2.17.2. Звуковий удар і тепловий бар'єр

Звуковий удар — результат взаємодії стрибка ущільнення, створеного літаком у надзвуковому польоті, з поверхнею землі (мал. 2.64).

Рис. 2.64. Звуковий удар.

Інтенсивність звукового удару залежить від висоти польоту літака і його маси. Припустимою інтенсивністю звукового удару вважається Δр = 100 Па, такий тиск створюється віддаленим гуркотом грому. При Δр = 150 Па розбиваються стекла, а при Δр = 175 ÷ 190 Па руйнуються будинки.

Для зменшення інтенсивності звукового удару обмежують швидкості польоту надзвукових літаків при наборі висоти й зниженні й уводять обмеження нижньої межі висоти надзвукового польоту. Наприклад, для Ту - 144 нижня границя надзвукового польоту встановлена на висоті 10 - 14 км.

Тепловий бар'єр виникає внаслідок нагрівання конструкції літака при надзвукових і гіперзвукових швидкостях польоту через:

- аеродинамічного (кінетичного) нагрівання, що виникає при гальмуванні потоку в критичних крапках, прикордонному шарі й перегонах ущільнення. Кінетичне нагрівання створює основний потік тепла, що діє на конструкцію ЛА;

- теплового випромінювання, що відбуває у двох напрямках: обшивання літака сприймає тепловипромінювання Сонця, зірок, Землі й внутрішніх елементів конструкції, а сама випромінює тепло в навколишній простір;

- теплового потоку від бортових нагрітих агрегатів (силових установок, електронного встаткування й т.п.).

Точно визначити температуру літака і його частин можна на основі теплового балансу, що враховує всі види теплових потоків.

Сильне нагрівання конструкції літака викликає:

1. Зниження прочностних характеристик матеріалів. Наприклад, при температурі 60 – 80 °С розм'якшується органічне скло, при 200 °С — на 50% знижується міцність дюралюмінієвих сплавів, при 300 – 350 °С — руйнуються пластики, клей, ущільнення, фарби, тканини. Подальше підвищення температури знижує міцність титанових сплавів і стали. Температуру 500 °С витримують тільки нікелеві сплави.

2. Погіршення антикорозійних властивостей металів. Високі температури прискорюють хімічні реакції, викликають поява електрохімічних процесів, сприяють дисоціації молекул повітря. В атмосфері диссоциированного повітря метали окисляються в 400 разів швидше, ніж звичайно.

3. Зміна теплофізичних властивостей матеріалів — теплопровідності, питомої теплоємності, коефіцієнта температурного розширення може привести до появи температурних напруг і залишкових деформацій в елементах конструкції літаків.

4. Порушення роботи літакових систем і електронного обладнання, а також шкідливий вплив на здоров'я льотного складу. Все це перешкоджає збільшенню швидкостей польоту.

Сучасне літакобудування має у своєму розпорядженні досить ефективні засоби подолання теплового бар'єра, але проблема ця ще не може вважатися остаточно вирішеною.

Для подолання теплового бар'єра використовують:

- затуплення передніх крайок, що приводить до від'єднання головного стрибка ущільнення; температура знижується через зменшення теплового потоку й збільшення маси;

- теплостійкі матеріали в конструкції літака: жароміцні сталі, титанові сплави, нікель, бериллий і інші; при дуже більших швидкостях застосовуються керамічні матеріали, а для ліхтаря кабін - двошарові, жароміцні стекла;

- теплоізоляційні покриття, які наносяться на обшивання розпиленням або приклеюванням або розміщаються між зовнішнім і внутрішнім обшиванням; теплоізоляційними матеріалами можуть служити кремнезем, азбест, пінопласти;

- теплопоглинальні покриття („жертвенный шар”) під дією високих температур розплавляються, сублімують або випаровуються й при цьому поглинають велика кількість тепла, захищаючи від перегрівання обшивання літака;

- розсіювання тепла радіацією; для цього зовнішня поверхня обшивання повинна мати покриття з коефіцієнтом випромінювання, близьким до одиниці, а внутрішня поверхня обшивання - покриття з коефіцієнтом випромінювання, близьким до нуля;

- охолодження обшивання методом відпрівання або за допомогою спеціальних систем охолодження;

- упорскування рідкого охолоджувача в прикордонний шар.

Для більше надійного захисту від надмірного нагрівання використовують різні комбінації декількох перерахованих вище засобів. Однак самим надійним способом подолання теплового бар'єра є політ на більших висотах. На висоті 60 км щільність повітря в 3000 разів, а на висоті 100 км — в 1 млн. раз менше, ніж у Землі. Маса прикордонного шару, а отже, і тепловий потік від нього в багато тисяч разів менше, ніж у щільних шарах атмосфери. Одночасно збільшується тепловипромінювання обшивання. Тому, з погляду нагрівання, навіть тривалий політ при М = 5 ÷ 6 на більших висотах безпечний. Таким чином, для надзвукових літаків утвориться „коридор” безпечного горизонтального польоту, верхня й нижня границі якого відповідають певному значенню швидкості польоту (мал. 2.65).

Рис. 2.65. „Коридор” можливого горизонтального польоту.

Висота верхньої границі 1 визначається можливістю створення достатньої піднімальної сили, що залежить від щільності повітря й числа М.

Зі збільшенням М верхня границя відсувається нагору. Нижня границя 2 коридори визначається за умовами міцності. Чим менше висота польоту, тим більше навантаження, що діють на літак, і вище його температура. Зі збільшенням М польоту нижня границя коридору теж відсувається нагору. Для подолання теплового бар'єра висота польоту повинна бути тим більше, чим більше швидкість польоту літального апарата.