Боевой самолет

13.0 Введение

В этой теме начинается рассмотрение требований к двигателю боевого самолёта (военного истребителя). Так же как и при проектировании двигателя для нового большого гражданского самолета, описанного в предыдущих темах, здесь будет выбранный подход, заключающийся в согласовании изложенного материала и предоставленных упражнении с наиболее реалистичными величинами. Спецификация самолёта истребителя, представляемого в этой теме, подобна тем, которые имеются в развитых европейских странах.

Рисунок 13.1. Операционное поле- зависимость высоты от числа Маха полёта.

Темой раздела является выбор типа и определение характеристик военного летательного аппарата. На рисунке 13.1 показаны различные операционные зоны, характеризующие зависимость высоты полёта летательного аппарата от числа Маха, при заданных линиях температуры торможения на входе в компрессор . На данной стадии мы изучаем характеристики,  летательного аппарата, полностью соответствующего характеристикам истребителя. Даже высокоскоростные самолёты обычно не летают быстрее, чем М = 1.2 на уровне моря, потому что при высокой плотности воздуха нагрузки на самолёт становятся на порядок выше. На самой большой высоте скорость высокоскоростных самолётов обычно не превышаетМ ≈ 2.3, в основном, из-за наличия высоких температур торможения, которые препятствуют использованию алюминиевых сплавов без охлаждения. Левая граница, указанная на рисунке 13.1, соответствует полету с недостаточной скоростью для совершения взлёта; эта граница может быть выражена через определение приборной скорости, эквивалентной скорости течения воздуха на уровне моря с тем же самым значением величины скоростного напора 0.5 · ρ · V². Верхняя граница отображает эксплуатационный потолок. Некоторые специальные самолеты работают вне этих границ, но они не будут рассматриваться в этом разделе.

Для гражданского летательного аппарата, совершающего полёты на дозвуковых скоростях аэродинамическое качество крыла составляет 16, для самолётов 747 серии, эта величина повышается до 20. Для высокоскоростных самолётов величина аэродинамического качество крыла имеет более низкое значение, в диапазоне от 6 до 7. Это условие приводит к  усовершенствованию (или полной замене) оптимального типа двигателя, от относительно тяжёлого с низким расходом топлива для гражданского транспорта к более легкому, но с большей величиной расхода топлива. В любом случае, требования к двигателям, используемым на истребителях более жёсткие в отношении к показателям ускорения и маневренности, что приводит к повышению величины отношения тяги к весу двигателя, в то время как гражданского двигателя эти условия совершенно не касаются. Величина веса двигателя очень важна, потому что увеличение в весе одного компонента двигателя, требует внесения конструктивных и прочностных изменений в другие части самолёта, чаще всего приводящих к изменению площади несущей поверхности крыла и структуры силового корпуса, что приведёт к увеличению веса всего летательного аппарата. Как правило, увеличение веса (любого из компонентов летательного аппарата на величину одного килограмма от первоначального) приводит к общему увеличению веса дозвукового летательного аппарата от 4 до 5 кг, и увеличению веса летательного аппарата, летающего на сверхзвуковых скоростях от 6 до 10 кг. Другими словами, один килограмм дополнительного веса в каждом двигателе двухмоторного летательного аппарата, способного летать на сверхзвуковых скоростях, приведёт к увеличению общего веса самолёта примерно на 12 - 20 кг.

Рекомендуемые материалы

13.1 Типы боевых самолетов

Гражданский авиационный транспорт имеет сравнительно легко определённую задачу – перевозка максимально возможного полезного груза между аэропортами при самой низкой стоимости. Для военных же самолётов задача несколько сложнее, которая решается совокупным рассмотрением трёх типов задач и требований. Все эти требования можно, охарактеризовать как требования к дальности и весу, диапазону высот и скоростей, удельному расходу топлива, ускорению и манёвренности. Если военный самолёт определенно несовершенен или уступает в одном из свойств, противник может немедленно выявить это уязвимое место, что будет означать поражение.

Разные самолёты предназначены для выполнения различных операций, но ко всем летательным аппаратам предъявляется единое требование по уменьшению стоимости. В наше время, наиболее интересным, является многоцелевой  Американский истребитель, недавно переименованный в F-35, фирмы Lockheed-Martin. Этот самолёт разработан таким образом, что его эксплуатация позволяет решить широкий диапазон задач.

Некоторые из классификаций военного самолёта (которые будут рассмотрены позже), могут быть разделены на два широких класса. В первом-превосходство в воздухе и перехват, когда самолёт вовлечен в бой с другим самолётом, во втором- воздушная поддержка,  состоящая в том, чтобы использовать самолёт для атаки наземных целей с воздуха.

Самолет превосходства в воздухе

Превосходство самолёта в воздухе является первоначальной целью данного истребителя. Маневренность теперь является ключевой задачей, которая теперь отодвигает значимость скорости на второй план. Воздушный бой происходит в диапазоне дозвуковых скоростей от М ≈ 0.7 до M ≈ 0.9. При самых высоких скоростях, которая для большинства самолётов соответствует величине М = 2, величина расхода топлива настолько увеличивается, что время продолжительности боя занимает довольно малый промежуток, что ведение обычного воздушного боя практически невозможно. Примерами самолётов имеющих превосходство в воздухе могут являться самолёты ВВС США F-15 и F-16, ВМФ США F-14 и F-18, Российские МиГ-29 и Су-27, французский  Мираж 2000. Новый F-22, Французский «Rafaele» и Европейский истребитель, так же будут относиться к этому классу.

Маневренность проявляется через способность  самолёта быстро ускоряться и совершать быстрые  развороты. Способность быстрого разворота (или маневрирования) во многом осуществляется благодаря относительно большой площади крыла по отношению к массе самолёта. Площадь крыла обычно выражается через определение нагрузки на крыло, рассчитываемой как величина нагрузки, приходящейся на единицу площади крыла при взлётном весе всего летательного аппарата. Нормальный вес самолёта, соответствует перегрузке в 1 · g, другими словами, вес, определяется как произведение перегрузки на массу, . Многие из выполняемых манёвров производятся при нагрузке, передаваемой на крыло, во много раз превышающей допустимую  нагрузку. Эта величина часто доходит до значения в 9 · g (которая часто упоминается, как перегрузка, или фактор нагрузки, равный 9), которая является верхним уровнем, воспринимаемым органами человеческого тела. Низкая перегрузка крыла соответствует большей площади крыла при нормальном весе самолёта; большая площадь крыльев позволяет создавать большую подъёмную силу, которая способствует осуществлению быстрых поворотов со сравнительно малым углом радиуса кривизны траектории. Большие крылья, однако, создают эффект торможения , что приводит к меньшей манёвренности. Для определения и выбора оптимального типа самолета необходимо проанализировать эффективность выполняемой работы для всех типов, поставленных задач. Примером такой задачи, может быть осуществление воздушного превосходства в воздухе, что схематично можно отобразить так, как показано на рисунке 13.2. Большую часть времени самолёт производит в поиске цели (слоняющемся режиме полёта); при выполнении полёта на этом режиме расход топлива практически не меняется. Обратим внимание на тот факт, что на выполнение поставленной задачи уходит приблизительно два часа, но военная (или боевая) часть занимает около одной минуты. Расход топлива при выполнении полёта на крейсерском режиме и режиме поиска и захвата цели гораздо более влияет на сокращения веса самолёта, поэтому эта величина  более важна, чем величина расхода топлива при выполнении воздушного боя.

Рисунок 13.2. Упрощенное представление задачи для самолета воздушного превосходства.

И быстрые манёвры, и резкие ускорения, по ходу выполнения полёта, требуют наличия высокого уровня тяги и высокой величины отношения тяги двигателя к весу самолёта. В течение полётов на крейсерском режиме и режиме поиска и захвата цели, величина тяги будет заметно меньше максимально возможной, которая будет использоваться при выполнении боевых действий в воздухе. При таком режиме основным требованием является сокращение величины расхода топлива. Изменение величины тяги достигается за счёт использования форсажной камеры, иногда называемой дожигателем, наличие которого является обычным для самолёта–истребителя. В форсажной камере, сожжённое топливо подаётся в реактивное сопло, расположенное за турбиной, перед соплом, которое обычно приводит к увеличению величины тяги почти на 50 %. При отключенной форсажной камере, режимы характеризуются как «сухие».

Баланс, определяемый проект самолёта и устанавливаемым на него типом двигателей, зависит от геополитических факторов, в частности от технических проблем. Важная проблема имеет место при определении величины отношения расхода топлива, не используемого в бою. Соединённые Штаты Америки нуждались в самолёте, способном осуществлять  перелёт через Атлантику, чтобы начать военные действия в Европе, причём они планировали осуществлять дозаправку в процессе полёта, так как величина расхода топлива при оптимальном режиме полёта на данном диапазоне была критической. Советский Союз, с другой стороны, не изъявлял желания в посылке самолётов на дальние расстояния, и мог уделять меньшее внимание диапазону дальности и продолжительности полёта своих самолётов.

Самолет перехватчик

         Этот тип самолётов предназначен для охраны воздушных просторов и перехвата вторгшихся летательных аппаратов , обнаруженных радарными    установками. Подобный тип самолётов был создан в те времена, когда нападение самолётов – бомбардировщиков, являлось главной стратегической угрозой.

         Специальный самолёт перехватчик был быстро построен, но потребность в эго эксплуатации ушла на задний план. В настоящее время, современные истребители воздушного превосходства, также служат как самолёты - перехватчики.

Для специализированного самолёта–перехватчика величина дальности не имеет большого значения, всё предпочтение отдаётся повышению величины скороподъёмности (то есть набору высоты) и скорости, маневренность и удельный расход топлива являются не столь важными. Русский МиГ-31, с максимальной скоростью числа Маха, составляющей

M = 3.3 на наибольшей высоте, является хорошим, даже превосходным примером самолётов этого класса и типа. Самолёты, типа Американского F-15, с его высокой максимальной эксплуатационной скоростью, и F-3, модификацией Европейского «Торнадо», также способны эксплуатироваться в качестве перехватчиков. Новый Американский самолёт, F-22, также способен совершать операции перехватчика.

Рисунок 13.3. Упрощённая миссия самолёта – перехватчика.

Траектория полёта, изображённая на рисунке 13.3, предполагает перехват со сверхзвуковой скоростью M = 1.8, практически на всём диапазоне полёта. У самолётов подобного класса есть стремление по созданию сверхзвуковой скорости полёта на крейсерском режиме полёта без использования форсажной камеры сгорания, этот режим у самолётов подобного типа получил название «суперкруиз». Некоторые из эффектных манёвров, направленных на уход от поражения самонаводящимися ракетами типа «воздух - воздух», совершаются без использования форсажной камеры, так как ракеты, наводящиеся на тепловое излучение, могут легко захватить тепловую цель.

Самолет воздушной поддержки (штурмовик)

Здесь предполагается, что подобный тип самолётов должен совершать полёты на расстояние до 50 км позади фронта, с его тыльной стороны, совершая облёт магистральных и просёлочных дорог, железных дорог, мостов, радарных сооружений и т.д. Требования для самолётов такого типа и их двигателей заключаются в совершении полётов на околозвуковых скоростях на низко-высотном уровне, диапазоне средней дальности и хорошей маневренности. В переводе на требования к двигателю это означает, что величина расхода топлива, для самолётов такого типа, крайне важна. Американские F-111 и F/A-18 и Европейский «Торнадо», совершающие полёты на большой высоте, полностью удовлетворяют этим требованиям. Полностью подобен им Российский МиГ-27. Примером более специализированного самолёта такого типа является Американский А7и Российский Су -25.

Примерами летательных аппаратов подобного типа являются - Американский А10, совместно созданный Британией и Америкой Harrier AV8 и Российский Як-38.

13.2 Требования к боевому самолету

Рассмотрим  гипотетический самолёт, создание которого является целью данной курса. На современных истребителях - перехватчиках установлены «совершенные» двигатели; ту же долю интереса проявляют проектировщики Нового Самолёта Истребителя.

Как и в предыдущих разделах и темах курса величина температуры будет принята постоянной, составляющей 288 K. Работа двигателя сильно зависит от температуры торможения  Т_{02  ,}которая , в свою очередь, зависит от статической атмосферной и от числа Маха полёта.

Отметим некоторые важные эксплуатационные характеристики боевого самолёта:

1. Боевые действия и маневры выполняются при малой величине числа Маха, приблизительно между 0.5 и 0.9, на высоте ниже 4 км. Эта комбинация скорости и высоты способствует хорошей маневренности.

2. Число Маха полёта вблизи моря составляет от  М ≈ 0.3 до M ≈ 1.2;

3. При проведении воздушного боя в средневысотном диапазоне около 6 км  при числе Маха от М ≈ 0.7 до M ≈ 1.2,  ускорение изменяет числа Маха полёта от М ≈ 0.5 до M ≈ 0.9;

4. При проведении воздушного боя на большой высоте от 9 км до 11 км, при числе Маха от М ≈ 0.9 до M ≈1.6,  ускорение изменяет числа Маха от М ≈ 0.9 до M ≈1.6;

5. Режим «суперкруиз» (без использования форсажной камеры) используется при числе Маха полёта не ниже М ≈ 1.5, и на высоте не выше 11 км;

6. Сверхзвуковой устойчивый полёт происходит при числе Маха около M ≈ 2.0, на высоте более 11 км.

         К сожалению не каждый из проектируемых летательных аппаратов способен выполнять все требования, заданные в ТЗ, поэтому выбор требований будет обсуждаться снова и снова, пока не определятся наиболее важные из них. Мелкие изменения, внесённые в проект летательного аппарата, позволили бы одному типу самолётов превосходить над другим, при выполнении различных заданий. Только, перебрав огромное количество различных типов и комбинаций  двигателя с самолетом можно выбрать оптимальный вариант. Упражнения в этой книге построены и сформулированы так, что особое внимание концентрируются на двух факторах: величине температуры стандартной атмосферы, которую используют при расчётах на высоте уровня моря и температуре, характерной для  тропопаузы. Оба критерия жизненно важны для самолёта–истребителя, так как они охватывают большинство критических операционных пунктов. При проведении расчётов в тропопаузе, особое внимание будет уделено трём числам Маха полёта (0.9, 1.5 и 2.0), а на уровне моря будет использоваться постоянная величина числа Маха полёта, равная М = 0.9.

13.3 Параметры изучаемого проекта

Проект Нового Самолёта Истребителя (NFA) предусматривает пример, аналогичный Новому Большому Самолёту гражданского назначения, рассмотренный в первых десяти темах. Также как при проектировании Нового Большого Самолёта было учтено требование по усовершенствованию по сравнению с предыдущим гражданским самолетом, при проектировании любого нового самолёта–истребителя должны учитываться навыки, полученные от предшествующего опыта, и учтены для создания преимущества у нового аппарата. В нашем случае удобно рассматривать, в качестве предшествующих, Американские самолёты F-15 и F-16, которые являлись довольно успешными самолётами, разработанными и спроектированными в начале 1970 года. Самолёт F-15 имеет два двигателя, в то время как F-16 имеет только один; двухмоторная комбинация предпочтительна из-за дополнительной безопасности, создаваемой, в случае отказа одного из двигателей, поэтому на NFA принято устанавливать два двигателя. Другие параметры, необходимые для выбора проекта самолёта представлены в Таблице 13.1. Из-за увеличения стоимости двухмоторной схемы, на самолёт F-35 (прежде известный как JSF, с двумя двигателями) решено снова устанавливать только один.

Таблица 13.1. Важные отличительные параметры для самолётов-истребителей.

Из Таблицы 13.1 видно, что максимальный взлётный вес Нового Самолёта Истребителя составляет 18 тонн, что приводит к сокращению маневренности. В качестве упрощения, для расчётов, приводимых далее, взлётная масса истребителя будет принята за величину 15 тонн (однако при расчётах, связанных с совершением процессов взлёта и посадки мы вернём истинное значение величины в 18 тонн).

Также полезно связать некоторые величины с таковым нынешнего гражданского самолёта и истребителя, как показано на примере F-16 и Boeing 747-400, в таблице 13.2. Доля веса топлива для обоих самолётов подобна. Для истребителя максимальное отношение тяги к весу больше чем для гражданского самолёта в четыре раза, в то время как доля веса  двигателей приблизительно в три раза, больше для истребителя. Большая доля веса  двигателей отвечает специфическому требованию по увеличению отношения тяги двигателя по отношению к весу для истребителей. Нынешние двигатели, подобные тем, что установлены на F-16, имеют отношение тяги (с форсажной камерной) к весу около 8. В скором времени, величина этого отношения для двигателей будет составлять 10, а в будущем планируется увеличения величины этого отношения от 12 до 15.

Таблица 13.2. Сравнение параметров гражданского самолёта и самолёта-истребителя.

Упражнение 13.1

        Поскольку Новый Самолет - истребитель используют данные, чтобы найти площадь крыла.         

 (Ответ: 50.5 m2).

В течение боя масса самолета может составлять 15 тонн (на 3 тонны меньше максимальной взлетной массы). Найдите нагрузку на крыло для этого условия.

(Ответ: 2917Н/m²).

Упражнение 13.2

Информация в лекции "61 Структура преступной организации и преступного сообщества" поможет Вам.

        Двигатель Pratt & Whitney F100-PW-100 (устанавливаемый на истребители F-15 и самолета F-16) имеет максимальную тяговооруженность при испытаниях на стенде на уровне моря приблизительно 7.9 с дожиганием и 4.7 без дожигания. Удельный расход топлива приблизительно 2.6 кг/ч/кг с форсажной камерой и приблизительно 0.69 без дожигания. Найдите время, требуемое в каждом  эксплуатационном режиме для того, чтобы сжечь массу топлива, равного массе двигателя.

(Ответ: с форсажной камерой 2.9 минуты; без дожигания 18.5 минут).

Вероятно, уместно здесь высказаться по поводу дополнительных параметров и характеристик боевого летательного аппарата, называемого беспилотным (иногда необитаемым) самолётом. С одной стороны это может быть крылатая ракета, с маленькой газовой турбиной, и с другой – «самолёт», который мог бы устанавливаться на обычный истребитель воздушного боя. Между ними существует широкий диапазон транспортных средств разведки, от самого маленького до размера мелко-укомплектованного самолёта. В терминах аэродинамики и термодинамики тяги задача для беспилотного летательного аппарата по существу, та же самая, что и для обычного самолёта. В терминах других аспектов двигателя могут быть существенные различия. Естественно, если летательный аппарат должен быть разрушен по истечению выполнения задания (что касается крылатой ракеты), когда удовлетворяет малая продолжительность жизни (всего нескольких часов), необходимо максимальное снижение цены. Если же самолет несёт на себе дорогостоящее разведочное оборудование, что предполагает неоднократный запуск двигателя и полёт самолёта, необходимо увеличить время жизнеспособности. Некоторые из других требований могут вызвать удивление. Например, беспилотный истребитель, первоначально, не предназначался для управления пилотом в кабине, а весь процесс пилотирования должен был осуществляться дистанционно (необходимые практические навыки, при этом, приобретали при работе с тренажёром). Принимая во внимание тот факт, что для укомплектованного боевого самолёта в мирное время, ошибки дистанционного пилотирования могут привести к тяжёлым последствиям, использование подобных типов аппаратов отложили. Поэтому, двигатели беспилотных самолётов должны поддерживать способность запуска и вылета (то есть нормальную работоспособность), не теряя своих качеств во времени.

Резюме темы 13

Самолёт-истребитель стал предметом изучения Тем 13 - 18. В этой теме описаны некоторые особенности этого класса самолётов и произведены его сравнения с другими типами боевых летательных аппаратов. Истребитель предполагает маневренность, чему будет посвящена Тема 14, что делает его способным совершать быстрые повороты при высокой величине тяги, без потери скорости и высоты совершения полёта. Самолёт-истребитель, поэтому, должен иметь высокое отношение тяги к весу, что справедливо и для показателей двигателей, устанавливаемых на него.