Как быстролетящие самолеты избегают перегрева?

Чтобы избежать перегрева, обычная хитрость заключается в выборе правильного материала:

• В Concorde использовался специальный алюминиевый сплав под названием Hiduminium , который обладал более высокой прочностью при повышенных температурах и позволял Concorde развивать крейсерскую скорость 2,02 Маха. Алюминий плавится при 660°C.
• В МиГ-25 вместо алюминия использовалась нержавеющая сталь, чтобы обеспечить максимальную скорость 3,1 Маха (максимальная скорость без повреждения двигателя составляла 2,83 Маха). Титан был бы еще лучше, но в то время он был дорог и с ним было трудно работать. Нержавеющая сталь плавится при температуре от 1400°C до 1450°C.
• В XB-70 помимо нержавеющей стали использовался титан . Его крейсерская скорость также составляла 3,0 Маха. Титан плавится при 1668°C.
• В конструкции SR-71 на 85% использовался титан , что позволяло развивать крейсерскую скорость 3,2 Маха.
• X-15 был построен из Inconel -X , никель-хромового сплава, который обладает превосходной прочностью при высоких температурах (начинает плавиться при 1393°C) и позволяет развивать скорость до 6,5 Маха.
• В космическом челноке использовалась керамическая изоляция поверх несущей алюминиевой конструкции, которая отводила тепло от конструкции во время спуска. Отметим, что «Шаттл» должен был быть подключен к радиатору для охлаждения бортовых систем после приземления.

Следующий трюк — лететь выше, где воздух менее плотный. Низкая плотность не снижает температуру воздуха, но уменьшает тепловой поток, поэтому планер оседает при более низкой температуре. Помните, что конечная теплота представляет собой комбинацию конвекции, излучения и теплопроводности. Полет высоко вверх позволяет, особенно верхней поверхности, свободно излучать тепло в черноту космоса наверху.

Самым популярным самолетом был North American X-15 A-2. Для попытки установления рекорда скорости весь самолет был покрыт розовой абляционной краской, чтобы процесс сублимации отводил больше тепла. Для защиты краски от жидкого кислорода также был нанесен белый финишный слой.

X-15 A-2 вскоре после сброса с авианосца B-52 ( источник фото ). Обратите внимание на небольшой ствол под нижним оперением: это был прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который в данном случае был испытан.

Повреждение брюшного стабилизатора. ПВРД преждевременно отделился из-за фрикционного нагрева ( источник изображения )

Третий трюк — летать быстро только в течение короткого времени. Ракета воздух-воздух с тепловым наведением легко достигает скорости 3 Маха, но менее чем за минуту. Чтобы датчик охлаждался, сжатый газ (аргон или азот) будет расширяться (в AIM-9X даже используется криоохладитель Стирлинга ). Нагревая конструкцию или используя внутренний радиатор, можно выдержать ограниченную тепловую нагрузку, хотя и только в течение очень ограниченного времени.

Я хотел бы ответить, сосредоточив внимание на SR-71, так как у меня есть книга, в которой подробно рассказывается о его конструкции.

Бен Рич был руководителем группы двигателей и термодинамики для SR-71 и преемником Келли Джонсон на посту главы Skunkworks для более поздних программ. В главе «Быстрее, чем летящая пуля» своих мемуаров Skunkworks (стр. 203 в первом издании в мягкой обложке, 1994 г.) он пишет:

... Я добровольно дал несколько непрошеных советов о том, как мы могли бы использовать более мягкий титан, который начал терять свою прочность при 550 градусах. Моя идея состояла в том, чтобы покрасить самолет в черный цвет. Еще со времен учебы в колледже я помнил, что хороший поглотитель тепла также является хорошим излучателем тепла и на самом деле излучает больше тепла, чем поглощает за счет трения. Я рассчитал, что черная краска понизит температуру крыла на 35 градусов за счет излучения. Но Келли [Джонсон, глава Skunkworks и тогдашнего проекта A12] нетерпеливо фыркнул и покачал головой... Однако ночью он, по-видимому, передумал..." Насчет черной краски, - сказал он, - вы были правы. о преимуществах, и я был неправ». Он протянул мне четвертак. Это была редкая победа. Итак, Келли одобрила мою идею покрасить самолет в черный цвет.

В этой главе более подробно рассказывается о различных уникальных материалах:

• гидравлические линии из нержавеющей стали

• Заслонки выбрасывателя Hastelloy X

• Кабели управления Elgiloy

• Позолоченные водопроводные линии

• Титановые винты и заклепки

• Специальная резина для колес шасси, которые затем были накачаны азотом.

• Реактивное топливо с более высокой температурой вспышки (JP-7)

стр. 205:

Топливо действовало как внутренний хладагент. Все тепло, накопленное внутри самолета, через теплообменники передавалось топливу. Мы разработали интеллектуальный клапан — специальный клапан, который может определять изменения температуры — чтобы подавать в двигатели только самое горячее топливо и сохранять более холодное топливо для охлаждения убранного шасси и авионики.

стр. 207:

Мы спроектировали систему кондиционирования кабины таким образом, чтобы стравливать воздух из компрессора двигателя и сбрасывать его через охладитель топлива, а затем через расширительную турбину в кабину при температуре минус 40 градусов по Фаренгейту, в результате чего 200-градусная температура в кабине снизилась до приятный пляжный день в Южной Калифорнии.

Итак, я предполагаю, что здесь воплощены три общих принципа дизайна:

• выбор материалов, устойчивых к высоким температурам
• отвод как можно большего количества тепла - здесь за счет излучения от поверхности самолета и конвекции выхлопных газов двигателя через топливо
• изоляция тепла от критических зон, насколько это возможно

Есть несколько способов избежать перегрева.

• Самый простой способ — использовать жаропрочный материал, такой как титан в СР-71 или стальной сплав в МиГ-25; в Конкорде использовался специальный алюминиевый сплав (АУ2ГН). В случае других самолетов сталь или титан используются в критических точках (например, передних кромках крыла), а другие открытые поверхности сделаны из других материалов.

• В SR-71 топливо использовалось в качестве радиатора для отвода тепла, выделяемого в планере.

• В X-15 для решения проблем с нагревом использовалась абляционная изоляция :

Самолет был покрыт абляционной изоляцией, позволяющей летать со скоростью 7,4 Маха. Силиконовый эластомерный аблатор был напылен различной толщины в соответствии с местными тепловыми нагрузками. Передние кромки были защищены соответствующим эрозионно-стойким материалом, нанесенным на предварительно отформованные секции.

• Аэротермодинамический дизайн важен для высокоскоростных самолетов. Например, когда НАСА испытывало макет прямоточного воздушно-реактивного двигателя в X-15, монтажный пилон чуть не вышел из строя из-за интерференционного нагрева, при этом скорость нагрева передней кромки была порядка семи раз по сравнению с оценками без интерференции.

Отказ пилона из-за интерференционного нагрева от макета прямоточного воздушно-реактивного двигателя , изображение с сайта history.nasa.gov

• Чтобы отражать и излучать большое количество тепла, выделяемого во время сверхзвукового полета, Concorde имел белую краску с высокой отражательной способностью, которая была примерно в два раза лучше, чем белая краска на других самолетах.