CC BY
76
УДК 358.43 : 338.242
безопасный полет в xxi век на гиперзвуковом межконтинентальном лайнере -предвидимое будущее
Москатов Генрих Карлович
профессор ФГУП «ЦНИИ «Центр», доктор технических
наук, академик Российской Академии космонавтики имени К.Э. Циолковского, Заслуженный деятель науки Российской Федерации
Крупные проблемы не могут быть решены в рамках той же ментальности, которая их породила.
А. Эйнштейн
В статье представлен аналитический обзор разработок российского гиперзвукового дальнемагистрального лайнера: результаты, проблемы, перспективы.
Ключевые слова:
• гиперзвуковой летательный аппарат,
• аэродинамическое нагревание,
• прямоточный воздушнореактивный двигатель,
• гиперзвуковой прямоточный воздушнореактивный двигатель,
• жидкий водород,
• надежность,
• безопасность.
Moskatov Genrikh Karlovich, professor Central Shipbuilding Research Institute «Centre», doctor of technical sciences, academician, Honored scientist of the
Russian Federation, Moscow, Russian Federation.
An Intercontinental Hypersonic Liner's Safe Flight to XXI Century -Conceivable Future
The article presents an analytical survey of Russian hypersonic intercontinental liner projects: results, problems, perspectives.
Keywords:
• hypersonic flying vehicle,
• aerodynamic heating,
• ram jet,
• scram jet,
• liquid hydrogen,
• reliability,
• safety.
Представляется разумным начать с
рассмотрения некоторых особенностей гиперзвукового полета.
Гиперзвуковым называется аппарат, способный летать со скоростью V > 5М. Диапазон скоростей и высот такого полета занимает промежуточное положение между диапазонами, освоенными сверхзвуковыми самолетами и космическими аппаратами.
Идеи создания гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) высказывались, начиная с 50-х годов XX века.
Для ГЛА характерна высокая степень интеграции планера и силовой установки. Например, использование носовой части фюзеляжа как элемента воздухозаборника, а хвостовой части - как элемента сопла. Силовая установка (СУ) ГЛА комбинированная и состоит из двух блоков: разгонного и маршевого.
Разгонный блок включает в себя газотурбинные двигатели (ТРД, ТРДФ и ЖРД). Маршевой блок образуют прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ТВРД), гиперзвуковые ПВРД (ГПВРД). ТРД используется в диапазоне скоростей 0 < М < 3, ПВРД при 1,5 < М < 4-6, ГПВРД при М > 4-6.
Важнейшее требование к конструкции ГЛА - обеспечить приемлемые весовые характеристики при заданных значениях показателей надежности, безопасности и интенсивном аэродинамическом нагреве. Некоторые важные особенности гиперзвукового течения начинают заметно проявляться при достаточно больших, но различных для тел разной формы (сфера, конус и т.п.) значениях числа Маха.
При гиперзвуковом обтекании тел возникают интенсивные ударные волны и большая завихренность течения. Для расчета таких течений становится необходимым использование нелинейных уравнений движения, а также соотношений, описывающих термодинамику газа
при больших температурах.
Аэродинамические характеристики гиперзвуковых и сверхзвуковых течений существенно различны. Пока ограничимся этими замечаниями1,2. Заинтересованный читатель может прочитать ряд дополнительных источников3,4.
Работы по созданию ГЛА, способных выполнять длительный полет на крейсерских гиперзвуковых скоростях, в нашей стране проводились на ряде предприятий, начиная с 70-х годов ХХ века. Наиболее продвинутыми в этом отношении оказались разработки ПАО «Туполев»5. Остановимся на них подробнее.
В ту пору были освоены серийные боевые самолеты, летавшие в атмосфере со скоростями, близкими к 3М (МиГ-25, SR-71), стали использоваться (очень осторожно) сверхзвуковые пассажирские лайнеры Конкорд и Ту -144. Возвращаемые космические аппараты и воздушно-космические самолеты совершали полеты на больших высотах, кратковременно проходя с гиперзвуком плотные слои атмосферы.
Диалектика развития биполярного мира поставила перед промышленностью ведущих авиационных держав задачу создания гиперзвуковых летательных аппаратов самолетного типа со скоростями, соответствующими М=3^10 км.
«Подобный летательный аппарат по своим техническим решениям как по силовой установке, так и по конструкции должен был в значительной степени отличаться от современных самолетов и космических аппаратов. Существовавшие типы воздушно-реактивных двигателей, эффективно использовавшие атмосферу при полетах на малых высотах, из-за ограничений по температуре были приемлемы только для ЛА со скоростями полета, соответствующими 3М. С другой стороны, ракетные двигатели, для которых таких ограничений не было, из-за
необходимости нести на борту полный запас топлива (горючее + окислитель), являлись нерациональными для продолжительных полетов в атмосфере.
Наиболее рациональным для принятых режимов будущего гиперзвукового самолета являлся прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) в комбинации с разгонным двигателем (ТРД или ЖРД). С целью достижения высокой эффективности силовой установки в качестве горючего предлагалось использовать жидкий водород. Для полетов в диапазоне чисел М=3-5, наиболее приемлемой определялась комбинированная силовая установка, содержащая турбореактивный и прямоточный двигатель, работающие на углеводородном горючем или сжиженном природном газе (СПГ). Для полетов со скоростями, превышающими М=5-6, наиболее подходящим был признан ПВРД на жидком водороде с разгонным ТРД на керосине или на жидком водороде.
Коренных изменений, с учетом способности летательного аппарата длительно воспринимать в полете высокие и сверхвысокие температуры, требовала конструкция подобного летательного аппарата. Выбор конструкции должен был определяться следующими факторами: с одной стороны, интенсивностью аэродинамического нагрева, его продолжительностью, а с другой стороны, кратностью ее использования или ресурсом.
Накопленный опыт показывал, что для летательных аппаратов, подверженных продолжительное время интенсивному аэродинамическому нагреву, перспективными представлялись следующие типы конструкций: горячая, теплоизолированная и активно-охлаждаемая.
«Горячая» конструкция непосредственно контактирует с окружающей средой.
Теплоизолированная конструкция защищена теплоизлучающим слоем или экраном.
Конструкция с активным охлаждением предполагала использование системы циркуляции теплоносителя, отводящего тепло от обшивки.
Основными проблемами, требовавшими решения, являлись ослабление температурных напряжений, уменьшение коробления и увеличение ресурса конструкции».
«.. .Необходимость использования жидкого водорода в качестве топлива ГЛА требует разработки высокоэффективной конструкции баков и их низкотемпературной изоляции (НТИ).
Несмотря на то, что начиная с 60-х годов как в СССР, так и в США было исследовано много различных конструкций криогенных баков и НТИ, ни одна из них не удовлетворяла как техническим, так и экономическим требованиям для гиперзвукового самолета. Так, конструкции криогенных баков и НТИ, разработанные в ракетной технике, имеют ограниченный ресурс. Отсутствие необходимости их многократного использования не требовало подробных исследований срока службы НТИ при длительном влиянии термоциклирова-ния, вибрации, климатических условий, старения материалов с точки зрения деградации их теплофизических и физико-механических характеристик во времени». Было признано, что среди множества проблем создания ГЛА на криогенном топливе одной из наиболее существенных является тепловая защита криогенных баков с жидким водородом. И она была решена.
В ПАО «Туполев» проведены исследования и проектирование:
- дальнемагистрального гиперзвукового самолета, рассчитанного на крейсерскую скорость полета, соответствующую 6М - проект 260 («Ту-260») с двигателями, работающими на крейсерском режиме на жидком водороде с
дальностью полета до 12 000 км при 10 т полезной нагрузки. Высота крейсерского полета - 29 200 м
- межконтинентального гиперзвукового самолета, рассчитанного на крейсерскую скорость полета, соответствующую 6М при заданной максимальной дальности до 16 000 км при 20 т полезной нагрузки - проект 360 («Ту-360»). Высота крейсерского полета - 30 000 -33 000 м.
По темам «260» и «360» было подготовлено несколько вариантов гиперзвукового самолета с комбинированной силовой установкой 4-6 маршевыми
ПВРД и 6 разгонными ТРДД тягой по 22 000 кгс. (смотри Рисунки 1 и 2). Расчетный удельный расход топлива ПВРД на крейсерском режиме составлял 1 04 кг/ кгсч. Компоновочно выбранная аэродинамическая схема позволила получить расчетные значения аэродинамического качества 5.2-5.5. Для разгонных ТРДД предполагалось использовать керосин.
И, наконец, о международной программе создания высокоскоростного экспериментального летательного аппарата HEXAFLY-INT (High Speed Experimental Fly Vehicle International).
Рисунок 1. Модель и схема самолета Ту-260
5
Рисунок 2. Модель и схема самолета Ту - 360
В проекте принимают участие российские, европейские и австралийские организации: ЦАГИ, ЦИАМ, ЛИИ, МФТИДнЬш group, DLR, ONERA, CIRA, Gas Dynamics, НИЦ Австралии: University of Sydney, University of Southern Queensland, University of Sonth
Wales и другие. Координатором работ является ESA-ESTEC.
Генеральный директор ЦАГИ член-корреспондент РАН Сергей Леонидович Чернышев подчеркнул важность нашего участия в проекте HEXAFLY-INT: «Международные программы - это ис-
5
ключительно значимое для нас направление. Оно дает возможность «сверить часы» с зарубежными коллегами, совершенствоваться в технологическом плане. ЦАГИ является стратегическим партнером в проекте HEXAFLY-INT и активно участвует в исследовании концепции высокоскоростного гражданского самолета, предлагаемого европейскими учеными. Ожидается, что этот аппарат будет летать со скоростью более 7 0008 000 км/ч, соответствующей числам Маха 7 или 8. Это значит, что нам предстоит решить широкий спектр задач, связанных с материалами, водородной силовой установкой, ее интеграцией с планером, получением высокой аэродинамической эффективности самого летательного аппарата. А результаты этих исследований могут послужить платформой для развития отечествен-
ной авиации будущего»8.
В рамках проекта предусматривалось проведение расчетно-экспериментальных исследований демонстратора водородного прямоточного воздушно-реактивного двигателя, интегрированного с планером самолета. Ученые ЦАГИ провели расчетные исследования, наземный эксперимент и изготовили модель для летных испытаний8-10.
Модель гиперзвукового гражданского самолета HEXAFLY-INT для экспериментальных исследований внешней аэродинамики и демонстратор модуля водородного ГПВРД для экспериментальных исследований аэродвигательного баланса в стендовых условиях были представлены ЦАГИ на двенадцатом авиасалоне МАКС-2015 (смотри Рисунок 3). Напомним, что проект
Рисунок 3. Модель гиперзвукового самолета HEXAFLY-INT, МАКС - 2015,
стенд ЦАГИ 9
HEXAFLY-INT стартовал в апреле 2014 г. и будет завершен к декабрю 2019 года. В качестве места проведения летных мспытаний рассматриваются ракетные полигоны Андоя (Норвегия) и Алькантара (Бразилия).
Российский сегмент международного проекта НЕХАБЬУ-ШТ полностью выполнен.
Проблемы создания ГЛА:
1. Организация и обеспечение устойчивого горения в камере сгорания гиперзвукового прямоточного воздуш-нореактивного двигателя, на режимах с V > 5М набегающего потока.
2. Аэродинамическое нагревание гиперзвуковых летательных аппаратов и создание материалов многоразового использования, способны выдерживать температуру до 2 000 градусов.
Разработка новых методов активной защиты от экстремального нагрева как аппарата в целом, так и отдельных его частей. Механизмы возникновения пиков нагрева и способы управления ими11.
3. Ламинарно-турбулентный переход (в частности, на несущих поверхностях аппарата), в значительной степени ответственный за поведение аэродинамических характеристик и эффективность органов управления11.
Создание ГЛА многоразового действия - этап в развитии не только авиации, но и науки в целом. В перспективе на адаптивную систему автоматического управления (САУ) ГЛА (кроме решения традиционных задач) будут возложены функции Центра обеспечения надежности и безопасности аппарата. Некоторые черты такой САУ полетом прочерчены в фундаментальном труде17, раздел «Тенденции развития авионики». Разумеется, в системе целесообразно использовать все ценное из прошлого опыта12-16.
Эпилог
Отметим два важнейших события последних лет в жизни нашей авиастроительной науки и авиапрома:
- в 2012 году созданы «Форсайт-2030» и Национальный план развития авиационной науки и технологий до 2030 года;
- в 2013 году Правительство Российской Федерации одобрило создание Национального исследовательского центра «Институт имени Н.Е. Жуковского». Его основные функции включают:
• получение новых научных знаний в области создания авиационной техники и их использование в интересах развития экономики, обеспечения обороны и безопасности государства, защиты окружающей среды, а также подготовки научных кадров;
• проведение полного цикла НИР в области авиастроения в соответствии с программой совместной деятельности организаций, входящих в Центр;
• разработку и научное сопровождение внедрения новых технологий;
• участие в формировании государственной научно-технической политики в области авиастроения;
• обеспечение передачи результатов интеллектуальной деятельности предприятиям авиационной промышленности и других отраслей экономики;
• прогнозирование научно-технологического развития авиастроения;
• анализ использования организациями научно-технических результатов с учетом сроков освоения технологий, достигнутого технического уровня, объема и технико-экономических показателей выпускаемой инновационной продукции, соответствующих производственных мощностей, парка используемого оборудования и его характеристик;
• развитие современных научно-исследовательской, технологической,
инновационной и инженерной инфраструктур авиастроения;
• участие в осуществлении научного и и методического обеспечения координации проектов международного научно-технического сотрудничества;
• участие от имени Российской Федерации в реализации международных проектов на основании решений органов государственного управления17.
Уже полученные Институтом имени Н.Е. Жуковского результаты и реализация Национального плана позволяют с оптимизмом смотреть в будущее: си-нергетический эффект здесь неизбежен. Вместе с тем «наука требует героизма, но это как раз то, чего ищет молодость, в чем она видит счастье»18.
Литература
1. Скипенко В.В. Гиперзвуковой самолет// Энциклопедия Авиация.- М.: Большая Российская энциклопедия, ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского, 1994.- 178 с.
2. Курзинер Р.И. Гиперзвуковой прямоточный воздушнореактивный двигатель// Энциклопедия Авиация.- М.: Большая Российская энциклопедия, ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского, 1994.- С. 177-178.
3. Черный Г.Г. Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью.- М..:Физматгиз, 1959.-220 с.
4. Михайлов В.В. Гиперзвуковое течение// Энциклопедия Авиация.- М.: Большая Российская энциклопедия, ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского, 1994.- С. 176-178
5. Солозобов В., Слободчиков А., Казаков М., Ригмант В. Туполев, гиперзвуковые// Авиация и космонавтика.- 2009.- № 8-9.- С. 11-12.
6. Чернышев С.Л. Итоги научной работы//
Новости ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского.- 2003.- №5 (101).- С.18-21.
7. Пономарев Ю. Участие ЦАГИ в реализации международной программы НЕХАРЬУ-ЮТ//Жуковские вести.- 5 мая 2014.
8. ЦАГИ и ESTEC-ESA обсудили предстоящие испытания высокоскоростного гражданского самолета [Электронный ресурс].- Режим доступа:http://www.tzagi.ru/pressroom/news/1378 (дата обращения:12.09.2014).
9. ЦАГИ на МАКС-2015//Новости ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского.-2015.-№4(111).- 18 с.
10. Юргенсон А. Сюрпризы МАКС-2015// АвиаСоюз.- 2015.-№5(57).- С. 70-73.
11. Егоров И.В. Что тормозит гиперзвук//Но-вости ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского.- 2009.- №4 (78).- С.7.
12. Москатов Г.К. Принцип Ле-Шателье-Брауна и синтез систем автоматического управления с естественной безопасностью//Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях.-1992.- № 2.- С.40-62.
13. Москатов Г.К., Чепелев А.А. Надежность и безопасность систем автоматического управления летательными аппаратами//Научный вестник оборонно-промышленного комплекса России.- 2013.- №2.- С.40-62.
14. Москатов Г.К. Надежность адаптивных систем управления полетом//Труды VII Чтений К.Э. Циолковского. - М.: Институт истории естествознания и техники АН СССР, 1974.-С.128-139
15. Москатов Г.К. Надежность адаптивных систем//Радиоэлектронные системы. - М.: Издательство Морского НИИ радиоэлектроники Альтаир- 2010.- №1.-С.78-93
16. Жмеренецкий В.Ф., Полулях К.Д., Акба-шев О.Ф. Активное обеспечение безопасности полета летательного аппарата: методология, модели, алгоритмы.- М.: Ленанд, 2014.- 311 с.
17. Стратегия создания научно-технического задела в области авиастроения.- М., 2013.- 62 с.
18. Келдыш М.В. Творческий портрет по воспоминаниям современников.- М.: Наука, 2002.- 398 с.
