книги из ГПНТБ / Райков Л.Г. Нагрев летательных аппаратов в полете

Л. Г. Р А Й К О В

Н А Г Р Е В ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В П О Л Е Т Е

ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СССР

М О С К В А — 1962

РА Й К О В Л. Г., кандидат технических наук

Нагрев летательных аппаратов в полете

Вкниге излагаются основные вопросы аэродинамического нагрева сверхзвуковых летательных аппаратов и рассматриваются особенности

конструкции, вызванные этим нагревом.

Автор останавливается яа источниках нагрева летательных аппа­ ратов, на определении температурных полей сверхзвуковых самолетов, ракет и космических кораблей на примере спутников, на свойствах материалов при высоких температурах и приводит данные о новых материалах и покрытиях, способных выдержать повышенные тепловые нагрузки. Значительное место в работе занимают также вопросы проч­

можно создать соответствующие работоспособные конструкции. Объяс­ нения иллюстрируются примерами выполненных конструкций сверх­ звуковых самолетов и ракет, а также двигателей, различных систем и оборудования.

Книга написана по материалам иностранной литературы.

Книга предназначается для инженерно-технического и летного со­ става ВВС, ГВФ, ДОСААФ, слушателей и курсантов авиационно­ технических и летных учебных заведений, а также для лиц, интересую­ щихся современными летательными аппаратами.

ГЛ

Q

Л е о н и д Г е р а с и м о в и ч Р а й к о в Нагрев летательных аппаратов в полете М., Воениздат, 1962, 109 с.

Редактор инженер-майор Лазаревич С. И.

1-я типография Военного издательства Министерства обороны СССР

Москва. К-6. проезд Скворцова-Степанова, дом 3

Цена 19 коп.

ВВЕДЕНИЕ

Последнее десятилетие в развитии авиации ознаме­ новалось созданием сверхзвуковых самолетов и различного вида ракет. В течение незначительного промежутка вре­ мени скорости самолетов увеличились от скоростей, соот­ ветствующих числам М ~ 1 , до скоростей, значительно превосходящих скорость звука, а скорость баллистических ракет достигла космической. Особенно бурного развития реактивная и ракетная техника достигла в Советском Союзе. В нашей стране впервые в мире были запущены искусственный спутник Земли, искусственная планета сол­ нечной системы, была послана ракета на Луну. Благодаря гению советского человека созданы тяжелые, весом в не­ сколько тонн, космические корабли, надежность конструк­ ций которых неоднократно проверена полетами по орбитам

началось непосредственное проникновение человека в кос­ мос. Наряду с успехами ракетной техники наши летчики на отечественных сверхзвуковых самолетах установили ряд мировых рекордов.

Для осуществления успешных полетов на высоких ско­ ростях и больших высотах потребовалось разрешение ряда новых научных проблем и в первую очередь вопросов сверхзвуковой аэродинамики. Среди них особое место за­ нимали задачи, связанные с обеспечением устойчивости полета. Создание ракет дальнего действия и сверхзвуковых самолетов, способных совершать длительный управляемый полет в атмосфере, непосредственно связано с решением

такой важной конструкторской проблемы, как проблема аэродинамического нагрева. Под этой проблемой обычно подразумевают широкий круг вопросов теплообмена, ма­ териаловедения, прочности, конструирования и т. п., выте­ кающих из явления нагревания поверхности летательного аппарата в полете, которое объясняется тем, что при об­ текании тел потоком частицы газа, примыкающие к по­ верхности, вследствие трения тормозятся. Хотя нагрев поверхностей обтекаемых газом тел существует при любой скорости движения, однако на малых скоростях он незна­ чителен. Другое дело на больших скоростях. Здесь в сверхзвуковом потоке, обладающем громадной энергией, нагревание поверхности становится столь значительным, что требуется принимать специальные меры по защите летательных аппаратов от воздействия высоких темпе­ ратур.

Большие теоретические и экспериментальные исследо­ вания авиационных специалистов привели к созданию на­ дежных конструкций самолетов и ракет, способных выдер­ живать значительные тепловые нагрузки. Тяжелые температурные условия работы конструкций таких лета­ тельных аппаратов наложили определенные особенности не только на выполнение самой конструкции, но и на ее эксплуатацию. Грамотная эксплуатация сверхзвуковых ле­ тательных аппаратов немыслима без знания этих особен­ ностей.

Внастоящее время в различных журналах опублико­ вано большое количество работ по-названным вопросам. Анализ и обобщение этого обширного материала позво­ ляют показать обусловленные воздействием аэродинамиче­ ского нагрева конструктивные особенности летательных аппаратов.

Взависимости от скорости и высоты полета современ­ ные летательные аппараты можно разделить на две группы. К первой группе относятся летательные аппараты, имеющие сравнительнонебольшие скорости (до М ~ 2) и высоты (до Я ~ 20 км) полета, ко второй — летательные аппараты с громадными скоростями (до М ~ 20) и значи­

тельными высотами (до Я 3= 200 км) полетов. Появление таких групп летательных аппаратов во многом о!бусловлено развитием двигательных установок. Создание двигателей со сравнительно небольшой тягой и приемлемым расходом топлива привело к развитию различных типов летатель­ ных аппаратов первой группы. Создание двигателей гро­

4

мадной тяговой мощности связано с высокими расходами топлива; такие двигатели из-за ограниченных запасов топ­ лива на борту имеют небольшую продолжительность ра­ боты, однако ее вполне достаточно для достижения лета­ тельными аппаратами второй группы высоких скоростей и больших высот полета.

Дальнейшее развитие авиационной техники, и в пер­ вую очередь двигателестроения, позволит, по-видимому, создать летательные аппараты, летные данные которых будут лежать между указанными пределами двух назван­ ных групп современных самолетов и ракет.

Может показаться, что для перехода от современных сверхзвуковых самолетов к пилотируемым спутникам и космическим кораблям достаточно создать летательные аппараты с различными числами М и высотами Н полета. Однако в действительности возможный диапазон высот и чисел М полета, в котором будут совершать полеты созда­ ваемые летательные аппараты все с большими значе­ ниями М и Н, довольно ограничен, особенно для устано­ вившегося полета. В этих условиях существует лишь узкий коридор (зона), который соединяет первую группу лета­ тельных аппаратов со второй и в котором практически возможен полет. Такая возможная зона, или область уста­ новившихся полетов, показана на рис. 1.

Границы по высоте и скорости областей полетов лета­ тельных аппаратов определяются заложенными в них фи­ зическими принципами. Например, известно, что условием установившегося полета является равенство всех действу­ ющих на летательный аппарат сил, как горизонтальных, так и вертикальных. Это означает, что Р — Q (тяга дви­ гательной установки уравновешивает лобовое сопротивле­ ние летательного аппарата) и Г = G (подъемная сила са­ молета уравновешивает вес аппарата). Последнее можно записать так:

или, что то же самое:

5

Ним

Рис. 1. Возможная зона полетов летательных аппаратов в уста­ новившемся горизонтальном полете

S— 'площадь крыла;

р— нагрузка на м2 крыла.

Поскольку V = Ма, а з* 20 у Т, где Т берется в. абсо­ лютных градусах, вышеприведенное уравнение принимает вид

рТ ---- £---- = f W) ,

200суМ2

где М — число полета;

а— скорость звука;

Т— абсолютная температура воздуха;

Я—■высота.

Таким образом, получается связь основной аэродина­ мической характеристики (су) и скорости полета летатель­ ного аппарата с его высотой. Из этого уравнения видно,

6

что, чем больше коэффициент подъемной силы, тем меньше величина рТ, т. е. тем больше высота.

Для установившегося полета большие су соответствуют минимальным скоростям полета. Следовательно, верхняя граница рассматриваемой области полетов летательных ап­ паратов определяется минимальной скоростью, т. е. той скоростью, при которой еще возможен установившийся по­ лет. Конечно, на ее величину влияют и такие параметры, как вес самолета, площадь его крыла, удлинение крыла и располагаемая мощность. Путем радикальных изменений конструкции значения верхней границы рассматриваемого коридора могут быть подняты вверх, но только за счет ухудшения других характеристик летательного аппарата.

Увеличение скорости полета крылатого летательного аппарата свыше скорости, соответствующей числу М = 1, приводит к незначительному возрастанию предельной вы­ соты! полета вследствие резкого падения су. Однако при очень больших скоростях полета в равенстве вертикальных сил летательного аппарата добавляется и начинает играть значительную роль центробежная сила, которая при орби­ тальной скорости (-—'7,5 км/сек) полностью уравновеши­ вает вес аппарата.

Если верхняя граница рассматриваемого коридора за­ висит от аэродинамических свойств летательного аппарата, то нижняя граница определяется его прочностью. Изве­ стно, что прочность летательных аппаратов ограничена. Ограничение по прочности вводится с целью снижения от­ носительного веса конструкции в общем балансе весов летательного аппарата. Например, увеличение скоростей полета выбывает значительное повышение действующих на летательный аппарат нагрузок, что в свою очередь требует увеличения прочности, а следовательно, и веса. Чтобы из­ бежать увеличения веса, максимальную скорость полета ограничивают. Для ограниченно маневренных и неманевренньих летательных аппаратов (бомбардировщиков) пре­ дельную скорость ограничивают на малых высотах по

где n max— нормированное (взятое из Норм прочности) значение максимальной перегрузки;

7