Авиация Aerospatiale-BAC Concorde - Проблемы создания СПС
12 мая 2011Оглавление:
1. Aerospatiale-BAC Concorde
2. История создания
3. Производство
4. Конструкция самолёта
5. Проблемы создания СПС
6. История эксплуатации
7. «Конкорды» сегодня
8. Лётно-технические характеристики
9. Конкорд в кино
Аэродинамические проблемы
Пассажирский самолёт, способный совершать длительный сверхзвуковой крейсерский полёт, должен удовлетворять нескольким достаточно противоречивым требованиям:
- Максимально высокое аэродинамическое качество на крейсерской скорости, для обеспечения экономичности и дальности полёта.
- Достаточно высокие взлётно-посадочные характеристики для обеспечения безопасного действия с обычных коммерческих аэродромов. Самолёт должен иметь возможность выполнения стандартных посадочных схем, в частности угла глиссады, определяемого установленным на аэродроме оборудованием.
- Для обеспечения удобства пассажиров пол пассажирского салона должен быть горизонтальным при нахождении самолёта на земле.
Исследования показали, что наилучшее аэродинамическое качество при выбранной крейсерской скорости и размерности самолёта обеспечивает применение схемы «бесхвостка» с дельтовидным крылом. Для обеспечения эффективности в широком диапазоне скоростей крылу была придана сложная форма с изменяющимся по размаху углом стреловидности. Проблему путевой устойчивости решили за счёт крутки крыла, особенно выраженной в районе законцовок.
Очень существенной проблемой сверхзвукового полёта является смещение назад центра давления при достижении сверхзвуковых скоростей. Для минимизации этого эффекта была применена специальная форма крыла, тем не менее смещение на крейсерской скорости составляло около 2 метров. Данная проблема была решена за счёт перекачки топлива между балансировочными баками в процессе полёта, что смещало центр масс самолёта вслед за смещением центра давления. Задачей балансировки было достижение нулевого расхода элевонов.
Так как самолёт, выполненный по схеме «бесхвостка», не имеет закрылков, возникает проблема достижения достаточной подъёмной силы при посадочных скоростях. На «Конкорде» эта проблема решалась за счёт синхронного отклонения элевонов вниз на достаточно большой угол, в этом случае они начинали работать как закрылки. Возникающий при этом пикирующий момент парировался путём перекачки части топлива в задний балансировочный бак.
Двигательная установка
Двигатели СПС должны обладать достаточной тягой для того, чтобы самолёт мог достичь сверхзвуковой скорости, и в то же время иметь высокую топливную эффективность на крейсерских скоростях, чтобы достичь приемлемой дальности полёта.
Изначально рассматривалось применение турбовентиляторных двигателей, как обладающих наибольшей экономичностью, но этот вариант был отвергнут из-за того, что большой диаметр вентилятора создаёт неприемлемо высокое сопротивление на крейсерской скорости. В результате было решено использовать турбореактивные двигатели.
Для того, чтобы ТРД работал максимально эффективно, и давал максимальную тягу, он должен иметь высокую степень компрессии. Проблема заключается в том, что на высоких сверхзвуковых скоростях воздух, поступающий в двигатель, подвергается аэродинамическому сжатию, и результирующая степень компрессии оказывается настолько высока, что двигатель получается очень теплонагруженным, а в результате сложным, дорогим и малоресурсным. Данная проблема была решена за счёт применения ТРДФ с относительно небольшой степенью компрессии 11:1, хорошо работающих на крейсерских скоростях, а их недостаточная тяга на взлётных режимах компенсировалась за счёт применения форсажа.
Несмотря на то, «Конкорд» мог преодолевать звуковой барьер и достигать крейсерской скорости и без применения форсирования двигателей, форсаж также использовался для разгона с околозвуковых скоростей до скорости 1,7 Маха. Причиной этого стало то, что без использования форсажа такой разгон происходил бы очень медленно, и общее количество топлива, затраченное на этот маневр, было бы слишком большим.
Из-за того, что ТРД не могут работать в случае, если поступающий поток воздуха имеет сверхзвуковую скорость, пришлось разработать сложные автоматически регулируемые воздухозаборники, способные тормозить воздушный поток до дозвуковой скорости во всём диапазоне сверхзвуковых скоростей самолёта. Помимо своей основной задачи воздухозаборники служили также для перенаправления основного воздушного потока в обход двигателя, в случае его отказа на сверхзвуковой скорости. Без возможности такого перенаправления резко возросшее сопротивление отказавшего двигателя могло создать чрезмерные нагрузки, которые могли привести к разрушению самолёта в воздухе.
Аэродинамический нагрев конструкции
При полёте на высоких скоростях торможение воздуха, обтекающего самолёт, вызывает сильный аэродинамический нагрев его обшивки, причём величина нагрева имеет квадратичную зависимость от скорости. При скоростях в районе 3 Махов аэродинамический нагрев может достигать величины около 350 °C, что находится за пределами диапазона температур, в которых алюминиевые сплавы остаются достаточно прочными. Решением данной проблемы может стать или применение более жаростойких конструкционных материалов, или ограничение максимальной скорости самолёта значениями, при которых нагрев не превышает возможности традиционных материалов.
Так как для обеспечения приемлемого взлётного веса, цены и технологичности в качестве основного конструкционного материала для «Конкорда» был выбран алюминий, его крейсерская скорость ограничена величиной 2,03 Маха, при которой аэродинамический нагрев наиболее теплонагруженных элементов конструкции не превышает 127 °C. Примерно такие же ограничения справедливы и для Ту-144, который также построен из алюминиевых сплавов. Американцы, при проектировании «трёхмахового» Boeing 2707, были вынуждены использовать другие материалы, такие как сталь и титан. Дополнительная проблема состоит в том, что возникает существенное тепловое расширение материалов, что требует усложнения конструкции самолёта.
Аэродинамический нагрев также создаёт сложности с обеспечением комфортной температуры в кабине самолёта. Система кондиционирования «Конкорда», помимо обычных воздушных теплообменников, сбрасывающих излишнее тепло отводимого от двигателей воздуха, имела также теплообменники, позволяющие отводить излишнее тепло в поступающее в двигатели топливо. Кроме того, это требует лучшей термоизоляции кабины и большей производительности системы кондиционирования, чем в обычных авиалайнерах. Например, стекла иллюминаторов «Конкорда» в процессе полёта нагревались так, что могли обжечь, в то время как стекла иллюминаторов обычного авиалайнера часто остывают до отрицательных температур.
Особенностью «Конкорда» стало то, что в крейсерском полёте температура носового обтекателя являлась одним из наиболее важных факторов, контролируемых экипажем и даже автопилотом, то есть автопилот ограничивал скорость исходя именно из этой величины.
Прочность конструкции
Из-за требования сверхзвукового полёта «Конкорд» имел очень тонкий профиль крыла, длинный и тонкий фюзеляж, кроме того, толщина панелей обшивки самолёта составляла всего 1,5 мм. Всё это накладывало очень серьёзные требования в области обеспечения прочности конструкции. Дополнительно проблема усугублялась тем, что на больших скоростях отклонение поверхностей управления может дать очень сильную и резкую нагрузку на конструкцию самолёта.
Эту проблему решали следующим образом:
«Конкорд» отличался от всех предшествовавших ему авиалайнеров тем, что многие основные элементы его конструкции не собирались из отдельных деталей, а фрезеровались из цельных алюминиевых отливок, например очень крупные элементы были применены в конструкции крыла. Это сокращало количество соединений, облегчало конструкцию, и давало ей дополнительную прочность. Обшивка самолёта была включена в силовую структуру, и выполнялась из предварительно натянутых цельных панелей очень большого размера.
Проблему влияния поверхностей управления на сверхзвуковых скоростях частично устранили за счёт отключения на большой скорости внешних элеронов. Для управления использовались только средние и внутренние, которые нагружали конструкцию намного меньше, поскольку находились ближе к центру масс, и к тому же были установлены на наиболее прочную часть крыла.
Тем не менее, ограничения по перегрузкам на «Конкорде» были достаточно низкими, и составляли всего +2,5/-1,0, что меньше, чем на обычных дозвуковых авиалайнерах.
Шасси и тормоза
Из-за дельтовидного крыла «Конкорд» имел очень большую для коммерческого авиалайнера взлётную скорость, около 400 км/ч. Для обеспечения безопасности тормозная система самолёта должна была обеспечить возможность прерывать взлёт в пределах полосы обычного коммерческого аэропорта. Потребовалась разработка системы, которая могла бы полностью остановить авиалайнер весом в 188 тонн со скорости 305 км/ч на протяжении 1600 м, даже в условиях мокрой полосы. В результате тормозная система «Конкорда» стала наиболее совершенной для своего времени, при этом многие решения, такие как полностью электронное управление тормозами, были применены впервые в коммерческой авиации.
Стойки шасси также потребовали больших усилий со стороны разработчиков, поскольку из-за очень большого угла атаки самолёта на взлёте, стойки получились очень длинными и испытывали большие нагрузки.
Просмотров: 9783
|
|