Какие самолеты выдерживают самые высокие Max Q (аэродинамическое давление)?

Каковы самые высокие аэродинамические давления, встречающиеся в любом самолете? И ограничивает ли это максимальную скорость любого самолета на определенных высотах? В широком смысле: «Как быстро вы можете двигаться [на заданной высоте]?»

Где динамическое давление д является:

д знак равно 1 2 р в 2

р - местная плотность воздуха, а в истинная скорость полета.

Меня в основном интересуют высокопроизводительные истребители/бомбардировщики. Вот некоторые данные, которые я собрал (Mk-12A и 787 добавлены для справки):

#   | Airframe      | Mach       | Speed     | Altitude    | q (kgf/m^2)
----|---------------|------------|-----------|-------------|------------
1.  | Mk-12A        | Mach  6.15 | 2,100 m/s |       0 ft  | 273,000
2.  | Mk-12A        | Mach 22.6  | 6,900 m/s | 100,000 ft  |  39,300
3.  | X-51A         | Mach  5.1  | 1,500 m/s |  64,000 ft  |  11,100
4.  | HTV-2         | Mach 20.   | 5,812 m/s | 125,000 ft? |  10,700
5.  | F-111         | Mach  1.2  |   410 m/s |       0 ft  |  10,400
6.  | B-1A          | Mach  1.2  |   410 m/s |       0 ft  |  10,400
7.  | B-1B          | Mach  0.9  |   310 m/s |       0 ft  |   6,100
8.  | X-43A         | Mach  9.6  | 3,000 m/s | 109,000 ft  |   4,800
9.  | Skylon        | Mach  5.5  | 1,630 m/s |  85,300 ft  |   4,600
10. | SR-72         | Mach  6    | 1,800 m/s |  90,000 ft? |   4,400
11. | Space Shuttle | Mach  1.3? |   400 m/s |  35,000 ft  |   3,200?
12. | XB-70         | Mach  3.0  |   880 m/s |  73,000 ft  |   2,500
13. | SR-71         | Mach  3.2  |   930 m/s |  78,740 ft  |   2,300
14. | Concorde      | Mach  2.0  |   600 m/s |  60,000 ft  |   2,100
15. | Boeing 787    | Mach   .85 |   250 m/s |  35,000 ft  |   1,200

Планеры № 3, № 4 и № 5/6 сильно отличаются друг от друга, поэтому я удивлен, что они имеют примерно одинаковый максимум. Вопрос . Является ли 11 000 кгс/м^2 общим пределом?

Примечание. Все цифры относятся к горизонтальному полету, за исключением Mk-12A (возврат в атмосферу), Space Shuttle (подъем) и HTV-2 (планирование).

  • [Mk-12A]: текущая боеголовка межконтинентальной баллистической ракеты Minuteman III с боеголовкой W78 (350 кт). Цифры для повторного входа.
  • [HTV-2]: Ракетный планер.
  • [B-1B]: «[максимальная скорость] ограничена необходимостью избежать повреждения его конструкции и воздухозаборников», — говорится в Википедии. В B-1B использовалось меньше конструкционного титана и более простой впуск с фиксированной геометрией, когда требования к скорости были снижены по сравнению с B-1A.
  • [Скайлон]: Очевидно, еще не существует. В «руководстве пользователя» Reaction Engines для Skylon обсуждается профиль полета.
  • [SR-72]: Очевидно, еще не существует. Lockheed Martin обсуждала крейсерскую скорость 6 Маха. Крейсерская высота 90 000 футов — это просто мое значение-заполнитель.
  • [Спейс Шаттл]: Фигурки для восхождения.

Немного предыстории и цели: Ради интереса я пытаюсь сконструировать гиперзвуковой тяжелый бомбардировщик дальнего радиуса действия. Мне было любопытно, что будет ограничивать максимальную малую / среднюю скорость: лобовое сопротивление (располагаемая тяга двигателя), макс. Вопрос (структурная прочность) или температура кожи (система термозащиты)... но я перейду к этому в другом вопросе.

Я прочитал почти все теги аэродинамики, военного дела, конструкции самолета, характеристик самолета и реактивного двигателя в поисках ответов. (Действительно, это замечательное сообщество.) Наконец-то понял, что могу задать свой вопрос.

Я старался следовать этикету как можно лучше, но я новичок в Stack Exchange, поэтому дайте мне знать, если я должен что-то изменить :) Спасибо!

"Ради интереса пытаюсь сконструировать гиперзвуковой дальний тяжелый бомбардировщик" О_о
@ bjb568 Это просто забавный проект, чтобы бросить себе вызов и посмотреть, сколько я могу сойти с рук (у меня есть опыт аэродинамики примерно за две недели). Это скорее дизайнерское упражнение, чем что-либо еще. Уверяю вас, я не воспринимаю это так серьезно! Я упоминал, что он питается от анейтронного термоядерного реактора? :П
Вы как будто предполагаете, что max Q это на крейсерской высоте и скорости, но я в этом не уверен.
@raptortech97 О, совсем нет. Но моя расчетная тяга способна развивать гораздо более высокие скорости [чем может выдержать планер]. Крейсерская скорость составляет ~ 10 Маха на высоте 100 000 футов = D. Для q=11000kgf/m^2 я думаю, что максимальная скорость составляет 1,2 Маха на уровне моря, 2,5 Маха на высоте 40 000 футов и, наконец, 7,5 Маха на высоте 85 000 футов, в этот момент [возможно] преобладает нагрев, а температура кожи становится ограничивающим фактором. Конечно д доминирует на малой высоте, я просто не знаю , насколько ... Но на самом деле я хотел бы разувериться в своем невежестве, поэтому я здесь. Кстати говоря, как мне проголосовать за комментарий?
Эм... динамическое давление всего лишь 1 2 р В 2 на скоростях, где проблемами сжимаемости можно пренебречь, около M 0,6. Выше этого динамическое давление становится 1 2 γ п М 2
Ваша таблица данных очень интересна. Я знаю, что это вопрос 6-летней давности, но у вас случайно нет источников, которые вы использовали для его создания? Специально для более быстрых/высококачественных кораблей?

Ответы (2)

Во-первых, в вашем списке примеров не различаются стационарные и нестационарные траектории. Возвращаемый аппарат испытает максимальное динамическое давление только на мгновение в конце своего полета, а аэродинамический нагрев можно допустить либо за счет абляционного охлаждения, либо за счет радиатора приличного размера. Все, что он должен выдерживать, — это динамическое давление на кончике.

Первые образцы в вашем списке, которые должны постоянно выдерживать заданное динамическое давление, это маловысотные штурмовики B-1B и F-111. Здесь динамическое давление создается за счет нагрузки на крыло, аэродинамики и чистой тяги, чтобы самолет двигался с максимальной скоростью. Аэродинамический нагрев выходит на первое место на большой высоте, потому что тепло точки торможения не зависит от плотности воздуха.

Причины для ограничения максимального динамического давления:

  • порывистые нагрузки на малой высоте. Попадание того же восходящего потока на более высокой скорости пропорционально увеличит коэффициент нагрузки.
  • Аэроупругая деформация: более высокое динамическое давление означает также более высокие нагрузки на кручение и изгиб, и деформированная конструкция может стать неустойчивой, когда деформация увеличивает нагрузки, которые приводят к этой деформации. Полеты при более высоком динамическом давлении требуют более жесткой и тяжелой конструкции.

Если вы посмотрите на диапазон полета SR-71 (ниже), должно быть очевидно, что на каждой высоте был доступен только узкий диапазон скоростей из-за высокой нагрузки на крыло (= высокое минимальное динамическое давление) и максимальное динамическое давление (на малой высоте) рсп. аэродинамический обогрев (на большой высоте).

Конфигурация полета SR-71

Оболочка полета SR-71 ( источник изображения )

Спасибо! Я отредактирую, чтобы уточнить. Я фактически использовал ту же самую диаграмму, чтобы выбрать максимальную скорость. Я думаю, что я пытаюсь спросить: « Примерно , как быстро вы можете двигаться [на заданной высоте], учитывая только аэродинамические нагрузки?» (О нагреве я расскажу в отдельном вопросе.) Я знаю, что это широкий вопрос (разные конструкции, массовый бюджет, что у вас есть), поэтому я его не задавал. Я пытаюсь понять общую верхнюю границу для истребителя или высокопроизводительного бомбардировщика.
@HephaestusAetnaean: Настоящего предела нет. Используйте крылья малого удлинения из цельной стали, и вы сможете значительно увеличить максимальное динамическое давление. Если это все еще недостаточно жестко, сделайте крылья из алмаза или используйте более толстый аэродинамический профиль. Практические пределы близки к тому, что вы указали в своем списке, что составляет около 100 000 Н/м² или 1 бар.
Это именно то, что я искал. Спасибо! На самом деле я прочитал / просмотрел большинство ваших ответов, и они были невероятно полезны. Чем ты занимаешься, если не возражаешь, если я спрошу? А что вы используете для своих источников по аэродинамике?
Упс. Забыл принять и проголосовать! Еще раз спасибо, Петр!
@HephaestusAetnaean: Что мне делать? В настоящее время работает над штуковиной IoT. Я проработал в аэрокосмической отрасли два десятилетия и чувствовал отвращение, чтобы продолжать. Коррупция, тщеславие и идиотизм были для меня слишком велики, хотя я работал со многими хорошими людьми.

Был летчиком-истребителем F-111 и F-105. У них самый высокий предел Q, с которым я сталкивался или о котором читал. (Для нас высокая скорость на палубе) Этот предел составляет 810 узлов/1,2 Маха внизу. Оба самолета могли поддерживать такую ​​скорость, я лично сделал это на F105 ниже уровня моря в Долине Смерти. Прилагаются ограничения скорости полета Технического заказа:

F105 Ограничение воздушной скорости

F111F Ограничение скорости полета

Я не верю, что B-1B способен на такие скорости, на него были наложены всевозможные дополнительные ограничения. Современные истребители уже не рассчитаны на этот режим.