Waverider - Waverider

For annen bruk, se Waverider (disambiguation) .
Den Boeing X-51 forskipet er et eksempel på en kjegle-avledet waverider
Det kinesiske prosjektet 0901 Flying Vehicle fra CASIC viser en annen konfigurasjon av waverider.
Liten skala av det sovjetiske / russiske Ayaks- flyet som ble utsatt for MAKS Air Show 1993 , Moskva. Det er fortsatt under utvikling

En waverider er en hypersonisk flydesign som forbedrer det supersoniske løft-til-dra-forholdet ved å bruke sjokkbølgene som genereres av sin egen flyging som en løfteoverflate, et fenomen kjent som komprimeringsløft . Til dags dato var det eneste bemannede flyet som brukte teknikken Mach  3 supersoniske XB-70 Valkyrie .

Waverideren er fortsatt et godt studert design for høyhastighetsfly i Mach 5 og høyere hypersonisk regime, selv om ingen slik design ennå har kommet inn i produksjonen. Den Boeing X-51 A scramjet demonstrasjon luftfartøy ble testet fra 2010 til 2013. I sin endelige test uren, det nådd en hastighet på Mach 5,1 (5,400 km / t; 3.400 mph).

Historie

Tidlig arbeid

Waverider-designkonseptet ble først utviklet av Terence Nonweiler fra Queen's University of Belfast , og ble først beskrevet på trykk i 1951 som et kjøretøy som kom igjen. Den besto av en delta-vingeplattform med lav vingbelastning for å gi et betydelig overflateareal for å dumpe varmen fra gjeninntreden. På den tiden ble Nonweiler tvunget til å bruke en sterkt forenklet 2D-modell av luftstrøm rundt flyet, som han innså at ikke ville være nøyaktig på grunn av en spenningsstrøm over vingen. Imidlertid bemerket han også at den spenningsvise strømmen ville bli stoppet av sjokkbølgen som genereres av flyet, og at hvis vingen var plassert for å bevisst nærme seg sjokket, ville den spenningsstrømmen bli fanget under vingen, øke presset og dermed øke løftet .

På 1950-tallet startet britene et romprogram basert på Blue Streak-missilet , som på et tidspunkt skulle inkludere et bemannet kjøretøy. Armstrong-Whitworth fikk kontrakt om å utvikle gjenreisekjøretøyet, og i motsetning til det amerikanske romfartsprogrammet bestemte de seg for å holde seg til et bevinget kjøretøy i stedet for en ballistisk kapsel . Mellom 1957 og 1959 kontraherte de Nonweiler for å videreutvikle konseptene hans. Dette arbeidet produserte en pyramideformet design med en flat underside og korte vinger. Varme ble ført gjennom vingene til de øvre kule overflatene, hvor den ble dumpet i den turbulente luften på toppen av vingen. I 1960 ble arbeidet med Blue Streak kansellert da missilet ble sett på som foreldet før det kunne ha kommet inn i tjeneste. Arbeidet ble deretter flyttet til Royal Aircraft Establishment (RAE), hvor det fortsatte som et forskningsprogram for sivile flyruter med høy hastighet (Mach 4 til 7) .

Dette arbeidet ble oppdaget av ingeniører ved North American Aviation under de tidlige designstudiene av hva som ville føre til XB-70- bombefly. De designet om den originale "klassiske" deltavingen for å innlemme hengende vingespisser for å felle sjokkbølgene mekanisk, i stedet for å bruke en sjokkkjegle generert fra fronten av flyet. Denne mekanismen hadde også to andre gunstige effekter; det reduserte mengden horisontal løfteoverflate på baksiden av flyet, noe som bidro til å oppveie en nese-ned trim som oppstår med høye hastigheter, og den la til mer vertikal overflate som bidro til å forbedre retningsstabiliteten, som falt med høy hastighet.

Caret wing

Nonwilles originale design brukte sjokkbølgen generert av flyet som en måte å kontrollere spenningsvis flyt, og derved øke mengden luft fanget under vingen på samme måte som et vingegjerde . Mens han arbeidet med disse konseptene, la han merke til at det var mulig å forme vingen på en slik måte at sjokkbølgen som genereres fra forkanten, ville danne et horisontalt ark under farkosten. I dette tilfellet ville luftstrømmen ikke bare bli fanget horisontalt, spanvis, men også vertikalt. Det eneste området luften over sjokkbølgen kunne slippe ut ville være på baksiden av arket der flykroppen endte. Siden luften ble fanget mellom dette arket og flykroppen, ville et stort volum av luft bli fanget, mye mer enn den mer grunnleggende tilnærmingen han først utviklet. Siden sjokkoverflaten ble holdt på avstand fra farkosten, var sjokkoppvarmingen dessuten begrenset til vingens forkanter, noe som senket de termiske belastningene på flykroppen.

I 1962 flyttet Nonweiler til Glasgow University for å bli professor i aerodynamikk og væskemekanikk. Det året ble hans "Delta Wings of Shapes Amenable to Exact Shock-Wave Theory" utgitt av Journal of the Royal Aeronautical Society , og tjente ham den samfunnets gullmedalje . Et håndverk generert ved hjelp av denne modellen ser ut som en deltavinge som er blitt brutt ned i midten og de to sidene brettet nedover. Bakfra ser det ut som en opp-ned-V, eller vekselvis " caret ", ^, og slike design er kjent som "caret wing". To til tre år senere kom konseptet kort opp i det offentlige øyet, på grunn av flyarbeidene på RAE som førte til utsiktene til å nå Australia på 90 minutter. Avisartikler førte til en opptreden på skotsk fjernsyn .

Hawker Siddeley undersøkte caret wing-waverideren på senere 1960-tallet som en del av et tretrinns månens rakettdesign. Den første etappen ble bygget på et utvidet Blue Steel, det andre en waverider, og den tredje et atomdrevet bemannet stadium. Dette arbeidet ble generalisert i 1971 for å produsere et to-iscenesatt gjenbrukbart romfartøy. Den 37 meter lange første etappen ble designet som en klassisk waverider, med luftpustende fremdrift for å komme tilbake til oppskytningsstedet. Det øverste trinnet ble designet som et løftekropp, og ville ha båret en nyttelast på 8000 pund (3,6 pund) til lav jordbane .

Kegelstrøm waveriders

Nonwalesers arbeid var basert på studier av plane 2D-sjokk på grunn av vanskeligheter med å forstå og forutsi sjokkmønstre fra virkeligheten rundt 3D-kropper. Etter hvert som studien av hypersonstrømmer ble bedre, klarte forskere å studere waverider-design som brukte forskjellige sjokkbølgeformer, den enkleste var det koniske støtet generert av en kjegle. I disse tilfellene er en waverider designet for å holde den avrundede sjokkbølgen festet til vingene, ikke et flatt ark, noe som øker volumet av luft som er fanget under overflaten og derved øker løftet.

I motsetning til caret-vingen, utformer kjegleflyten jevnt og trutt vingene sine, fra nær horisontalt i sentrum, til sterkt hengende der de møter støtet. I likhet med caret-vingen, må de utformes for å fungere i en bestemt hastighet for å feste sjokkbølgen ordentlig til vingens forkant, men i motsetning til dem kan hele kroppsfasongen varieres dramatisk med forskjellige designhastigheter, og noen ganger ha vingespisser som kurve oppover for å feste til sjokkbølgen.

Videreutvikling av de koniske seksjonene, ved å legge til kalesjer og flyplassområder, førte til den "svulmende kjeglen waverider", som utvikler flere koniske sjokkbølger på forskjellige punkter på kroppen, og blander dem til å produsere et enkelt formet sjokk. Utvidelsen til et bredere spekter av kompresjonsoverflatestrømmer tillot design av waveriders med kontroll over volum, øvre overflateform, motorintegrering og sentrum av trykkposisjon. Ytelsesforbedringer og analyser utenfor design fortsatte til 1970.

I løpet av denne perioden ble minst en waverider testet ved Woomera Rocket Range , montert på nesen til et luftutsatt Blue Steel-missil , og et antall flyrammer ble testet i vindtunnelen ved NASAs Ames Research Center . I løpet av 1970-tallet forsvant imidlertid mest arbeid i hypersonikere, og waverideren sammen med det.

Viskøse optimaliserte waveriders

En av de mange forskjellene mellom supersonisk og hypersonisk flyging angår samspillet mellom grenselaget og sjokkbølgene som genereres fra nesen til flyet. Normalt er grenselaget ganske tynt sammenlignet med strømlinjen av luftstrøm over vingen, og kan betraktes separat fra andre aerodynamiske effekter. Imidlertid når hastigheten øker og sjokkbølgen stadig nærmer seg sidene av farkosten, kommer det et punkt hvor de to begynner å samhandle og flytfeltet blir veldig sammensatt. Lenge før dette punktet begynner grenselaget å samhandle med luften som er fanget mellom sjokkbølgen og flykroppen, luften som brukes til å løfte på en waverider.

Beregningen av effektene av disse interaksjonene var utenfor aerodynamikkens evner frem til introduksjonen av nyttig beregningsvæskedynamikk som startet på 1980-tallet. I 1981 startet Maurice Rasmussen ved University of Oklahoma en renessanse i waverider ved å publisere et papir om en ny 3D undersideform ved hjelp av disse teknikkene. Disse fasongene har overlegen løfteevne og mindre dra. Siden da hele familier av kjegle har avledede Waveriders blitt designet ved hjelp av mer og mer komplekse kjegle sjokk, basert på mer komplisert programvare. Dette arbeidet førte til slutt til en konferanse i 1989, den første internasjonale Hypersonic Waverider-konferansen , som ble holdt ved University of Maryland.

Disse nyeste formene, de "viskøse optimaliserte waveriders", ligner koniske design, så lenge vinkelen på sjokkbølgen på nesen er utenfor en kritisk vinkel, omtrent 14 grader for en Mach 6-design for eksempel. Sjokkens vinkel kan styres ved å utvide nesen til en buet plate med spesifikk radius, og redusere radiusen gir en mindre støtkonusvinkel. Kjøretøysdesign starter med å velge en gitt vinkel og deretter utvikle kroppsformen som feller den vinkelen, og deretter gjenta denne prosessen for forskjellige vinkler. For en gitt hastighet vil en enkelt form gi de beste resultatene.

Design

Ved re-entry hypersoniske kjøretøyer generere løft bare fra undersiden av skroget . Undersiden, som er tilbøyelig til strømmen med en høy angrepsvinkel , skaper løft som reaksjon på at kjøretøyet kiler luftstrømmen nedover. Heismengden er ikke spesielt høy, sammenlignet med en tradisjonell vinge , men mer enn nok til å manøvrere gitt mengden avstand kjøretøyet dekker.

De fleste gjenreisende kjøretøyer er basert på den sløvt nese reentry-designet som ble pioner av Theodore von Kármán . Han demonstrerte at en sjokkbølge blir tvunget til å "løsne" fra en buet overflate, tvunget ut i en større konfigurasjon som krever betydelig energi å danne. Energi som brukes til å danne denne sjokkbølgen er ikke lenger tilgjengelig som varme, så denne formingen kan dramatisk redusere varmebelastningen på romskipet. En slik utforming har vært grunnlaget for nesten alle gjeninnførte kjøretøy siden, funnet på de stumpe nesene til de tidlige ICBM- stridshodene, bunnen av de forskjellige NASA- kapslene og den store nesen til romfergen .

Problemet med det stumpe nesesystemet er at den resulterende designen skaper veldig lite løft, noe som betyr at kjøretøyet har problemer med å manøvrere under innreisen. Hvis romfartøyet er ment å være i stand til å returnere til sin startpunkt "på kommando", vil det være nødvendig med en slags manøvrering for å motvirke at jorden snur seg under romfartøyet når det flyr. Etter en enkelt lav jordbane vil utskytningspunktet være over 1000 km øst for romfartøyet når det flyr over igjen etter en hel bane. En betydelig mengde forskning ble dedikert til å kombinere det stumpe nesesystemet med vinger, noe som førte til utviklingen av løftekroppens design i USA

Det var mens jeg jobbet med et slikt design at Nonweiler utviklet waverideren. Han la merke til at løsgjøringen av sjokkbølgen over de stumpe forkantene på vingene i Armstrong-Whitworth-designen ville la luften på bunnen av farkosten flyte spvis og rømme til den øvre delen av vingen gjennom gapet mellom forkant og løsrevet sjokkbølge. Dette tapet av luftstrøm reduserte (med opptil et kvarter) heisen som ble generert av waverideren, noe som førte til studier om hvordan du kan unngå dette problemet og holde flyten fanget under vingen.

Nonwales resulterende design er en delta-vinge med en viss mengde negativ dihedral - vingene bøyes ned fra flykroppen mot spissene. Når flaten sett fra fronten, ligner vingen et caretsymbol ( Arial caret.svg) i tverrsnitt , og disse designene blir ofte referert til som carets. Den mer moderne 3D-versjonen ser vanligvis ut som en avrundet bokstav 'M'. Teoretisk kan en stjerneformet waverider med et frontalt tverrsnitt av en "+" eller "×" redusere dra med ytterligere 20%. Ulempen med denne designen er at den har mer areal i kontakt med sjokkbølgen og derfor har mer uttalte varmespredningsproblemer .

Waveriders har generelt skarpe neser og skarpe forkanter på vingene. Sjokkoverflaten på undersiden forblir festet til dette. Luft som strømmer inn gjennom sjokkoverflaten blir fanget mellom støtet og flykroppen, og kan bare slippe ut bak på flykroppen. Med skarpe kanter er hele heisen beholdt.

Selv om skarpe kanter blir mye varmere enn avrundede med samme lufttetthet, betyr den forbedrede heisen at waveriders kan gli ved reinngang i mye større høyder der lufttettheten er lavere. En liste som rangerer forskjellige romkjøretøyer i rekkefølge av oppvarming brukt på flyrammen ville ha kapsler på toppen (kommer raskt inn igjen med veldig høye varmebelastninger), waveriders i bunnen (ekstremt lange glideprofiler i stor høyde), og romfergen et sted i midten.

Enkle waveriders har betydelige designproblemer. For det første fungerer de åpenbare designene bare på et bestemt Mach-nummer , og løftemengden som fanges vil endre seg dramatisk når bilen endrer hastighet. Et annet problem er at waverider avhenger av strålende kjøling , mulig så lenge kjøretøyet bruker mesteparten av tiden sin i veldig høye høyder. Imidlertid krever disse høydene også en veldig stor vinge for å generere det nødvendige løftet i den tynne luften, og at den samme vingen kan bli temmelig uhåndterlig i lavere høyder og hastigheter.

På grunn av disse problemene har waveriders ikke funnet fordel hos praktiske aerodynamiske designere, til tross for at de kan gjøre hypersonic-kjøretøyer på lang avstand effektive nok til å frakte luftfrakt .

Noen forskere hevder kontroversielt at det er design som overvinner disse problemene. En kandidat for en multi-speed waverider er en " caret wing ", operert i forskjellige angrepsvinkler. En caretvinge er en deltavinge med langsgående koniske eller trekantede spalter eller stropper . Det ligner sterkt på et papirfly eller en rogallo-vinge . Riktig angrepsvinkel vil bli stadig mer presis ved høyere mach-tall, men dette er et kontrollproblem som teoretisk kan løses. Vingen sies å prestere enda bedre hvis den kan være konstruert av tett netting, fordi det reduserer dra og samtidig opprettholde løft. Slike vinger sies å ha den uvanlige egenskapen til å operere ved et bredt spekter av mach-tall i forskjellige væsker med et bredt spekter av Reynolds-tall .

Temperaturproblemet kan løses med en eller annen kombinasjon av en transpirerende overflate, eksotiske materialer og eventuelt varmeledninger . I en transpirerende overflate pumpes små mengder av kjølevæske som vann gjennom små hull i flyets hud (se transpirasjon og svette ). Denne designen fungerer for Mach 25 rominngangsskjerm , og bør derfor fungere for alle fly som kan bære kjølevæskens vekt. Eksotiske materialer som karbon-karbonkompositt leder ikke varme men tåler det, men de har en tendens til å være sprø . Heatpipes brukes ikke mye for tiden. Som en konvensjonell varmeveksler leder de varme bedre enn de fleste faste materialer, men som en termosifon pumpes passivt. Boeing X-51A tar for seg ekstern oppvarming ved bruk av en volfram nesekone og romskjerm-varmeskjoldfliser på magen. Intern (motor) oppvarming absorberes ved å bruke JP-7 drivstoff som kjølevæske før forbrenning. Andre høgtemperaturmaterialer, referert til som SHARP-materialer (typisk zirkoniumdiborid og hafniumdiborid ), har blitt brukt på styreskovler for ICBM-reentry-kjøretøy siden 1970-tallet, og er foreslått brukt på hypersoniske kjøretøy. Det sies at de tillater Mach 11-flyvning i 30 000 m høyde og Mach 7-flyvning på havnivå. Disse materialene er mer strukturelt robuste enn den forsterkede karbonkompositt (RCC) som brukes på romfartens nese og forkanter, har høyere strålings- og temperaturtoleranseegenskaper, og lider ikke av oksidasjonsproblemer som RCC må beskyttes mot belegg.

referanser

Eksterne linker