СВЕРХЗВУКОВЫЕ ПАССАЖИРСКИЕ САМОЛЕТЫ

Одной из важнейших задач всех специалистов авиационно-транспортного производства является создание сверхзвуковых пассажирских самолетов. Анализ уже существующих сверхзвуковых пассажирских самолетов позволил разработать принципиально новые, экономически выгодные и удовлетворяющие экологическим нормам. Рассмотрим ряд изобретений, направленных на создание универсальных сверхзвуковых пассажирских самолетов, которые можно было бы использовать на высотах полета, находящихся за пределами современных воздушных коридоров, со сверхзвуковыми скоростями.

Сверхзвуковой самолет, разработанный Корабеф Йоханном и Прамполини Марко [3], имеет улучшенные характеристики самолетов «Конкорд» и «Туполев ТУ-144». В частности, снижение уровня шума, которым сопровождается преодоление звукового барьера.

Данное изобретение содержит фюзеляж (рис 1), который образован передней секцией или носом CN, средней секцией или пассажирской кабиной P и задней секцией. Фюзеляж самолета имеет постоянное сечение, которое, начиная от секции пассажирской кабины, постепенно расширяется, а в заднем направлении воздушного судна сужается.

Рисунок 1. Вид сверхскоростного воздушного судна в продольном разрезе

Внутри задней секции фюзеляжа располагаются один или несколько резервуаров с жидким кислородом R01 и резервуар с водородом в жидком или шугаобразном состоянии Rv, предназначенные для питания ракетного двигателя.

Воздушное судно имеет треугольное готическое крыло, как показано на (рис.2), корень которого берет начало на уровне, где начинается расширение передней части фюзеляжа. Треугольное крыло оборудовано двумя закрылками с каждой стороны фюзеляжа.

Рисунок 2. Вид сверхскоростного воздушного судна в перспективе

С помощью цилиндрической детали на каждом наружном конце задней кромки треугольного крыла закреплено малое крыло a1,a2. На (рис. 3) иллюстрируется данное изобретение.

Рисунок 3. Малое крыло в перспективе

Подвижное малое крыло состоит из двух элементов трапециевидной формы, которые расположены с двух сторон цилиндрической детали. Цилиндрическая деталь, ось которой параллельна оси фюзеляжа, может поворачиваться вокруг своей оси для установки малого крыла в зависимости от скорости воздушного судна. Положение малых крыльев является горизонтальным при скоростях ниже 1Мах и вертикальным при скоростях выше 1Мах. Изменение положений малого крыла необходимо для решения проблемы с совмещением центра тяжести и центра приложения тяги при любой скорости самолета.

Воздушное судно оборудовано системой двигателей (рис 1). Данная система содержит два турбореактивных двигателя TB1(TB2), два прямоточных воздушно-реактивных двигателей ST1(ST2) и ракетного двигателя Mf.

Два турбореактивных двигателя TB1(TB2) размещены в переходной зоне между пассажирской кабиной P и задней секцией фюзеляжа. Турбореактивные двигатели предназначены для этапа рулежки воздушного судна и этапа взлета. Незадолго до входа в область трансзвукового полета турбореактивные двигатели выключаются и убираются внутрь фюзеляжа. Как только начинается фаза посадки воздушного судна и скорость воздушного судна становится ниже скорости 1Мах, происходит выпуск и зажигание турбореактивных двигателей. Данное решение позволяет значительно уменьшить размер и массу турбореактивных двигателей по сравнению с турбореактивными двигателями стандартного использования.

На этапе взлета воздушное судно движется не только за счет турбореактивных двигателей TB1(TB2), но и за счет ракетного двигателя. Ракетный двигатель может представлять собой (рис.4) либо единый двигатель с плавно изменяющейся тягой, либо комбинацию главного двигателя Mp с несколькими вспомогательными двигателями Ma1,Ma2 с раздельной тягой.

Рисунок 4. Вид ракетного двигателя сзади

Ракетный двигатель, размещенный в задней части фюзеляжа, имеет возможность открывания и закрывания в фюзеляже при помощи заднего люка P воздушного судна, как показано на (рис.5).

Рисунок 5. Вид сверхскоростного воздушного судна сзади

На этапе взлета люк полностью открыт, но как только воздушное судно оказывается на большой высоте, ракетный двигатель выключают, а люк закрывают, что придает обтекаемую форму фюзеляжу. Начинается фаза полета на крейсерской скорости.

Фаза полета на крейсерской скорости происходит с включения прямоточных воздушно-реактивных двигателей ST1(ST2) и выключения ракетного двигателя Мf. Два прямоточных воздушно-реактивных двигателя размещены симметрично относительно продольной оси воздушного судна и предназначены для создания крейсерской скорости. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют неподвижную геометрию, что снижает их массу и упрощает их конструкцию. Тягу прямоточных воздушно-реактивных двигателей модулируют во время полёта с помощью изменения расхода водорода.

Воздушное судно, по данному изобретению, может перевозить около двадцати пассажиров. Высота полета самолета составляет от 30000м до 35000м и может развивать скорость от 4Мах до 4,5Мах.

Особый интерес представляет сверхзвуковой пассажирский самолет, который предлагают выполнять по аэродинамической схеме «утка» [1]. В соответствии с заявляемым техническим решением летательный аппарат содержит фюзеляж, как показано на (рис.6), который с помощью наплыва 2 сопряжен с крылом 1. В центральной части фюзеляжа размещен пассажирский салон. В поперечном сечении носовая и центральная части фюзеляжа выполнены округлой формы. В хвостовой части фюзеляжа имеется углубление.

Рисунок 6. Общий вид летательного аппарата

Воздушное судно снабжено двигателями, размещенными в мотогондоле 3, которые с двумя воздухозаборниками 4 объединены в «пакет». Данный «пакет» устанавливается сверху за углублением хвостовой части фюзеляжа, что позволяет снизить лобовое сопротивление судна, улучшить балансировку при отказе одного двигателя.

Углубление хвостовой части фюзеляжа направлено на уменьшение неравномерности сверхзвукового потока, подаваемого в воздухозаборники. Данное техническое решение ограничено первой площадкой 6 и парой вторых площадок 7, что показано на (рис.7).

Рисунок 7. Вид на хвостовую часть фюзеляжа сверху

Первая площадка 6, выполненная плоской, образует косой срез фюзеляжа. Площадка может быть ориентирована к направлению подачи воздуха в воздухозаборник судна под острым углом, значение которого лежит в диапазоне от 2 до 10 градусов. С обшивкой фюзеляжа первая площадка соединяется под углом без плавного перехода, что обеспечивает наличие в месте стыка площадки с обшивкой острой кромки 9, что формирует вихревое течение вдоль острых кромок стыка. Вихревое сверхзвуковое течение обеспечивает удаление нарастающего пограничного слоя, образовываемого за счет перемещения потока по площадкам, с периферийных областей площадок и стекания его в стороны от фюзеляжа.

Вторые площадки 7, выполненные плоскими, размещаются между воздухозаборниками 4 и первой площадкой 6. Они расположены друг к другу под углом, который целесообразно выбрать превышающим 150 градусов. Для предотвращения возрастания аэродинамического сопротивления, величина угла между направлением подачи воздуха в воздухозаборник и ребром соединения вторых площадок 10 не должна превышать 20 градусов.

Наличие вторых площадок позволяет удалять пограничный слой из областей, близких к плоскости симметрии воздушного судна, за счет образования интенсивного вихря. Интенсивное вихревое течение образуется в зоне размещения ребра между вторыми площадками. Удаление пограничного слоя из областей, близких к плоскости симметрии воздушного судна, позволяет уменьшить толщину пограничного слоя перед входом в воздухозаборники.

Стоит отметить, что обеспечивается удаление пограничного слоя непосредственно перед срезом воздухозаборника, за счет продления вторых площадок за этот срез. На (рис 8) иллюстрируется данное решение.

Рисунок 8. Вид на одну из вторых плоских площадок в месте ее продления за срез воздухозаборника

Отличие патента Сиротина Валерия Николаевича [4] от остальных в том, что он предлагает пассажирский сверхзвуковой самолет с обратной стреловидностью крыла, имеющий аварийно-спасательные модули (показан на рис. 9).

Воздушное судно, согласно патенту, содержит фюзеляж 1, в носовой части которого расположена кабина пилотов 11. В средней части расположены аварийно-спасательные модули 2, которые образуют внешний обвод фюзеляжа, за счет теплоизолированных стенок. Также сверхзвуковой самолет содержит левое и правое крылья 3, которые выполнены с возможностью поворота относительно оси фюзеляжа. Силовая установка изобретения включает в себя четыре подъемно-маршевых турбореактивных двигателя 9.

Рисунок 9. Вид на воздушное судно сверху перед поворотом правого и левого крыльев к удерживающим захватам фюзеляжа

Стоит заметить, что воздушное судно имеет вертикальный 6 и горизонтальный 7 стабилизаторы. Переднее горизонтальное оперение 8, с помощью специальных двигателей, установлено с возможностью поворота относительно оси по горизонтали фюзеляжа.

С возможностью поворота относительно оси по горизонтали фюзеляжа прикреплено и правое, и левое крыло 3. Чтобы на сверхзвуковой скорости положения правого и левого крыла были зафиксированы, в нижней части фюзеляжа имеются удерживающие захваты. Для поворота крыльев предусмотрены специальные двигатели. Величина поворота крыльев составляет 53 градуса относительно оси по горизонтали фюзеляжа. Данное значение обеспечивает смещение зоны, где начинается срыв потока с концов крыльев к корню.

На (рис. 10) представлено, как во время взлета двигатели механизмов 15 осуществляют поворот правого и левого крыла на угол 53 градуса в направлении от фюзеляжа, а поворот переднего горизонтального оперения на угол 85 градусов. Данная аэродинамическая схема с обратной стреловидностью позволяет самолету взлетать.

Рисунок 10. Вид сверху на схему механизмом поворота крыльев

При достижении высокой дозвуковой скорости, двигатели механизмов поворачивают крылья в направлении внутрь к оси фюзеляжа, где фиксируются удерживающими захватами. Происходит поворот и переднего горизонтального оперения. За счет данных действий самолет изменяет свою аэродинамическую схему (рис.11), которая позволяет развить сверхзвуковую скорость.

Рисунок 11. Вид на воздушное судно сверху после поворота правого и левого крыльев к удерживающим захватам фюзеляжа

Для случая аварийной ситуации на судне предусмотрены аварийно-спасательные модули (рис.12). Каждый модуль снабжен катапультными установками 21, которые приводятся в действие по команде пилотов, парашютом 22, посадочным устройством 23, автономной системой энергоснабжения.

Рисунок 12. Спуск обитаемого модуля

Авторы патента №2391254 предлагают нам сверхзвуковое судно, которое выполнено по аэродинамической схеме «бесхвостка с ГО» [2]. Согласно патенту, как показано на (рис.13), самолет содержит фюзеляж 1, передняя часть которого включает кабину пилотов и пассажирский салон 8. Особое внимание стоит обратить на то, что носик фюзеляжа приплющенный 7. В вертикальной плоскости он выполнен с радиусом 0,1…5 мм, а в горизонтальной 300…1500 мм.

Рисунок 13. Общий вид летательного аппарата

Минимум звукового удара достигается тем, что близкая к круговой форме форма поперечного сечения имеет нарастание радиуса передней части фюзеляжа.

По данному патенту для обеспечения высокой эффективности продольного управления, создания благоприятного кабрирующего момента на сверхзвуковых скоростях нижняя хвостовая часть фюзеляжа плавно переходит в плоскую в поперечном направлении поверхность. Нижняя хвостовая часть фюзеляжа заканчивается рулем высоты.

Для обеспечения минимальных возмущений потока и волнового сопротивления авторы предлагают на корневой секции стреловидного крыла в месте сочленения крыла и фюзеляжа 14 сделать большой угол стреловидности порядка 78…84 . А профиль передней кромки 9 выполнить с радиусом закругления 5…40 мм, для увеличения объема крыла и значения максимального допустимого угла атаки.

Особое внимание стоит обратить на воздухозаборники двигателей 4, которые размещаются по бокам фюзеляжа над верхней поверхностью корневой части крыла, что обеспечивает снижение неблагоприятного влияния их на величину звукового удара. Так как перед воздухозаборниками происходит подтормаживание потока, осуществляется отвод пограничного слоя через перфорированные участки 16 (показано на (рис.14)), которые выполнены на плоскостях перед воздухозаборниками и в них самих.

Рисунок 14. Схема поджатия крыла (фюзеляжа) перед воздухозаборниками и схема перепуска пограничного слоя

Слив данного пограничного слоя происходит на верхнюю поверхность фюзеляжа и крыла, через воздуховод слива 17. Но для подвода необходимого количества воздуха на различных режимах, сверхзвуковые воздухозаборники содержат механизм управляемого перепуска воздуха 18 из канала слива пограничного слоя в канал воздуховода 19 от воздухозаборников к двигателю.

Реализованные на данное время сверхзвуковые самолеты по тем или иным причинам были сняты с использования. Представленные в данной статье изобретения направлены на создание сверхзвуковых воздушных судов, которые имеют высокие летные характеристики и экологические показатели.

Главными техническими задачами для создания таких аппаратов являются:

- снижение аэродинамического сопротивления судна;

 - снижение уровня шума, которым сопровождается преодоление звукового барьера;

- уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу, которое достигается уменьшенным потреблением топлива за счет улучшения характеристик воздухозаборников.

  Большинство запатентованных сверхзвуковых самолетов имеют высоту полета, которая превышает высоту полета обычного авиалайнера. Такое преимущество позволяет использовать летательный аппарат практически во всепогодные условия, поскольку полет осуществляется на высотах, где отсутствуют метеорологические явления, влияющие на нормальное пилотирование.

Список литературы:

1. Бабулин А.А., Власов С.А., Субботин В.В., Титов В.Н., Тюрин С.В. Пат. №2517629 (РФ). МПК B 64 D 33/02, B 64 D 27/20, B 64 С 30/00. Летательный аппарат.
2. Бахтин Е.Ю., Житенёв В.К., Кажан А.В., Кажан В.Г., Миронов А.К., Поляков А.В., Ремеев Н.Х.  Пат. №2391254 (РФ). МПК B 64 D 33/02, B 64 D 27/16, В 64 С 3/10, В 64 С 1/38, В 64 С30. Сверхзвуковой самолет (варианты).
3. Корабеф Йоханн, Прамполини Марко, Пат.№2547962 (РФ). МПК В 64 С 30/00, B 64 D 27/020, B 64 С 5/10, B 64 С 5/08. Сверхскоростное воздушное судно и соответствующий способ воздушного передвижения
4. Сиротин В.Н. Пат. №2349506 (РФ). МПК B 64 С 3/40, B 64 С30. Пассажирский сверхзвуковой самолет с обратной стреловидностью крыла и с аварийно-спасательными модулями.