wczesne silniki turboodrzutowe były bardziej oszczędne, ale nie miały wystarczającego ciągu, a niektóre eksperymentalne samoloty były wyposażone zarówno w turboodrzutowy do lotu z małą prędkością, jak i w silnik rakietowy do lotu naddźwiękowego. Wynalezienie dopalacza , w którym dodatkowe paliwo jest spalane w spalinach odrzutowych, sprawił, że te mieszane typy silników stały się przestarzałe. Silnik turbowentylatorowy przepuszcza dodatkowe zimne powietrze wokół rdzenia silnika, co dodatkowo zwiększa jego wydajność paliwową, a naddźwiękowe samoloty są obecnie napędzane przez turbowentylatory wyposażone w dopalacze.

Samoloty naddźwiękowe zwykle używają turbowentylatorów o niskim boczniku, ponieważ mają akceptowalną wydajność poniżej prędkości dźwięku, a także powyżej; lub jeśli potrzebny jest supercruise , silniki turboodrzutowe mogą być pożądane, ponieważ dają mniejszy opór gondoli przy prędkościach naddźwiękowych. W Pratt & Whitney J58 silniki z Lockheed SR-71 Blackbird pracować na 2 sposoby, startu i lądowania, jak turboodrzutowe bez obwodnicy, ale z pominięciem niektórych sprężarek powietrza do dopalacza przy wyższych prędkościach. Dzięki temu Blackbird mógł latać z prędkością ponad 3 machów, szybciej niż jakikolwiek inny samolot produkcyjny. Nagrzewający się efekt tarcia powietrza przy tych prędkościach oznaczał, że trzeba było opracować specjalne paliwo, które nie rozpadałoby się pod wpływem ciepła i nie zatykało rur paliwowych w drodze do palnika.

Inną szybką jednostką napędową jest silnik strumieniowy . Musi lecieć dość szybko, zanim w ogóle zadziała.

Lot naddźwiękowy

Aerodynamika naddźwiękowa jest prostsza niż aerodynamika poddźwiękowa, ponieważ arkusze aerodynamiczne w różnych punktach płaszczyzny często nie mogą na siebie wpływać. Naddźwiękowe i pojazdy rakietowe wymagają kilka razy większy ciąg przeforsować dodatkowego oporu aerodynamicznego doświadczonego w transsoniczny regionu (około Mach 0.85-1.2). Przy tych prędkościach inżynierowie lotnictwa mogą delikatnie kierować powietrze wokół kadłuba samolotu bez wytwarzania nowych fal uderzeniowych , ale każda zmiana w obszarze poprzecznym w głębi pojazdu prowadzi do fal uderzeniowych wzdłuż ciała. Projektanci używają zasady obszaru Supersonic i zasady obszaru Whitcomb, aby zminimalizować nagłe zmiany rozmiaru.

Źródło dźwięku przebiło się teraz przez barierę prędkości dźwięku i porusza się z prędkością 1,4 razy większą od prędkości dźwięku, c (Mach 1,4). Ponieważ źródło porusza się szybciej niż fale dźwiękowe, które tworzy, w rzeczywistości przewodzi narastającemu frontowi fali. Źródło dźwięku przejdzie obok nieruchomego obserwatora, zanim ten faktycznie usłyszy wytwarzany przez nie dźwięk.
Stożkowa fala uderzeniowa ze strefą kontaktu z podłożem w kształcie hiperboli w kolorze żółtym

Jednak w praktycznych zastosowaniach samolot naddźwiękowy musi działać stabilnie zarówno w profilach poddźwiękowych, jak i naddźwiękowych, stąd konstrukcja aerodynamiczna jest bardziej złożona.

Jednym z problemów związanych z długotrwałym lotem naddźwiękowym jest wytwarzanie ciepła podczas lotu. Przy dużych prędkościach może wystąpić nagrzewanie aerodynamiczne , więc samolot musi być zaprojektowany do działania i funkcjonowania w bardzo wysokich temperaturach. Duraluminium , materiał tradycyjnie stosowany w produkcji samolotów, zaczyna tracić wytrzymałość i odkształcać się w stosunkowo niskich temperaturach i nie nadaje się do ciągłego użytkowania przy prędkościach powyżej 2,2 do 2,4 Macha. Materiały takie jak tytan i stal nierdzewna umożliwiają pracę w znacznie wyższych temperaturach. Na przykład odrzutowiec Lockheed SR-71 Blackbird może latać nieprzerwanie z prędkością 3,1 Macha, co może prowadzić do temperatur w niektórych częściach samolotu przekraczających 315 °C (600 °F).

Kolejnym obszarem, który budzi niepokój w przypadku długotrwałego lotu z dużą prędkością, jest praca silnika. Silniki odrzutowe wytwarzają ciąg, zwiększając temperaturę powietrza, które pobierają, a gdy samolot przyspiesza, proces sprężania w układzie dolotowym powoduje wzrost temperatury, zanim dotrze do silników. Maksymalna dopuszczalna temperatura spalin jest określona przez materiały w turbinie z tyłu silnika, więc w miarę przyspieszania samolotu różnica temperatur wlotu i spalin, jaką silnik może wytworzyć poprzez spalanie paliwa, zmniejsza się, podobnie jak ciąg. Wyższy ciąg potrzebny do prędkości naddźwiękowych musiał zostać odzyskany przez spalanie dodatkowego paliwa w wydechu.

Istotnym problemem był również projekt wlotu. Większa część dostępnej energii w powietrzu wlotowym musi zostać odzyskana, co jest znane jako odzyskiwanie wlotu, wykorzystując fale uderzeniowe w procesie kompresji naddźwiękowej w wlocie. Przy prędkościach naddźwiękowych wlot musi mieć pewność, że powietrze zwalnia bez nadmiernej utraty ciśnienia. Musi używać właściwego typu fal uderzeniowych , ukośnych/płaszczyznowych, aby prędkość projektowa samolotu sprężyła i spowolniła powietrze do prędkości poddźwiękowej, zanim dotrze do silnika. Fale uderzeniowe są ustawiane za pomocą rampy lub stożka, które mogą wymagać regulacji w zależności od kompromisu między złożonością a wymaganymi osiągami samolotu.

Samolot zdolny do działania przez dłuższy czas przy prędkościach naddźwiękowych ma potencjalną przewagę zasięgu nad podobnym projektem działającym poddźwiękowo. Większość oporu, jaki samolot widzi podczas przyspieszania do prędkości ponaddźwiękowych, występuje tuż poniżej prędkości dźwięku, ze względu na efekt aerodynamiczny znany jako opór fal . Samolot, który może przyspieszyć powyżej tej prędkości, odnotowuje znaczny spadek oporu i może latać z prędkością ponaddźwiękową, zmniejszając zużycie paliwa. Jednak ze względu na sposób, w jaki siła nośna jest generowana w sposób naddźwiękowy, stosunek siły nośnej do siły nośnej samolotu jako całości spada, co prowadzi do obniżenia zasięgu, kompensując lub odwracając tę ​​przewagę.

Kluczem do uzyskania niskiego oporu naddźwiękowego jest odpowiednie ukształtowanie całego samolotu tak, aby był długi i cienki, a także zbliżony do „idealnego” kształtu, ostrołuku von Karmana lub korpusu Searsa-Haacka . Doprowadziło to do tego, że prawie wszystkie naddźwiękowe samoloty przelotowe wyglądały bardzo podobnie do siebie, z bardzo długim i smukłym kadłubem i dużymi skrzydłami delta, cf. SR-71 , Concorde , itp. Chociaż nie jest to idealne rozwiązanie dla samolotów pasażerskich, ten kształt można łatwo dostosować do użycia w bombowcach.

Lot transoniczny

Transsoniczne wzorce przepływu na profilu pokazujące wzorce przepływu przy krytycznej liczbie Macha i powyżej

Przepływ powietrza może przyspieszyć lub spowolnić lokalnie w różnych punktach samolotu. W regionie wokół Mach 1 niektóre obszary mogą doświadczać przepływu naddźwiękowego, podczas gdy inne są poddźwiękowe. Ten reżim nazywa się lotem transonicznym. Wraz ze zmianą prędkości samolotu powstają fale ciśnienia lub przemieszczają się. Może to wpłynąć na trym, stabilność i sterowność samolotu, a projektant musi zapewnić, że efekty te są brane pod uwagę przy wszystkich prędkościach.

Lot naddźwiękowy

Lot z prędkością powyżej około Mach 5 jest często określany jako naddźwiękowy. W tym regionie problemy oporu i ogrzewania są jeszcze bardziej dotkliwe. Trudno jest wytworzyć materiały, które wytrzymają siły i temperatury generowane przez opór powietrza przy tych prędkościach, a lot naddźwiękowy przez dłuższy czas nie został jeszcze osiągnięty.

GROM dźwiękowy

Źródło dźwięku porusza się z prędkością 1,4 razy większą niż prędkość dźwięku (Mach 1,4). Ponieważ źródło porusza się szybciej niż fale dźwiękowe, które tworzy, przewodzi narastającemu frontowi fali.
Bom dźwiękowy wytwarzany przez samolot poruszający się z prędkością M=2,92, liczony od kąta stożka 20 stopni. Obserwator nic nie słyszy, dopóki fala uderzeniowa na krawędziach stożka nie przetnie ich położenia.
Kąt stożka Macha
Dane NASA pokazujące sygnaturę fali N.

Bom dźwiękowy to dźwięk związany z falami uderzeniowymi, które powstają, gdy obiekt przemieszczający się w powietrzu porusza się z prędkością większą niż prędkość dźwięku . Bomy dźwiękowe generują znaczne ilości energii dźwiękowej , która dla ludzkiego ucha brzmi jak eksplozja lub grzmot . Trzask naddźwiękowego pocisku przelatującego nad głową lub trzask bicza to przykłady miniaturowego huku dźwiękowego.

Głomy dźwiękowe powodowane przez duże samoloty naddźwiękowe mogą być szczególnie głośne i zaskakujące, mają tendencję do budzenia ludzi i mogą powodować niewielkie uszkodzenia niektórych konstrukcji. Doprowadziły one do zakazu rutynowego lotu naddźwiękowego nad lądem. Chociaż nie można im całkowicie zapobiec, badania sugerują, że przy starannym ukształtowaniu pojazdu wynikające z nich uciążliwości mogą zostać zredukowane do tego stopnia, że ​​naddźwiękowy lot lądowy może stać się praktyczną opcją.

Superrejs

Supercruise utrzymuje naddźwiękowych lotu naddźwiękowych samolotów użyteczny ładunek cargo, pasażer, lub broni wykonywane sprawnie, które zazwyczaj wyklucza stosowanie wysoce nieefektywne dopalaczy lub „rozgrzewania”. Wiele znanych naddźwiękowych samolotów wojskowych, które nie są zdolne do supercruise, może utrzymać lot Mach 1+ tylko w krótkich seriach, zwykle z dopalaczami. Samoloty takie jak SR-71 Blackbird są zaprojektowane do lotów z prędkością ponaddźwiękową z włączonymi dopalaczami.

Jednym z najbardziej znanych przykładów samolotu zdolnego do supercruise był Concorde . Ze względu na długą służbę jako samolot pasażerski Concorde jest rekordzistą pod względem ilości czasu spędzonego w supercruise; więcej niż wszystkie inne samoloty razem wzięte.

Transporty naddźwiękowe

Kadłub Concorde miał wyjątkowo wysoki stopień rozdrobnienia .

Transport naddźwiękowy (SST) jest cywilne samoloty przeznaczone do transportu pasażerów przy prędkościach większych niż prędkość dźwięku . Jedyne naddźwiękowe samoloty cywilne, które weszły do ​​służby, to radziecki Tupolew Tu-144, który po raz pierwszy poleciał w 1968 r., a ostatni przewoził pasażerów w 1978 r., a NASA wycofała go z użytku w 1997 r.; oraz wyprodukowany we Francji i Wielkiej Brytanii Concorde , który po raz pierwszy poleciał w 1969 roku i pozostawał w służbie do 2003 roku. Od 2003 roku nie używano żadnych naddźwiękowych samolotów cywilnych.

Kluczową cechą tych konstrukcji jest zdolność do utrzymania prędkości lotu z prędkością naddźwiękową przez długi czas, dlatego niski opór jest niezbędny, aby ograniczyć zużycie paliwa do praktycznego i ekonomicznego poziomu. W konsekwencji te płatowce są bardzo opływowe, a skrzydła mają bardzo małą rozpiętość. Wymóg dotyczący niskich prędkości podczas startu i lądowania jest spełniony przy użyciu unoszenia wirowego : gdy samolot zwalnia, unoszenie musi zostać przywrócone przez podniesienie dziobu w celu zwiększenia kąta natarcia skrzydła. Ostro zagięta krawędź natarcia powoduje, że powietrze skręca się, gdy przepływa nad skrzydłem, przyspieszając lokalnie przepływ powietrza i utrzymując siłę nośną.

Inne projekty SST obejmowały:

Naddźwiękowy odrzutowiec biznesowy

Model Aerion SBJ

Naddźwiękowe odrzutowce biznesowe (SSBJ) to proponowana klasa małych samolotów naddźwiękowych. Nikt jeszcze nie latał.

Zazwyczaj przeznaczone do przewozu około dziesięciu pasażerów, SSBJ są mniej więcej tej samej wielkości co tradycyjne poddźwiękowe odrzutowce biznesowe.

Projekty dla samolotów pasażerskich naddźwiękowych i naddźwiękowych ( Aerion SBJ , Spike S-512 , HyperMach SonicStar , Next Generation Supersonic Transport , Tupolew Tu-444 , Gulfstream X-54 , LAPCAT , Reaction Engines LAPCAT) A2 , Zero Emission Hyper Sonic Transport , SpaceLiner , itp.) zostały zaproponowane i są obecnie w fazie rozwoju.

Naddźwiękowe bombowce strategiczne

Convair B-58A Hustler
XB-70 Walkiria
Tupolew Tu-22M3
Lancer B-1B
Tupolew Tu-160

Bombowiec strategiczny musi posiadać duży ładunek bomb na długich dystansach. W konsekwencji jest to duży samolot o masie własnej przekraczającej 25 000 kg. Niektóre z nich zostały również zaprojektowane do pokrewnych ról, takich jak zwiad strategiczny i strajk przeciw żegludze.

Zazwyczaj samolot przez większość swojego lotu będzie latał poddźwiękowo, aby oszczędzać paliwo, zanim przyspieszy do prędkości ponaddźwiękowej podczas nalotu bombowego.

Niewiele naddźwiękowych bombowców strategicznych weszło do służby. Najwcześniejszy typ, Convair B-58 Hustler , poleciał po raz pierwszy w 1956 roku, a najnowszy, Rockwell B-1B Lancer , w 1983 roku. Chociaż ten i kilka innych typów jest nadal w służbie, żaden nie pozostał w produkcji.

Rodzaje, które miały latać, obejmują:

Naddźwiękowy zwiad strategiczny

Niektóre naddźwiękowe bombowce strategiczne, takie jak Suchoj T-4, również mogą pełnić rolę rozpoznawczą (chociaż Suchoj pozostał prototypem).

Lockheed SR kos-71 został zaprojektowany specjalnie dla tej roli, i był większy rozwój Lockheed A-12 rozpoznawczych samolotów, które oblatana 1962.

Naddźwiękowe myśliwce / myśliwce szturmowe

Myśliwce naddźwiękowe i związane z nimi samoloty są czasami nazywane szybkimi odrzutowcami. Stanowią one przytłaczającą większość samolotów naddźwiękowych, a niektóre, takie jak Mikoyan-Gurevich MiG-21 , Lockheed F-104 Starfighter i Dassault Mirage III , zostały wyprodukowane w dużych ilościach.

Wiele wojskowych myśliwców naddźwiękowych i podobnych samolotów czwartej i piątej generacji jest opracowywanych w kilku krajach, w tym w Rosji, Chinach, Japonii, Korei Południowej, Indiach, Iranie i Stanach Zjednoczonych.

Stany Zjednoczone

Związek Radziecki/Rosja

Szwecja

Zjednoczone Królestwo

Francja

Chiny

Kanada

Indie

Niemcy

Egipt

Francja/Wielka Brytania

Japonia

Izrael

Niemcy/Włochy/Wielka Brytania

Afryka Południowa

Tajwan

Niemcy/Włochy/Hiszpania/Wielka Brytania

Iran

Korea Południowa

Pakistan

Naddźwiękowe samoloty badawcze

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia
  • Gunston, Bill (2008). Szybciej niż dźwięk: historia lotu naddźwiękowego . Somerset, Wielka Brytania: Wydawnictwo Haynes. Numer ISBN 978-1-84425-564-1.
Uwagi