Вейврайдер — это конструкция гиперзвукового самолета , которая улучшает свою сверхзвуковую подъемную силу и аэродинамическое сопротивление за счет использования ударных волн , генерируемых во время собственного полета, в качестве подъемной поверхности — явление, известное как подъемная сила сжатия .
Вэйврайдер остается хорошо изученной конструкцией высокоскоростного самолета, работающего на гиперзвуковом режиме со скоростью 5 Маха и выше, хотя ни одна такая конструкция еще не запущена в производство. Демонстрационный самолет с прямоточным воздушно-реактивным двигателем Boeing X-51 проходил испытания с 2010 по 2013 год. В последнем испытательном полете он достиг скорости 5,1 Маха (5400 км/ч; 3400 миль в час). [1] [2]
Концепция конструкции волнового аппарата была впервые разработана Теренсом Нонвейлером из Королевского университета Белфаста и впервые описана в печати в 1951 году как возвращаемый аппарат. [3] Он состоял из платформы с треугольным крылом с низкой нагрузкой на крыло , чтобы обеспечить значительную площадь поверхности для отвода тепла при входе в атмосферу. В то время Нонвейлеру пришлось использовать сильно упрощенную 2D-модель воздушного потока вокруг самолета, которая, как он понял, не будет точной из-за обтекания крыла по размаху. Однако он также заметил, что поток по размаху будет остановлен ударной волной, создаваемой самолетом, и что, если крыло будет расположено так, чтобы намеренно приближаться к ударной нагрузке, поток по размаху будет захвачен под крылом, увеличивая давление и, таким образом, увеличивая подъемную силу. .
В 1950-х годах британцы начали космическую программу, основанную на ракете Blue Streak , которая в какой-то момент должна была включать в себя пилотируемый корабль. Компания Armstrong-Whitworth заключила контракт на разработку возвращаемого аппарата, и, в отличие от космической программы США, они решили придерживаться крылатого аппарата вместо баллистической капсулы . Между 1957 и 1959 годами они заключили контракт с Нонвейлером для дальнейшего развития его концепции. В результате этой работы была создана конструкция в форме пирамиды с плоской нижней стороной и короткими крыльями. Тепло передавалось через крылья к верхним холодным поверхностям, где оно сбрасывалось в турбулентный воздух на вершине крыла. В 1960 году работы над Blue Streak были отменены, поскольку ракета считалась устаревшей еще до того, как она могла быть принята на вооружение. Затем работа перешла в Королевский авиастроительный завод (RAE), где продолжилась исследовательская программа высокоскоростных (от 4 до 7 Маха) гражданских авиалайнеров . [4]
Эта работа была обнаружена инженерами North American Aviation во время первых исследований проекта бомбардировщика XB-70 . Они перепроектировали оригинальное «классическое» треугольное крыло, включив в него свисающие законцовки крыла, чтобы механически улавливать ударные волны, вместо использования ударного конуса, генерируемого передней частью самолета. Этот механизм также имел два других полезных эффекта; это уменьшило количество горизонтальной подъемной поверхности в задней части самолета, что помогло компенсировать дифферент на пикирование, возникающее на высоких скоростях, и добавило больше вертикальной поверхности, что помогло улучшить путевую устойчивость, которая уменьшалась на высокой скорости. [ нужна цитата ]
В оригинальной конструкции Нонвейлера ударная волна, генерируемая самолетом, использовалась как способ управления потоком по размаху и тем самым увеличивать количество воздуха, задерживаемого под крылом, так же, как и ограждение крыла . Работая над этой концепцией, он заметил, что можно сформировать крыло таким образом, чтобы ударная волна, создаваемая его передней кромкой, образовывала горизонтальный лист под аппаратом. В этом случае воздушный поток будет улавливаться не только горизонтально, по размаху, но и вертикально. Единственная область, куда мог выйти воздух над ударной волной, — это задняя часть листа, где заканчивался фюзеляж. Поскольку воздух находился между этим листом и фюзеляжем, в нем оказался бы большой объем воздуха, намного больше, чем при более простом подходе, который он впервые разработал. Кроме того, поскольку ударная поверхность находилась на расстоянии от корабля, ударный нагрев был ограничен передними кромками крыльев, что снизило тепловые нагрузки на фюзеляж.
В 1962 году Нонвейлер переехал в Университет Глазго, чтобы стать профессором аэродинамики и механики жидкости. В том же году его «Дельта-крылья форм, поддающихся точной теории ударных волн» были опубликованы в журнале Королевского авиационного общества и принесли ему золотую медаль этого общества . Летательный аппарат, созданный с использованием этой модели, выглядит как треугольное крыло, сломанное в центре и загнутое вниз по двум сторонам. Сзади он выглядит как перевернутая буква V или, альтернативно, « каретка » ^, и такие конструкции известны как «крылья каретки». Два-три года спустя эта концепция ненадолго привлекла внимание общественности благодаря работе над авиалайнером в RAE, которая привела к перспективе достичь Австралии за 90 минут. Газетные статьи привели к появлению на шотландском телевидении . [ нужна цитата ]
Хокер Сиддели исследовал вейврайдер с каретным крылом в конце 1960-х годов как часть конструкции трехступенчатой лунной ракеты. Первая ступень была построена на базе расширенной Blue Steel , вторая — на волновом аппарате, а третья — на атомной пилотируемой ступени. В 1971 году эта работа была обобщена для создания двухступенчатого космического корабля многоразового использования. Первая ступень длиной 121 фут (37 м) была спроектирована как классический волновой двигатель с воздушно-реактивной силовой установкой для возвращения на стартовую площадку. Верхняя ступень была спроектирована как подъемное тело и должна была доставлять полезную нагрузку массой 8000 фунтов (3,6 т) на низкую околоземную орбиту . [ нужна цитата ]
Работа Нонвейлера была основана на исследованиях плоских двумерных ударов из-за сложности понимания и прогнозирования реальных моделей ударов вокруг трехмерных тел. По мере улучшения изучения гиперзвуковых течений исследователи смогли изучить конструкции волноводов, в которых использовались ударные волны различной формы, самой простой из которых является коническая ударная волна, генерируемая конусом. В этих случаях вейврайдер спроектирован таким образом, чтобы к его крыльям прикреплялась округлая ударная волна, а не плоский лист, что увеличивает объем воздуха, задерживаемого под поверхностью, и тем самым увеличивает подъемную силу. [5]
В отличие от крыла-каре, конструкции с коническим потоком плавно изгибают крылья от почти горизонтального в центре до сильно опущенных в месте встречи с ударной силой. Как и крыло-каре, они должны быть спроектированы для работы на определенной скорости, чтобы правильно прикрепить ударную волну к передней кромке крыла, но в отличие от них форма всего корпуса может резко меняться на разных расчетных скоростях, а иногда иметь законцовки крыла, которые поверните вверх, чтобы прикрепиться к ударной волне. [ нужна цитата ]
Дальнейшее развитие конических секций, добавление фонарей и участков фюзеляжа привело к созданию «волноездника с соприкасающимися конусами», который создает несколько конических ударных волн в разных точках тела, смешивая их для создания ударной волны единой формы. Расширение диапазона поверхностных потоков сжатия позволило разработать волновые модели с контролем объема, [5] формой верхней поверхности, интеграцией двигателя и положением центра давления. Улучшение производительности и непроектный анализ продолжались до 1970 года. [6] [7]
За этот период по крайней мере один вейврайдер был испытан на ракетном полигоне Вумера , установленный на носовой части ракеты Blue Steel воздушного базирования , а ряд планеров был испытан в аэродинамической трубе Исследовательского центра Эймса НАСА . Однако в 1970-е годы большая часть работ в области гиперзвука исчезла, а вместе с ней и волновой аппарат. [ нужна цитата ]
Одно из многих различий между сверхзвуковым и гиперзвуковым полетом касается взаимодействия пограничного слоя и ударных волн, генерируемых носовой частью самолета. Обычно пограничный слой довольно тонкий по сравнению с линией тока воздушного потока над крылом и может рассматриваться отдельно от других аэродинамических эффектов. Однако по мере того, как скорость увеличивается и ударная волна все больше приближается к бокам корабля, наступает момент, когда они начинают взаимодействовать, и поле потока становится очень сложным. Задолго до этого момента пограничный слой начинает взаимодействовать с воздухом, находящимся между ударной волной и фюзеляжем, воздухом, который используется для подъемной силы на волновом корабле.
Расчет эффектов этих взаимодействий был за пределами возможностей аэродинамики до появления полезной вычислительной гидродинамики, начиная с 1980-х годов. В 1981 году Морис Расмуссен из Университета Оклахомы положил начало возрождению вейврайдинга, опубликовав статью о новой трехмерной форме нижней части с использованием этих методов. Эти формы обладают превосходными подъемными характеристиками и меньшим сопротивлением. С тех пор целые семейства вейврайдеров с конусным корпусом были спроектированы с использованием все более сложных конических амортизаторов на основе более сложного программного обеспечения. Эта работа в конечном итоге привела к конференции в 1989 году, Первой международной конференции по гиперзвуковым волновым аппаратам , проходившей в Университете Мэриленда.
Эти новейшие формы, «оптимизированные по вязкости волновые райдеры», выглядят похожими на конические конструкции, пока угол ударной волны на носу превышает некоторый критический угол, например, около 14 градусов для конструкции со скоростью 6 Маха. Угол удара можно контролировать, расширив носовую часть до изогнутой пластины определенного радиуса, а уменьшение радиуса приводит к уменьшению угла ударного конуса. Проектирование автомобиля начинается с выбора заданного угла, а затем разработки формы кузова, которая улавливает этот угол, а затем повторяет этот процесс для разных углов. Для любой заданной скорости одна форма даст наилучшие результаты.
При входе в атмосферу гиперзвуковые аппараты создают подъемную силу только за счет нижней части фюзеляжа . Нижняя часть, наклоненная к потоку под большим углом атаки , создает подъемную силу в ответ на то, что автомобиль направляет воздушный поток вниз. Подъемная сила не особенно высока по сравнению с традиционным крылом , но более чем достаточна для маневрирования, учитывая расстояние, которое преодолевает автомобиль.
Большинство возвращаемых аппаратов основаны на конструкции возвращаемого аппарата с тупым носом, впервые разработанной Теодором фон Карманом . [ нужна цитата ] Он продемонстрировал, что ударная волна вынуждена «оторваться» от искривленной поверхности, вытесняясь в более крупную конфигурацию, для формирования которой требуется значительная энергия. Энергия, затраченная на формирование этой ударной волны, больше не преобразуется в тепло, поэтому такое формирование может значительно снизить тепловую нагрузку на космический корабль. С тех пор такая конструкция легла в основу почти каждой возвращаемой ракеты, [ нужна ссылка ] на тупых носах первых боеголовок межконтинентальных баллистических ракет, днищах различных капсул НАСА и большом носу космического корабля «Шаттл» .
Проблема с системой с тупым носом заключается в том, что полученная конструкция создает очень небольшую подъемную силу, а это означает, что у транспортного средства возникают проблемы с маневрированием при входе в атмосферу. Если предполагается, что космический корабль сможет вернуться в точку запуска «по команде», то потребуется какое-то маневрирование, чтобы противодействовать тому факту, что Земля поворачивается под космическим кораблем во время его полета. После одного прохода по низкой околоземной орбите точка запуска будет находиться на расстоянии более 1000 км (600 миль) к востоку от космического корабля к тому времени, когда он завершит один полный виток. Значительный объем исследований был посвящен объединению системы с тупым носом и крыльями, что привело к разработке конструкции несущего кузова в США .
Именно во время работы над одной из таких конструкций Нонвейлер разработал вейврайдер. Он заметил, что отрыв ударной волны над тупыми передними кромками крыльев конструкции Армстронга-Уитворта позволит воздуху на нижней части корабля растекаться по размаху и выходить в верхнюю часть крыла через зазор между крыльями. передняя кромка и оторвавшаяся ударная волна. Эта потеря воздушного потока уменьшила (до четверти) подъемную силу, создаваемую вейврайдером, что привело к исследованиям того, как избежать этой проблемы и удерживать поток под крылом.
Получившаяся конструкция Нонвейлера представляет собой треугольное крыло с некоторым отрицательным двугранником - крылья изогнуты от фюзеляжа к законцовкам. Если смотреть спереди, крыло напоминает символ каре (
) в поперечном сечении , и эти конструкции часто называют каретками. Более современная 3D-версия обычно выглядит как закругленная буква «М». Теоретически звездообразный [ нужны уточнения ] вейврайдер с лобовым сечением «+» или «×» мог бы снизить сопротивление еще на 20%. Недостатком этой конструкции является то, что она имеет большую площадь контакта с ударной волной и, следовательно, имеет более выраженные проблемы с рассеиванием тепла .
У волноводов обычно острые носы и острые передние кромки крыльев. Нижняя ударная поверхность остается прикрепленной к этому. Воздух, поступающий через ударную поверхность, задерживается между амортизатором и фюзеляжем и может выйти только в задней части фюзеляжа. Благодаря острым краям сохраняется вся подъемная сила.
Несмотря на то, что острые края при той же плотности воздуха становятся намного более горячими, чем закругленные, улучшенная подъемная сила означает, что вейврайдеры могут скользить при входе в атмосферу на гораздо больших высотах, где плотность воздуха ниже. В списке, в котором различные космические аппараты ранжируются в порядке нагрева, применяемого к планеру, вверху будут капсулы (быстро возвращающиеся в атмосферу с очень высокими нагревательными нагрузками), вейврайдеры внизу (чрезвычайно длинные профили планирования на большой высоте) и космический шаттл . где-то посередине.
Простые волновые райдеры имеют существенные проблемы с конструкцией. Во-первых, очевидные конструкции работают только при определенном числе Маха , и величина захватываемой подъемной силы будет резко меняться при изменении скорости транспортного средства. Другая проблема заключается в том, что вейврайдер зависит от радиационного охлаждения , возможного, пока транспортное средство проводит большую часть своего времени на очень больших высотах. Однако на этих высотах также требуется очень большое крыло для создания необходимой подъемной силы в разреженном воздухе, и это же крыло может стать довольно громоздким на меньших высотах и скоростях.
Из-за этих проблем вейврайдеры не нашли поддержки у практических аэродинамических конструкторов, несмотря на то, что они могли бы создать гиперзвуковые аппараты дальнего следования, достаточно эффективные для перевозки грузов по воздуху .
Некоторые исследователи [ кто? ] спорно [ нужна цитация ] утверждают, что существуют конструкции, позволяющие преодолеть эти проблемы. Одним из кандидатов на многоскоростной вейврайдер является «каре-крыло», работающее под разными углами атаки. Каретное крыло — треугольное крыло с продольными коническими или треугольными прорезями или полосами . Оно сильно напоминает бумажный самолетик или крыло Рогалло . Правильный угол атаки станет более точным при более высоких числах Маха, но это проблема управления, которая теоретически разрешима. Говорят, что крыло будет работать еще лучше, если оно будет изготовлено из плотной сетки, поскольку это снижает его сопротивление, сохраняя при этом подъемную силу. Говорят, что такие крылья обладают необычным свойством работать в широком диапазоне чисел Маха в различных жидкостях с широким диапазоном чисел Рейнольдса .
Температурную проблему можно решить с помощью комбинации проходящей поверхности, экзотических материалов и, возможно, тепловых трубок . На транспирирующей поверхности небольшое количество охлаждающей жидкости , например воды, прокачивается через небольшие отверстия в обшивке самолета (см. транспирация и потоотделение ). Эта конструкция работает для щитов входа космических кораблей со скоростью 25 Маха и, следовательно, должна работать для любого самолета, который может нести вес охлаждающей жидкости. Экзотические материалы, такие как углерод-углеродный композит, не проводят тепло, но выдерживают его, но имеют тенденцию быть хрупкими . Тепловые трубки в настоящее время широко не используются. Как и обычный теплообменник , они проводят тепло лучше, чем большинство твердых материалов, но, как и термосифон, пассивно накачиваются. Boeing X-51A обеспечивает внешнее отопление за счет использования вольфрамового носового обтекателя и теплозащитных плиток в стиле космического челнока на брюхе. Внутренний нагрев (двигателя) поглощается за счет использования топлива JP-7 в качестве охлаждающей жидкости перед сгоранием. [8] Другие высокотемпературные материалы, называемые материалами SHARP (обычно диборид циркония и диборид гафния ), используются в рулевых лопастях возвращаемых ракет межконтинентальных баллистических ракет с 1970-х годов и предлагаются для использования на гиперзвуковых аппаратах. Сообщается, что они позволяют осуществлять полет со скоростью 11 Маха на высоте 100 000 футов (30 000 м) и полет со скоростью 7 Маха на уровне моря. Эти материалы более структурно прочны, чем армированный углеродный композит (RCC), используемый в носовой и передней кромках космического корабля, имеют более высокие характеристики радиационной и температурной устойчивости и не подвержены проблемам окисления, от которых RCC необходимо защищать с помощью покрытий. [9] [10]
Материал поверхности или авиационная «обшивка» для «волнолётов» и гиперзвуковых ( 5–10 Маха ) аппаратов, разработанная учёными Китайской академии аэрокосмической аэродинамики (CAAA) в Пекине, прошла испытания в 2023 году [11]
Альтернатива, разработанная корпорацией RTX, использует потеющую мембрану, разработанную в рамках работы, поддерживаемой ВВС США по контракту № ВВС США FA8650-20-C-7001 [12].