Файл: Райков Л.Г. Нагрев летательных аппаратов в полете.pdf

Г л а в а 4

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ СВЕРХЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Возможные способы защиты конструкций от влияния нагрева

В предыдущих главах отмечалось, что аэродинамиче­ ский нагрев сверхзвуковых летательных аппаратов оказы­ вает вредное влияние на свойства материала и прочность конструкции. Во избежание такого явления или для его уменьшения конструкторы применяют различные средства

борьбы с нагревом.

Таким средством в первую очередь является правиль­ ный выбор внешней формы, геометрии летательного аппа­ рата. Так, применение стреловидного крыла вместо прямо­ го значительно уменьшает его нагрев. Особенно это важно для передних кромок, которые у стреловидного крыла скошены и тем самым не создают ударного торможения. На рис. 17 показано изменение отношения коэффициентов теплоотдачи стреловидного и прямого крыльев в зависимо­ сти от угла стреловидности.

Однако использование эффекта стреловидности для снижения нагрева не всегда возможно. Известно, что стре­ ловидность крыла выбирается так, чтобы передняя кромка находилась внутри конуса возмущения. На больших ско­ ростях лолета, когда конус возмущения имеет малый угол при вершине, нужна очень большая стреловидность крыла, чтобы его передняя кромка находилась внутри конуса воз­ мущения.. Но большая стреловидность ухудшает устойчи­ вость летательного аппарата, поэтому на больших скоро­ стях полета применяют прямое крыло с острой сверхзвуковой кромкой. На рис. 18 показано крыло с незначительной

62

стреловидностью и с острыми кромками, которые на зем­ ле предохраняются специальными чехлами.

Но острые кромки имеют малую массу и подвергаются интенсивному воздействию теплового потока. Для разре-

шения этой трудности используют затупление носка кры­ ла. Тепловой поток, как было показано выше, зависит от коэффициента теплоотдачи и разности температур. Коэф­ фициент теплоотдачи обратно пропорционален радиусу

целесообразно и для носовых частей снарядов и различ­ ных ракет.

Наиболее простым методом защиты самолетов и ракет

63

от нагревания является использование теплостойких ма­ териалов: стали, титановых сплавов, бериллия и др.

Для летательных аппаратов очень больших скоростей основными материалами будут керамики. На керамической основе, в частности, будут использовать лакокрасочные покрытия. Для фонарей кабин и лобовых стекол, которые в целях теплоизоляции будут двухслойными, найдут при­ менение температуростойкие стекла.

Кроме подбора теплостойких материалов для защиты конструкции от нагрева, широко используются теплоизоля­ ционные покрытия, позволяющие значительно понизить -ра­ бочую температуру металлической конструкции. Нано­ ситься покрытия могут различными методами, например приклеиванием, распиливанием и др.

Использование наружной изоляции, препятствующей проникновению в конструкцию теплового потока от погра­ ничного слоя, значительно уменьшает температурные гра­ диенты в самой конструкции.

Чтобы уменьшить до минимума теплопередачу внутрь конструкции и сохранить в то же время достаточно глад­ кую обшивку, теплоизоляцию можно устанавливать между наружной и внутренней обшивками. Кроме того, для уменьшения теплового потока к конструкции устраивают тепловые экраны, отделенные от конструкции теплоизоля­ ционными прокладками.

В качестве теплоизолирующих прокладок в настоящее время с успехом применяют кремнезем, асбест и различ­ ные пенопласты.

Для теплозащиты применяется также армирование ке­ рамики сталью или молибденом. Металлическая сетка, вы­ полняющая здесь роль арматуры, обеспечивает прочное сцепление между покрытием и металлом. Сетку обычно припаивают или приваривают к основному металлу кон­ струкции до нанесения покрытия.

Хотя теплоизоляция уменьшает максимальную темпе­ ратуру конструкции сверхзвуковых летательных аппара­ тов в течение некоторого времени, ее применение не всег­ да экономически выгодно. Например, применение теплоизо­

струкцию тепла велико, приведет к значительному возра­ станию веса. В этом случае целесообразнее с большей ча­ сти поверхности летательного аппарата тепло рассеять пу­ тем радиации, для чего на внешней поверхности обшивки

64

применяют покрытие с коэффициентом излучения, близ­ ким к единице. Таким образом можно получить на поверх­ ности летательного аппарата относительно низкую равно­ весную температуру, которую выдержат существующие материалы.

С целью снижения теплового потока внутрь конструк­ ции на внутренней поверхности обшивки используют по­ крытие с коэффициентом теплоизлучения, близким к нулю.

Максимальная интенсивность теплового потока у воз­ вращающихся в атмосферу головок баллистических сна­ рядов достигает 11 500—32 000 квт/м2. Здесь процесс на­ грева неустановившийся и кратковременный (примерно 10 сек). В этом случае с успехом могут быть применены и другие способы теплозащиты, в частности теплопоглощаю­ щие (бериллий, медь) и обгорающие материалы!. При рас­ плавлении, сублимации или испарении части материала конструкции образуется защитный слой, который умень­ шает передачу тепла к оставшейся поверхности.

До некоторой степени температуру конструкции можно снизить, если во внутреннюю часть конструкции, где име­ ются полые отсеки, перед полетом заливать воду. (Для предотвращения «плескания» воды в отсек вставляют гид­ роскопические материалы.) По мере повышения темпера­ туры конструкции вода будет испаряться и поглощать тепло.

Во многих случаях наличие больших количеств топли­ ва, соприкасающихся с обшивкой, дает такой же эффект, как и охлаждение водой. Однако по мере расходования топлива (особенно когда объем его становится незначи­ тельным) температура его повышается, что снижает эф­ фект охлаждения и затрудняет использование самого топ­ лива.

Можно снизить температуру конструкции летательного аппарата путем впрыскивания в пограничный слой жид­ кого охладителя. Ведутся также интенсивные исследования в области газового и жидкостного пленочного охлаждения или охлаждения путем выпотевания (подача охладителя через порьп обшивки к ее внешней поверхности), тем более что легкие пористые'материалы, пригодные для такого ме­ тода охлаждения, имеются. Количество охлаждающей жидкости, а также ее род определяются рядом факторов. Например, для уменьшения температуры до 200°С при охлаждении поверхности летательного аппарата выпотеванием на высоте около 45 км при числе М = 10 потребуется

65

примерно 3,5 л жидкости в час на 1 м2 охлаждаемой пло­

щади.

Однако применять одно охлаждение нецелесообразно, поскольку в обшивке быстро устанавливаются высокие температурные напряжения, а кроме того, система охлаж­ дения получается тяжелой. Во избежание этих недостатков необходимо применять одновременно изоляцию и охлаж­

дение.

Для уменьшения температурных расширений отдельных элементов относительно друг друга для более холодной конструкции применяют материал с большим коэффициен­ том теплового расширения, используют разрезную обшив­ ку и т. д. На рис. 20 показан пример выполнения стенки

Рис. 20. Отсек лонжерона со стенкой, имеющей зиги — тепловые компенсаторы

лонжерона с тепловым компенсатором в виде чередующихся через определенный шаг зигов. Вместо зига иногда исполь­ зуют разрез, который закрывается соединением, допускаю­ щим тепловое расширение.

Известно, что плоская стенка лонжерона обеспечивает достаточную жесткость балки на изгиб при весьма малой жесткости на кручение. В то же время гофрированные стенки создают лонжерону большую жесткость на круче­ ние. Они также хорошо работают на срез, а при интенсив­ ном нагреве и охлаждении температурные напряжения в них практически отсутствуют. Отсек лонжерона с гофриро­ ванной стенкой показан на рис. 21.

В конструкциях летательных аппаратов найдут широ­ кое применение слоистые конструкции, как. паяные сото­

66

вые, так и с заполнителем из гофра. Слоистые конструкции обладают рядом преимуществ: создают устойчивость при использовании тонких листов, обеспечивают ровную по­ верхность, обладают теплоизолирующими свойствами.

Рис. 21. Отсек лонжерона с гофрированной стенкой

Особенности конструкций каркаса сверхзвуковых самолетов

Конструкция современньих самолетов выполняется из элементов, представляющих, по существу, тонкую стенку: тонкая обшивка, тонкая стенка лонжерона, незначительной толщины стрингеры и обычные шпангоуты. Естественно, что эти элементы быстро прогреваются. Однако прогрев элемента конструкции зависит не только от толщины ма­ териала, но и от времени нагрева. Расчетьи показывают, что условия нагрева при полете на Н = 11 -f-20 км можно считать неустановившимнся, если нагрев продолжается в течение 1—2 мин, и установившимися, если он длится более 5 мин. Диапазон от 2 до 5 мин рассматривается как про­ межуточный. Поэтому при проектировании сверхзвукового самолета подходят к выбору материала и указанной вышё защиты: от нагревания в зависимости от предполагаемой длительности нагрева.

При неустановившемся аэродинамическом нагреве в ка­ честве конструкционного материала используют алюминие­

вые сплавы. Так, температурная проблема на самолетебомбардировщике В-58, рассчитанном на М = 2, решена пу­ тем широкого применения слоистых панелей, как клееных (95% элементов поверхности), так и паяных. Такая кон­ струкция при малом весе обеспечивает необходимую жест­ кость благодаря высокой удельной прочности. Кроме того, слоистые материалы создают для конструкции хорошие характеристики теплоизоляции. Они также стойки против окисления и обладают хорошей выносливостью по отноше­ нию к повторным нагрузкам.

На самолете В-58- элероны, пилоньи гондол двигателей и отдельные участки крыла выполнены из паяных слоистых панелей из нержавеющей стали, которые при максималь­ ной скорости полета могут выдерживать температуры, пре­ вышающие 150° С.

Типовая панель конструкции выполнена из формован­ ных деталей, замыкающих кромки, из различных видов плоских и уголковых накладок, сварных стальных сот, внутренней и наружной обшивки. Сотьи и обе обшивки скрепленьи между собой серебряным припоем.

Паяные стальные слоистые панели имеют три основные формы: плоские, клиновидные и с криволинейной поверх­ ностью. По расчетам, такие панели из нержавеющей стали могут работать до температуры! 480° С, сохраняя при этом аэродинамические формы без появления волнистости или хлопунов. Панель обладает очень высокой вибростой­ костью. При испытании на усталость разрушилась не па­ нель, а деталь ее крепления.

Приведем некоторые примеры выполнения конструк­ ций сверхзвуковых самолетов.

Самолет «Хоукер» РЛ 121 рассчитан на скорость полета, соответствующую числу М = 2,5 на большой высоте.

Конструкция выполнена в основном из легкого сплава; высокопрочная сталь и титан применены! лишь в местах наибольших нагрузок. Применение алюминиевых сплавов в конструкции обосновано тем, что самолет предназначен для действий на малых высотах с дозвуковой скоростью и для кратковременных полетов с большими сверхзвуко­ выми скоростями в стратосфере.

Элероны, закрылки, рули имеют слоистую конструкцию с обшивкой из легкого сплава. Сотовый заполнитель кон­ струкции и обшивка склеены между собой.

Сверхзвуковой самолет «Бреге» 1001 рассчитан на ско­ рость полета, соответствующую М = 2,5, Конструкция сред­

68

ней части фюзеляжа выполнена из слоистых панелей с со­ товым заполнителем. Сотовый заполнитель применен для обшивки и для шпангоутов-перегородок.

Острые передние кромки крыша, а также передние и задние кромки рулей — монолитные, выполнены фрезеро­ ванием. Материалом для крыла и фюзеляжа служит вы­ сокопрочный алюминиевый сплав. Воздушные канальи изго­ товлены из монолитных панелей того же алюминиевого сплава.

На сверхзвуковом самолете F-101 стенки лонжерона крыла изготовлены из гофрированного материала, что зна­ чительно улучшает условия работы конструкции при нали­ чии температурного градиента. Вследствие большой гиб­ кости гофрированных листов температурные напряжения в стенках лонжерона, практически отсутствуют. Кроме того, в других местах конструкции для уменьшения темпера­ турных деформаций сделаны прорези. Во избежание сни­ жения эффективной жесткости на кручение на самолете применено шарнирное крепление носка крыша.

На самолете-истребителе «Тридан», скорость полета ко­ торого превышает число М = 2, крыло обычной конструк­ ции, двухлонжеронное, выполнено неразъемным (проходит сквозь фюзеляж). Участок между лонжеронами заполнен металлическим сотовым заполнителем. Каркас фонаря гер­ метической кабины самолета кованый, выполнен из стали.

В местах с температурой более 100° С применена слои­ стая конструкция из титана незначительной толщины.

Сверхзвуковой самолет F-104 летает на скоростях, пре­ вышающих число М = 2. По сообщениям иностранной пе­ чати, при полетах этого самолета на предельных режимах температура основных частей конструкции за счет аэроди­ намического нагрева не превышала 95° С.

Передние кромки крыша и оперения имеют незначитель­ ный радиус кривизны (0,4 мм). На стоянке эти кромки за­ крываются войлочными чехлами.

Для эффективного использования стали в конструкции F-104 применяются гофрированные листы. На рис. 22 при­ ведены! примеры конструктивного выполнения панелей с заполнителем из гофра, с сотовым заполнителем, а также лонжерон с гофрированными элементами. Стенка, воспри­ нимающая перерезывающую силу, присоединяется к гоф­ рированному листу и крепится к поясу лонжерона с по­ мощью угольников, повышающих ее устойчивость. В сред­ ней части крыла в связи с увеличением перерезывающей