Тепловой барьер (Инженер-подполковник С. Копалин)

Увеличение скорости полета самолетов на определенных этапах развития авиации требовало решения весьма сложных проблем. Достижение, например, скорости полета, равной скорости звука (около 1230 км/час у земли), было связано с резким увеличением силы лобового сопротивления самолета. В связи с этим совершенно по-новому встали вопросы аэродинамики, прочности, получения необходимой тяги двигателей и т. п. Без решения этих вопросов скорость полета, превышающая скорость звука, не могла быть достигнута. Именно поэтому и появился в свое время термин "звуковой барьер", который определил своеобразный характер возникшего на пути развития авиации препятствия.

После того, как этот "барьер" был преодолен, авиация получила, возможность осваивать скорости полета, превышающие скорость звука. Но при этом возникли своеобразные трудности. Впервые они дали о себе знать еще на скоростях в 1000-1200 км/час. Оказалось, что уже в этих условиях происходит нагревание воздуха в кабинах реактивных самолетов. Так, температура воздуха в кабине истребителя при скорости полета около 1200 км/час повышается примерно на 50°С. Если в стратосфере, где температура окружающей среды составляет -56,5°С, это может оказаться даже практически полезным, то при полете летом на небольших высотах такое повышение температуры воздуха в кабине оказывается невыносимым для летчика. Поэтому авиационные конструкторы вынуждены устанавливать на современных самолетах системы, которые поддерживают в кабине летчика определенную температуру, давление и влажность воздуха. Дальнейшее увеличение скорости полета вызывает еще более сильное нагревание самолета, достигающее при скорости 2000 км/час 115°С. Это приводит к тому, что органическое стекло фонаря кабины размягчается, закипает горючее в баках, разрушается и теряет свои электроизолирующие свойства резина. При нагревании до 160-190°С (в стратосфере это может произойти на скорости около 2500 км/час) становятся непригодными используемые в настоящее время в производстве самолетов алюминиевые сплавы. В результате воздействия такой температуры в течение примерно часа они теряют прочность и самолет разрушается. На рис. 57 показано количество тепла, которое требуется для отепления кабины и оборудования самолета на малой скорости, и то количество тепла, которое оказывается избыточным при полете на сверхзвуковых скоростях.

Рис. 57. Нагревание самолета в зависимости от скорости полета

Следует отметить, что еще до достижения температур, снижающих прочность материалов, в конструкции самолета возникают значительные термические напряжения вследствие наличия разнородных материалов и неравномерности их нагрева. Эти напряжения оказываются столь же опасными, как и снижение прочности самих материалов. Кроме того, силовая установка современного самолета и прямые солнечные лучи на высотах более 15 км, лишь слегка поглощаемые сильно разреженным воздухом, оказываются также мощными дополнительными источниками тепла. Все это и приводит к тому, что на пути развития сверхзвуковой авиации оказывается новый, так называемый "тепловой барьер".

Какова же сущность "теплового барьера"? При полете самолета на сверхзвуковой скорости в результате трения происходит торможение воздушного потока, и частицы воздуха, прилегающие к поверхности самолета, теряя свою скорость, нагреваются. Особенно сильно нагреваются частицы воздуха, скорость которых падает до нуля, ибо вся их кинетическая энергия переходит в тепло. Температура, до которой нагреваются эти частицы, называется температурой торможения. Она возрастает значительно быстрее, чем скорость полета. Так, например, при скорости полета 1000 км/час температура торможения будет на 30°С выше окружающей, при скорости 3800 км/час - выше на 600°С, а при скорости полета около 5500 км/час - выше уже на 1000°С. Однако температура частиц воздуха, скорость которых не падает до нуля, будет ниже температуры торможения, так как часть тепла уносится потоком и рассеивается в окружающей среде. Практически оказывается, что средняя температура воздуха в заторможенном слое составляет примерно 85-89% температуры торможения.

Поскольку слой воздуха, непосредственно соприкасающийся с самолетом при полете на сверхзвуковой скорости, оказывается нагретым до высокой температуры, то естественно, что и обшивка самолета также нагревается. Если тепло от обшивки не отводить, то через некоторое время она нагреется до той же температуры, что и заторможенный слой воздуха. Однако, нагреваясь, обшивка начинает излучать тепло. Возникает два потока тепла - от заторможенного слоя воздуха к обшивке и от обшивки в окружающую среду. Со временем устанавливается тепловое равновесие и обшивка принимает определенную установившуюся температуру, которая несколько ниже температуры в заторможенном слое воздуха.

Разница между температурой в заторможенном слое и температурой обшивки зависит от интенсивности передачи тепла к обшивке. Последняя в свою очередь зависит от плотности воздуха. На малых высотах, где воздух имеет значительную плотность, теплопередача будет интенсивной, и поэтому равновесная температура обшивки установится очень быстро и будет близка к температуре в заторможенном слое. На больших высотах, где плотность воздуха уменьшается в десятки и сотни раз, тепловой поток в обшивке резко снижается, равновесная температура достигается по истечении значительного времени с начала полета. Она меньше температуры в заторможенном слое воздуха.

По данным иностранной печати, самолет, летящий со скоростью около 5000 км/час, у земли будет получать при установившемся тепловом режиме с каждого квадратного метра поверхности около 480000 килокалорий в час, а при полете с той же скоростью на высоте 35 км - всего около 500 килокалорий в час, т. е. почти в 90 раз меньше. При тепловом равновесии тепло, получаемое самолетом, должно равняться теплу, излучаемому его поверхностью. Следовательно, на высоте 35 км излучаемого тепла должно быть примерно на 90% меньше, чем у земли. Но чем меньше излучаемое тепло, тем ниже температура обшивки. На основании приведенных данных можно подсчитать, что температура обшивки на высоте будет примерно в три раза меньше температуры у земли.

Из вышесказанного следует, что одним из способов уменьшения нагрева самолета является резкое увеличение высоты полета. В результате этого на больших высотах, где плотность воздуха незначительна, возможны продолжительные полеты с такими скоростями, которые из-за перегрева были бы невозможны для малых и средних высот. Таким образом, увеличение высоты полета как бы отодвигает "тепловой барьер" на большие сверхзвуковые скорости.

Для предотвращения вредного воздействия температуры на сверхзвуковой самолет принимаются также и конструктивные меры: применяются жаропрочные сплавы, устанавливаются системы, способные обеспечивать интенсивное охлаждение определенных частей машины.

Как уже указывалось выше, используемые в настоящее время авиационные алюминиевые сплавы оказываются непригодными для самолетов, наружная поверхность которых нагревается свыше 190°С. Более подходящим материалом для производства сверхзвуковых самолетов оказываются разработанные в последнее время сплавы на основе титана. Они обладают достаточно низким удельным весом, высокой прочностью и более жаростойки, чем алюминиевые сплавы. Эти сплавы уже успешно применяются в самолетостроении. Однако и они уже при 450°С практически теряют необходимую прочность.

Сплавы на основе никеля и нержавеющие стали сохраняют прочность при более высоких температурах, но они обладают большим удельным весом, дороги и трудны в обработке. Тем не менее они не могут не учитываться как возможный материал для конструкции самолета. Кроме большой жаропрочности, никелевая сталь имеет примерно вдвое меньший коэффициент термического расширения по сравнению с обычной углеродистой сталью. Это имеет весьма важное значение, поскольку конструкция сверхзвукового самолета, как уже указывалось, подвергается значительным термическим напряжениям и, как следствие этого, короблению.

Еще более заманчивым является применение тугоплавких керамик, которые весьма стойки против корродирующего воздействия атмосферного воздуха и не теряют прочности при высоких температурах. Такие керамики могут быть созданы на основе окислов металлов магния, кремния, алюминия, циркония и др. В настоящее время рассматривается возможность изготовления из подобных материалов наиболее напряженных в температурном отношении частей самолета, как, например, передней кромки крыла и носовой части фюзеляжа.

Многие из разработанных до настоящего времени охладительных систем не могут быть использованы при сверхзвуковых полетах. Дело в том, что чрезвычайно удобный охладитель - атмосферный воздух - оказывается непригодным. В частности, применяемые в настоящее время в системах кондиционирования воздуха в кабинах турбохолодильники могут нормально работать только до определенного предела температур воздуха, поступающего в турбину. Следовательно, возникает необходимость искать принципиально новые конструкции охладительных систем.

При выборе веществ для охладительных систем исходят из способности их поглощать возможно большее количество тепла при минимальном весе и объеме; важно также, чтобы эти вещества не имели ядовитых и окислительных свойств. К таким веществам прежде всего относятся вода, метиловый и этиловый спирты, треххлористый углерод и ацетон. В определенных условиях в качестве поглотителя тепла могут быть использованы вся масса конструкции самолета и находящееся на нем топливо. Если бы оказалось возможным расходовать выделяющееся при полете тепло на испарение жидкого топлива и уже в парообразном виде подводить его к двигателю, то это в значительной степени могло бы способствовать решению проблемы охлаждения самолета. К сожалению, пока этому мешает ряд обстоятельств. Одним из них является то, что в результате перегревания выше определенных температур горючее портится.

Другой путь защиты поверхности самолета от перегрева - охлаждение ее способом "отпотевания". В этом случае охлаждающая жидкость выступает на поверхность самолета через поры в обшивке и, испаряясь, производит охлаждение самой обшивки и непосредственно прилегающей части пограничного слоя воздуха.

Принципиально иным решением вопроса является теплоизоляция планера самолета без применения специальных охладительных систем. При этом возможно применение теплоизолирующих слоев между обшивкой и каркасом, а также изолирующих покрытий, наносимых непосредственно на обшивку самолета. Такие покрытия в состоянии значительно сократить тепловой поток от поверхности самолета к основной конструкции. Так, например, использование слоя теплоизоляции из стекловолокна толщиной 25 мм увеличивает время нагревания от -60 до +80°С с 3,5 мин. до одного часа при полете на скорости, вдвое большей звуковой.

В случае применения на сверхзвуковом самолете двигателей, расходующих при работе атмосферный воздух, также возникают серьезные затруднения, связанные с высокими температурами. С возрастанием скорости полета увеличивается температура воздуха во всасывающем канале двигателя, что приводит к увеличению температур во всем его газовом тракте. Оно будет тем значительнее, чем больше повышается давление в компрессоре. Еще сложнее дело обстоит с турбиной, которая уже на малых скоростях требует специальных охладительных устройств. Возможно, что в связи с этим компоновка двигателя для высокоскоростного самолета несколько изменится и будет усилена его тепловая изоляция от прилегающей части конструкции самолета. Снижение прочности металлов с увеличением температуры приводит к тому, что выбор материала для двигателей значительно суживается и может ограничиться лишь нержавеющими жаропрочными сталями. Наряду с этим будет необходимо уделить специальное внимание охлаждению смазочного масла и улучшению его качеств при высоких температурах.

Нет сомнения, что современная наука и техника имеют все возможности для преодоления "теплового барьера" и обеспечения полетов на скоростях, намного превышающих скорость звука.