textarchive.ru

Главная > Документ


2.10. Классификация летательных аппаратов

Существует несколько способов летания:

Аэростатическое перемещение в тропосфере (шары, дирижабли).

Аэродинамическое движение в воздухе (жидкости) тел, тяжелее воздуха (самолеты, вертолеты, крылатые ракеты).

Баллистическое движение (пуля, снаряд).

Космическое ракетоплавание, основанное на теории ракетодинамики тел с переменной массой.

Перемещение на воздушной подушке.

Перечень летательных аппаратов:

- воздушный шар, дирижабль,

- планер,

- самолет,

- судно на подводных крыльях,

- судно на воздушной подушке,

- экраноплан,

- вертолет,

- ракета крылатая, ракета баллистическая,

- спутник планет, космический корабль.

Тип летательного аппарата, его способ летания, его технические характеристики определяют и технические характеристики аппаратуры – приборов и систем. Этим определяется необходимость глубокого изучения летательных аппаратов. Каждый тип летательного аппарата имеет свои особенности и сферу практического применения.

Воздушные шары и аэростаты основаны на аэростатическом принципе летания в воздушном пространстве. Этот аппарат легче воздуха, всплывает из плотных слоев воздуха к менее плотным слоям над уровнем Земли по закону Архимеда. К положительным свойствам аэростатов относится гигантская подъемная сила, создаваемая за счет большого объема. К его основному недостатку следует отнести слабую управляемость в связи с большой парусностью при больших объемах. Их можно применять только в тихую погоду.

Планер по конструкции аналогичен самолету, имеет все элементы самолета кроме силовой установки. Наилучший способ подъема на высоту – это буксировка с помощью самолета. Дальнейший полет – парение по восходящим и нисходящим воздушным потокам. Планеры используются для обучения пилотов, для приобретения навыков пилотирования, и изучения аэродинамики самолета. Кроме того, планер широко используется в спортивных целях. Может использоваться и в военных целях.

Самолеты можно разделить на сухопутные и гидросамолеты. В свою очередь сухопутные самолеты имеют различное назначение. К ним относятся гражданские самолеты, военные самолеты. По способу взлета самолеты можно разделить на самолеты, взлетающие после аэродинамического разбега и самолеты вертикального взлета.

К гражданским самолетам относятся пассажирские, учебные, санитарные, пожарные, аэросъемочные, спортивные, сельскохозяйственные, грузовые.

К военным самолетам относятся: истребители (для воздушного боя, для истребления самолетов противника, для охраны бомбардировщиков); бомбардировщики (для уничтожения сил противника в его тылу); штурмовики (для уничтожения на земле укреплений, вооружений и огневой силы противника).

Характерной особенностью гидросамолета является то, что местом посадки и взлета является водная среда. (Примером может быть самолет Бе-200).

Как бы промежуточным между сухопутными самолетами и гидросамолетами является самолет-амфибия (А-40). Отличительной особенностью такого самолета является его способность взлетать и садиться как с земли и на землю, так и с воды и на воду. Говорят, что самолет обладает амфибийностью.

Полет всех самолетов (и крылатых ракет, самолетов беспилотников) основан на аэродинамическом способе летания. При этом скорость самолета относительно воздуха создается силовой установкой, а подъемная сила создается крыльями и фюзеляжем по теореме Н.Е. Жуковского.

Спутники Земли и космические корабли перемещаются в мировом пространстве по законам ракетодинамики, в основе которых лежит теория полета ракет с переменной массой, основоположником которой является наш соотечественник Константин Эдуардович Циолковский (17.09.1857 – 19.09.1935 гг.).

В зависимости от типа силовой установки (двигателя) все самолеты можно разделить на следующие группы:

- самолеты с поршневым двигателем – винтомоторная группа – ВМГ;

- самолеты с турбореактивным двигателем – группа ТРД;

- самолеты с турбовинтовым двигателем – группа ТВД;

- самолеты (ракеты) с жидкостно-реактивным двигателем – группа ЖРД [25, 26].

Самолет с поршневым двигателем

До некоторых пор (до 1942 г.) применялись только поршневые двигатели, составляющие вместе с воздушным винтом винтомоторную группу – ВМГ.

Рис. 2.25. Характеристика винтомоторной группы:

а) мощность винта;

б) сила тяги того же двигателя

На рисунке 2.25а показана зависимость мощности винта Nв от скорости полета v, а на рисунке 2.25б – зависимость тяги Pв винта от скорости v. Известно, что , где N – мощность двигателя, ηв – КПД винта. Мощность двигателя мало зависит от скорости полета v, а падение ее при больших скоростях обусловлено падением КПД винта.

Сила тяги равна

. (2.29)

Она уменьшается как по причине возрастания скорости v, так и по причине уменьшения КПД винта. Здесь принято: Pв – сила тяги в кг, N – мощность двигателя в лошадиных силах (л.с.), v – в .

Поршневые двигатели не могли обеспечить самолету больших скоростей полета. На больших скоростях требуется значительное увеличение мощности двигателя. Например, для достижения скорости 1200 км/ч потребуется тяга винта 3500 – 4000 кг. При ηв = 0,7 ‑ 0,8 мощность двигателя должна быть

л.с.

Такой двигатель будет иметь большой вес (около 13000 кг), большие габариты и громоздкий винт.

Есть еще одна существенная причина ограничений по скорости самолета с поршневым двигателем. Речь идет о волновом кризисе винта в потоке воздуха при большой скорости. Наступает режим сверхзвукового обтекания лопастей винта, наступает сильная турбулизация потока. Раньше всего сверхзвуковое обтекание наступает на концах лопастей винта, а дальше распространяется и к комлю его. Происходит "закипание" воздуха, КПД резко падает, винт испытывает сильные колебания и удары. По этой причине ограничиваются скорость полета и надежность силовой установки.

Поршневой двигатель обладает высокой экономичностью, т.е. сравнительно малым удельным расходом топлива Се кг/л.с.час (килограмм топлива на одну лошадиную силу в час). Например, при Се = 0,22 кг/л.с.час и N = 2500 л.с. часовой расход топлива Gтоп Се · N = 0,22·2500 = 550 кг/ч.

Сказанное тут обуславливает целесообразность применения ВМГ на скоростях полета до 600 – 650 км/ч.

Максимальная скорость самолета с ВМГ определяется по формуле (приближенно):

км/ч, (2.30)

где N – мощность двигателя на данной высоте полета в л.с., Δ – относительная плотность воздуха, S – площадь крыла в м2, δ – коэффициент в м2, величина которого зависит от количества двигателей и способа его охлаждения (жидкостное или воздушное) (δ ≈0,13– 0,2) [25].

Максимальная высота полета такого самолета определяется по формуле:

км, (2.31)

где NН – мощность двигателя на расчетной высоте; Нрасч – высота полета, до которой сохраняются работоспособность двигателя без потери мощности; G – полетный вес самолета; S – площадь крыльев; λ – удлинение крыла.

Дальность полета самолета с ВМГ определяется приближенно по формуле:

, км, (2.32)

где Gтоп – вес топлива в кг; vmax – максимальная скорость на данной высоте в км/ч; N – мощность двигателя на той же высоте в л.с.; Се – удельный расход топлива на той же высоте в кг/л.с.час; F – коэффициент, зависящий от числа двигателей (1,38 – для одного, 1,48 – для двух и четырех двигателей).

Длина разбега и длина взлетной дистанции определяется по формуле:

, м, (2.33)

где К = 0,75 для разбега, К = 2,1 для взлетной дистанции.

Посадочная скорость определяется по формуле:

км/ч. (2.34)

Самолет с турбореактивным двигателем

Стремление к получению больших скоростей привело к поиску новых принципов создания тяги летательного аппарата по сравнению с ВМГ. Еще Константин Эдуардович Циолковский (1930 г.) утверждал, что "за эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных …". В 1937 году был совершен первый полет ракеты с жидкостным реактивным двигателем конструкции С.П. Королева. Первыми в нашей стране серийными самолетами с турбореактивными двигателями были истребители Як-15 конструкции А.С. Яковлева и МиГ-9 конструкции А.И. Микояна и М.И. Гуревича.

Так появились летательные аппараты с турбореактивными двигателями (группа ТРД). Согласно закону об изменении количества движения сила тяги в группе ТРД равна секундному увеличению количества движения газового потока, проходящего через силовую установку и обтекающего его снаружи:

, (2.35)

где v – скорость полета, с5 – скорость вытекающего из сопла газа (м/с); Gв – секундный расход воздуха на входе в двигатель (кг/с); g – ускорение силы тяжести (м/с2).

Рис. 2.26. Изменение мощности (а) и тяги (б) ТРД в зависимости от скорости полета

Из рисунка 2.26 видно, что тяга ТРД незначительно зависит от скорости полета, зато мощность его при этом возрастает. Этим объясняется то обстоятельство, что ТРД заняли господствующее положение в авиации и ракетостроении для полетов на скоростях с 800 … 850 км/ч и выше. Недостатком ТРД по сравнению с ВМГ является плохая экономичность. Удельный расход ТРД Се ≈ 0,8 кг/кг тяги час. Поэтому, например, при тяге P = 3000 кг часовой расход топлива составит:

кг/ч.

Это значит, что часовой расход топлива ТРД значительно выше, чем для поршневых двигателей.

Максимальная скорость полета самолета с ТРД:

, км/ч, (2.36)

где a – скорость звука (м/с) на данной высоте; Mкрит – критическое число М начала волнового кризиса; ∆ – относительная плотность воздуха на высоте полета; Р – тяга двигателя на той же высоте.

Потолок полета самолета определяется ориентировочно по формуле:

, км, (2.37)

где Р0 – тяга у земли; Кмах – максимальное качество самолета, которое может быть равным 14 – 15 (К = Y/Q = Cy/Cx).

Дальность полета самолета:

, (2.38)

где vmax – максимальная скорость на данной высоте в км/ч; РН – тяга на данной высоте в кг; Се – удельный расход топлива в кг/кгтяги час; F1 – коэффициент, равный 1 для истребителя и 1,1 для бомбардировщика.

Длина разбега:

, м. (2.39)

Скорость посадки определяется по формуле:

, км/ч. (2.40)

Самолет с турбовинтовым двигателем.

Стремление найти оптимальный двигатель, который позволил бы летать со скоростью 700 … 900 км/ч, привело к созданию промежуточного двигателя частично со свойствами ВМГ и ТРД. Таким двигателем оказался турбовинтовой двигатель (ТВД).

Рис. 2.27. Зависимость мощности и тяги в ТВД от скорости полета:

а – мощность винта;

б – тяга винта

Мощность, отдаваемая ТВД, равна:

. (2.41)

Суммарная тяга такого двигателя (установки) равна:

.

По экономичности ТВД занимает промежуточное положение между ВМГ и ТРД. Например, при Се = 0,28 кг/л.с. час и N = 3000 л.с. часовой расход топлива равен

км/ч.

Самолет с жидкостно-реактивным двигателем

Что касается установки с жидкостно-реактивным двигателем (ЖРД), то он отличается от турбореактивного двигателя в основном тем, что работает на горючей смеси, окислитель которой находится на борту самолета. В связи с этим тяга его не зависит от высоты полета.

Рис. 2.28. Зависимость мощности (а) и тяги (б) ЖРД от скорости полета

Эти двигатели обладают крайне низкой экономичностью. При Се = 16 кг/кг тяги час и Р = 2000 кг часовой расход топлива равен

кг/ч,

В связи с этим такие двигатели используют короткое время (5…10 мин) в форсажных двигателях. Их преимуществом является независимость от высоты полета, легкость, компактность.

Судно на подводных крыльях

Эффект судна на подводных крыльях заключается в подъеме фюзеляжа судна из воды в воздух. Сопротивление движению судна в этом случае уменьшается пропорционально уменьшению плотности среды движения. Движение в воде заменяются движением в воздухе (в воде остаются только крылья) [26 – 27].

При этом подъемная сила и сила сопротивления возникают по законам аэродинамики по аналогии с самолетом:

, ,

где Сy и Cx – коэффициенты подъемной силы и силы лобового сопротивления, ρ – плотность среды, S – площадь крыла.

Плотность воды в 816 раз больше плотности воздуха при Н = 0 км. Скорость СПК = 60 – 70 км/ч (в 10 раз меньше скорости самолета).

Ограничение по скорости наступает из-за кавитации, ("закипания" воды) на поверхности подводного крыла при скорости 80 км/ч (ориентировочно). Однако это уже скорость почти автомобиля, почти 2 – 3 раза больше скорости движения обычных судов по воде.

Недостаток – слабая устойчивость при больших волнах. Поэтому морские СПК не нашли широкого распространения, хотя попытки к этому имеются.

Впервые СПК появились в Германии (инж. барон Ганс фон Шертель). В 1927 году Шертель организовал фирму "Сукромар Лимитед". В России выдающаяся роль принадлежит Р.Е. Алексееву (1916 – 1980 гг.). В 1957 году было построено СПК "Ракета" на 66 мест, а потом "Волга", "Метеор", "Беларусь", "Чайка". Скорость движения расчетная – 60 ‑ 80 км/ч.

Судно на воздушной подушке

Экранопланы вместе с судами на подводных крыльях и на воздушной подушке образовали новый класс судов на динамических принципах поддержания движения. Эффект экраноплана заключается в использовании сверхмалой высоты полета, в использовании воздушной подушки, экранного эффекта. Оптимальная высота полета Н = 0,5 хорды крыла.

Самолеты и вертолеты тоже летают на малых высотах, особенно вертолет. Но для них малая высота не является оптимальной с точки зрения экономичности режима полета. Это полет по необходимости выполнения целевой задачи.

Одним из примеров использования экранного эффекта является судно на воздушной подушке (СВП).

Подъемная сила у СВП образуется благодаря повышенному аэростатическому давлению в пространстве между корпусом аппарата и опорной поверхностью (вода, Земля). Давление создается нагнетателями подъема. Для этого используется часть бортовой мощности (около 30 %) независимо от скорости. При этом давление на корпусе создается до 100 Па (0,75 мм рт. ст.).

Рис. 2.29. Принцип взлета СВП

К особенностям судна на воздушной подушке относятся: относительно высокая скорость полета (≈ 100 км/ч), способность летать над водой, над землей на малой высоте, отсутствие необходимости в дорогах, отсутствие необходимости в аэродромах, большая грузоподъемность, высокая экономичность, отсутствие вредного воздействия на воду, землю, высокая безопасность.

Экранный эффект – это очень крутая зависимость подъемной силы Y крыла от расстояния днища СВП до подстилающей поверхности ,

Рис. 2.30. Зависимость подъемной силы от относительной высоты полета

,

где H – высота полета. При ≥ 0,7 экранный эффект пропадает.

Экраноплан

Экраноплан – это летательный аппарат, который для перемещения использует статическую воздушную подушку на малых скоростях и динамическую воздушную подушку на больших скоростях.

Внешне ЭП (экраноплан) похож на самолет с крыльями малого удлинения, которые заканчиваются концевыми шайбами. Они имеют носовой и кормовой двигатели. При разгоне носовой двигатель работает в режиме поддува, направляя газовую струю под крыло для создания статической воздушной подушки. Она уменьшает гидродинамическое сопротивление. После отрыва судна от подстилающей поверхности поддув прекращается и статическая подушка заменяется при движении динамической подушкой за счет скоростного напора. Под крылом происходит подтормаживание воздуха, увеличение давления на нижнюю поверхность профиля. Так образуется динамическая воздушная подушка в отличие от статической подушки в СВП. При очень малых высотах полета давление может достигать давления скоростного напора , но практически используется 40 – 50 % его из-за колебаний поверхности под судном.

Попытка разработать летательный аппарат типа "экраноплан" была осуществлена еще в 30-х годах XX века. Однако практическое применение этот аппарат нашел только в 60-х годах благодаря усилиям ЦКБ под руководством Р.Е. Алексеева в Нижнем Новгороде. Появились такие экранопланы как: См-5 (1963 г.) Км (1967 г.), Орленок (1979 г.), Лунь (1986 г.).

Условно все экранопланы делятся на группы:

Малые ЭП: длина судна до 10 м, дальность полета 300 – 500 км, скорость полета 100 – 200 км/ч, высота волны воды до 30 см, число пассажиров – несколько человек. Примером в этой группе может быть "Волга-2" со скоростью до 120 км/ч.

Средние ЭП: масса судна до 300 т, дальность полета до 2000 км, скорость полета до 200 км/ч, высота волны воды до 2 м, число пассажиров до 150 – 200 человек.

Большие ЭП: масса судна 500 – 550 т, дальность полета до 10000 км, скорость полета 600 – 800 км/ч, высота волны воды 6 – 8 м.

Этот новый вид судна, по мнению специалистов (особенно военных), имеет большие перспективы. Не случайно, что в США был объявлен конкурс по созданию морского ЭП со скоростью перемещения до 180 узлов с большой грузоподъемностью. С этой задачей пока не справилась ни одна фирма США.

Есть сведения, что в 1989 году в Ленинграде был создан ЭП под маркой РКВП, ракетный корабль со скоростью перемещения более 110 км/ч. Однако с большей сенсацией американцы сообщили, что зафиксировали движение морского судна (надводного) со скоростью 500 км/ч. Если это так, то свершилось чудо. Появились сведения в российской печати, что такое судно действительно есть, и его марка – БОРА.

Какие же особенности требований к аппаратуре на ЭП:

Повышенная точность и надежность управления по относительной высоте , углу крена γ, углу тангажа υ, скорости полета v в связи с тем, что высота полета сверх малая.

Повышенные требования по быстродействию аппаратуры управления и контроля.

При расчетах метрологических характеристик рекомендуется принимать мгновенное, а не среднее значение скорости полета.

С целью достижения максимальной достоверности и безопасности полета за погрешность параметра принимается ее максимально возможное значение.

Для ориентации приведена таблица 2.4 параметров для экраноплана [27].

Таблица 2.4

Параметр

Диапазон

Погрешность

Постоянные времени, сек

Высота полета, м

0 - 15

0,1

0,05

Крен, град

± 20

0,1

0,1

Тангаж, град

- 10 + 15

0,1

0,2

vy, , м/с

± 1

0,01

0,05

, град/с

± 5

0,03

0,05

υ, град/с

± 5

0,03

0,1

Воздушная скорость v, м/с

0 - 200

0,5

0,1

Путевая скорость w, м/с

0 - 200

0,5

0,5

Угол скольжения, град

± 10

0,3

0,2

Курсовой угол ψ, град

0 - 360

0,3

0,2

Вертолет



Скачать документ

Похожие документы:

  1. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение (2)

    Литература
    ОГЛАВЛЕНИЕВведение ..……………….…………………………………………………….….…3 Глава 1. Тактика ... аппаратуры танков и БМП, авиационных и артиллерийских приборов и боеприпа­сов. Кроме того, ... группировки войск четко функционирующей системы управления авиацией опе­ративного и, ...
  2. Оглавление введение 7 раздел 1 угроза биотерроризма в современном мире 8

    Исследование
    ... working mechanisms. ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………7 Раздел 1. ... 62 3.1. Проблемы системы биологической безопасности….……………..62 ... к цели: ракеты, авиационные бомбы и контейнеры, ... специальной техникой, приборами, аппаратурой, медицинским ...
  3. Введение Error Reference source not found (2)

    Документ
    ОглавлениеВведение Error: Reference ... видах экономической деятельности в информационных системах и ресурсах, едином государственном регистре ... - производство бортовых авиационныхприборов, систем воздушной навигации, приборов и аппаратуры для ...
  4. Реферат Подготовка и начало Второй Мировой войны (документы свидетельствуют) Оглавление Введение 3 I Причины Второй Мировой войны 5 II Виновники войны 10 II 1 Кто привёл Гитлера к власти 10 II 2 Вступление СССР в войну 13 II 3 Подготовленность

    Автореферат диссертации
    ... ) Оглавление: Введение ... приборами ... системы званий, две системы ... бомбардировочные дивизии. 3-й авиационный корпус – в ...
  5. Введение 6 глава 1 идея и этапы создания международной космической станции 9 1 1 идея создания мкс 9 1 2 история создания проекта мкс 10

    Документ
    ОглавлениеВведение 6 Глава 1. Идея ... радиолинии, системы телеметрического контроля и радиотехнической системы стыковки, приборы управления ... 5 Авиационно-космические системы. Москва, Издательство МАИ, 1997. 6 Авиационно-космические системы. Москва ...

Другие похожие документы..