Эдмунд Цихош - Сверхзвуковые самолеты

С экономическими вопросами тесно связана также проблема выбора рациональных размеров самолета, которые определяют пассажировместимость. С точки зрения стоимости полета на единицу дальности предпочтительнее большие самолеты с 200 и более пассажирами, однако с учетом стоимости изготовления и наземного обслуживания и других причин, не связанных непосредственно со стоимостью полетной эксплуатации, следует создавать самолеты меньших размеров. В СССР, Франции и Великобритании принято за оптимальное количество 100-108 пассажирских мест первого класса, которые легко можно переоборудовать на 150 мест в туристическом варианте. В США, где планируется строительство около 500 сверхзвуковых пассажирских самолетов, определено, что число пассажиров в таком самолете должно быть не меньше 200, но рассматриваются проекты самолетов и на 218-350 пассажиров.

Удовлетворение поставленным требованиям и обеспечение определенных скорости и дальности полета всегда зависят от того, в какой степени при разработке и изготовлении самолета удается, с одной стороны, минимизировать сопротивление и взлетную массу, а с другой-обеспечить необходимую прочность и тягу двигательной установки при достаточном количестве топлива. Практически летные характеристики самолета определяются первыми двумя параметрами (сопротивлением и массой), а остальные либо являются производными от них, либо влияют на них тем или иным образом.

Теоретические исследования показали, что коэффициент сопротивления сверхзвукового пассажирского самолета должен быть в ~ 3 раза меньше по сравнению с типичным значением этой величины для околозвукового самолета. Это связано как с выбором соответствующей аэродинамической схемы самолета, так и с определением оптимальных для заданной крейсерской скорости форм элементов самолета и характеристик профилей. Некоторые проблемы такого рода упоминались в предыдущих главах. К пассажирским самолетам не предъявляются требования высокой маневренности; они должны иметь оптимальные характеристики в полете с постоянной скоростью, и при их проектировании основное внимание уделяется обеспечению максимального аэродинамического качества на крейсерском режиме. От аэродинамического качества самолета непосредственно зависит либо дальность полета при заданном запасе топлива, либо требуемое количество топлива и взлетная масса самолета для фиксированной дальности. Аэродинамическое качество равно отношению подъемной силы к силе сопротивления; его значение можно увеличить, например, уменьшая максимальную площадь поперечного сечения несущих поверхностей или поверхность, обтекаемую воздушным потоком, либо снижая значение так называемого балансировочного сопротивления.

Рис. 1.61. Аэродинамическое парирование продольного момента.

Первый способ связан с выбором профилей малой относительной толщины. Хотя тонкие профили и имеют пониженные несущие свойства, им одновременно присуще очень малое сопротивление. Их применение повышает аэродинамическое качество самолета и снижает требования к двигательной установке. Например, уменьшение относительной толщины профиля крыла с 4 до 2,5% дает прирост качества примерно на 5%. Для реализации преимуществ тонких профилей без увеличения массы конструкции самолета необходимо использовать треугольное крыло малого удлинения. Малый размах такого крыла способствует значительному уменьшению изгибающего момента, а большая строительная высота в корневом сечении позволяет создать значительное расстояние между силовыми элементами, что приводит к преобразованию изгибающего момента в пару осевых сил небольшой величины. Такие свойства треугольного крыла делают его редким примером удовлетворения противоположным требованиям аэродинамики больших скоростей и прочности конструкции. Второй способ, по-видимому, более прост, поскольку уменьшение поверхности, обтекаемой воздушным потоком, обеспечивается в основном выбором фюзеляжа с минимально необходимым объемом и поперечным сечением. Полная поверхность самолета зависит от аэродинамической схемы, и в частности от наличия или отсутствия горизонтального оперения. Это влияет также на величину балансировочного сопротивления.

В гл. 2 и 4 показано, что одним из самых неблагоприятных факторов перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости является перемещение центра давления (ц. д.) крыла назад при практически постоянном положении центра тяжести (ц. т.) самолета. Расстояние между ними определяет плечо действия аэродинамической силы крыла P zs .

При увеличении расстояния между ц. д. и ц. т. возникает продольный момент, переводящий самолет в пикирование (рис. 1.61). Для предотвращения этого необходимо уравновесить продольный момент силой P ZH , создаваемой на управляющих поверхностях горизонтального оперения. Требуемая величина силы P ZH зависит от плеча, на котором она приложена, т. е. от выбранной аэродинамической схемы самолета. В самолетах классической схемы на дозвуковой скорости отношение P Z h/Pzs обычно составляет 0,03-0,05, а на сверхзвуковой возрастает до 0,15-0,20. Это означает, что для балансировки самолета при полете на сверхзвуковых скоростях необходимо увеличение аэродинамической силы оперения в 4-5 раз. Поскольку рост этой силы обеспечивается увеличением угла отклонения оперения, такая балансировка самолета связана со значительным увеличением сопротивления. Эта часть аэродинамического сопротивления самолета, называемая балансировочным сопротивлением, непосредственно влияет на изменение аэродинамического качества. В самолетах без горизонтального оперения парирование продольного момента производится отклонением элевонов. Центр давления у такого самолета перемещается значительно меньше, однако из-за малого расстояния от центра тяжести элевоны должны отклоняться на больший угол.

Рост балансировочного сопротивления вызывает среди прочего увеличение расхода топлива, и проблема решается как ограничением перемещения центра давления, так и перемещением по мере необходимости в том же направлении центра тяжести.

Рис. 1.62. Изменение относительного положения центра давления самолетов с оживальным (готическим) и треугольным крылом в зависимости от числа Маха.

Внизу слева показана поверхность средних линий профилей крыла.

1-4-запас статической продольной устойчивости самолета, имеющего соответствующую схему. Цифра 3 характеризует изменение устойчивости самолета с готическим крылом.