CC BY
69Проектирование и производство летательнъхаппаратов, космические исследования и проекты
Анализ реализованных схем дает возможность выявить следующие направления исследований: 1) роторный движитель является реальной конструкцией для осуществления решения объективной транспортной проблемы; 2) для выполнения проектирования необходимо проанализировать прочностные, аэродинамические и эксплуатационные аспекты системы, сформировать образ безопасного летательного аппарата на основе экспериментальной оценки функционирования и эксплуатационной пригодности экспериментального макета роторного движителя, а также оптимизировать параметры роторного движителя.
Библиографический список
1. Исследование цикложира [Электронный ресурс] // Youtube. Режим доступа: http://www. you-tube. com. Загл. с экрана.
2. Форум сайта «Мембрана» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://forum. membrana. ru. Загл. с экрана.
3. Ротоплан [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://rotoplan. narod. ru. Загл. с экрана.
4. Youtube [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www. youtube. com. Загл. с экрана.
G. D. Kovalenko, A. M. Spirin Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk
FLYING MACHINE WITH ROTOR PROPELLING DEVICE AS AN ALTERNATIVE
TO LAND-BASED VEHICLE
The technology of flying machine with rotor propelling device as an alternative to land-based vehicle is analysed.
© Коваленко Г. Д., Спирин А. М., 2009
УДК 629.782
А. В. Колычев, В. А. Керножицкий
Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д. Ф. Устинова, Россия, Санкт-Петербург
ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ*
Рассматривается новый способ тепловой защиты элементов корпуса летательного аппарата, основанный на использовании явления испускания электронов нагретым металлом, называемого термоэлектронной эмиссией. Часть тепловой энергии аэродинамического нагрева частей корпуса гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) передается электронам, в результате чего они выходят из металла. Тем самым происходит электронное охлаждение металла, по своему значению превосходящее охлаждение тепловым излучением. При этом электроны за счет части этой энергии могут совершать полезную работу под нагрузкой, питая электричеством бортовые системы ГЛА.
Перспективным направлением развития ракетно-космической и авиационной техники является разработка и создание летательных аппаратов (ЛА), способных длительное время двигаться в атмосфере с гиперзвуковыми скоростями. Освоение гиперзвуковых технологий приведет к появлению принципиально новых типов средств выведения полезного груза на орбиты, гиперзвуковых пассажирских лайнеров и транспортных гиперзвуковых самолетов, позволит упростить спуск аппаратов с орбит.
Одной из основных проблем создания таких ЛА является интенсивный тепловой нагрев элементов конструкции ГЛА. Особенно это касается
передних кромок аэродинамических поверхностей, носовых частей и др. Существует и используется пассивный способ тепловой защиты, который осуществляется покрытием корпуса ЛА углеродными плитками, как, например, у «орбите-ра» Space Shuttle и «Буран» [1]. Однако такая тепловая защита имеет большую массу и габариты, существенно влияющие на аэродинамические характеристики ГЛА, обладает высокой стоимостью и при этом не обеспечивает требуемой надежности, что подтверждается частыми происшествиями и авариями на Space Shuttle. Есть и другие способы тепловой защиты, но они достаточно сложны и имеют высокую стоимость.
Работа выполнена при финансовой поддержке правительства Санкт-Петербурга (код 3.1/30-04/015).
Решетневские чтения
Поэтому перспективными способами тепловой защиты элементов конструкции ГЛА являются способы, основанные на иных физических принципах, например, на явлении термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия - явление испускания электронов нагретым металлом. Принципиально новый способ тепловой защиты состоит в том, что внутренние поверхности нагреваемого элемента корпуса ГЛА покрывают эмиссионным слоем, который при нагреве обеспечивает эмиссию электронов и охлаждение этого элемента. Вместе с материалом части корпуса, подвергающейся аэродинамическому нагреву, указанный слой образует катод. Параллельно поверхности эмиссии на некотором малом расстоянии располагается проводящий элемент - анод, который воспринимает электроны, испускаемые катодом. Часть энергии электронов осаждается на аноде, поэтому от него необходимо постоянно отводить тепло с помощью системы охлаждения. За счет оставшейся энергии электроны могут совершить полезную работу на нагрузке, т. е. в цепи пойдет электрический ток, с помощью которого возможно обеспечить питание специальных бортовых систем ГЛА. Таким образом, происходит термоэмиссионное преобразование тепловой энергии в электрическую. Для улучшения характеристик такого преобразования в зазор между электродами вводятся пары различных химических элементов. Иными словами, за счет термоэмиссионного преобразования снижается тепловое воздействие на элементы конструкции ГЛА, и при этом на борту появляется дополнительный источник электрической энергии. При термоэмиссионном преобразовании тепловой энергии за счет электронного охлаждения отводится до 50 % подводимой к нагреваемым элементам тепловой энергии [2; 3], что приводит к снижению равновесной температуры частей корпуса ГЛА. Поскольку весь процесс термоэмиссионного преобразования осуществляется внутри элементов корпуса ГЛА, под обшивкой, то возможно получение высоких аэродинамических характеристик
любого типа ГЛА, оснащенных данной тепловой защитой. Так как получаемая электрическая энергия является частью возвращаемой энергии, затрачиваемой на полет ГЛА, то использование данного способа тепловой защиты повышает энергетическую эффективность ГЛА.
В ходе исследования были получены зависимости высоты от скорости для различных частей корпуса ГЛА, в каждой точке которых удельные тепловые потоки к этим частям компенсируют тепловые потери на катоде, притом что одной из этих тепловых потерь является электронное охлаждение. Оказалось, что использование такого способа тепловой защиты возможно в составе многих перспективных ГЛА, а также на различных типах спускаемых аппаратов.
При использовании такого способа тепловой защиты на носовой части ГЛА типа Х-43А в виде боковой поверхности цилиндра из вольфрама длиной 0,446 м и радиусом 0,03 м возможно получение электрической энергии до 6 кВт, снижение равновесной температуры носовой части на 400-500 оС по сравнению со случаем отсутствия термоэмиссионной тепловой защиты [3].
Термоэмиссионный способ тепловой защиты применим и при исследовании других планет Солнечной системы в спускаемых аппаратах, и в аппаратах, находящихся вблизи планетарных источников тепла или Солнца.
Библиографический список
1. Нейланд, В. Я. Аэротермодинамика воздушно-космических самолетов : конспект лекций / В. Я. Нейланд, А. М. Тумин. Жуковский : ФАЛТ МФТИ, 1991.
2. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма / под ред. Б. Я. Мойжеса, Г. Е. Пикуса. М. : Наука, 1973.
3. Ушаков Б. А. Основы термоэмиссионного преобразования энергии / Б. А. Ушаков, В. Д. Никитин, И. Я. Емельянов. М. : Атомиздат, 1974.
A. V. Kolychev, V. A. Kernozhitsky Baltic State Technical University «Voenmech» D. F. Ustinova's name, Russia, Saint Petersburg
THERMAL PROTECTION OF HYPERSONIC FLYING MACHINES WITH USE OF THE PHENOMENON OF THERMIONIC ISSUE
The new way of thermal protection of elements of case flying machines (FM), based on use of the phenomenon of emission electrons by heating metal named thermionic issue is considered. The part of thermal energy of aerodynamic heating of parts of case HFM is transferred to electrons therefore they leave metal. Thereby there is an electronic cooling of metal, on the value surpassing cooling by thermal radiation. Thus electrons at the expense of a part of this energy can make useful work under loading, feeding with an electricity onboard systems HFM.
© Колычев А. В., Керножицкий В. А., 2009
