КРЫЛО ГИПЕРЗВУКОВОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В УСЛОВИЯХ ЕГО АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА
HYPERSONIC AIRCRAFT WING IN AERODYNAMIC HEATING CONDITIONS

Изобретение относится к авиационной и ракетно-космической технике, к тепловой защите частей корпусов летательных аппаратов (ЛА), совершающих полет со сверх- и гиперзвуковыми скоростями и предназначено для повышения надежности конструкции крыла и других частей корпуса в условиях их аэродинамического нагрева.
В настоящее время в авиационной и ракетно-космической технике известны различные активные и пассивные устройства, обеспечивающие надежность частей корпуса ЛА (крыльев, носовых частей и др.) при их аэродинамическом нагреве.
Элементы ЛА с пассивной тепловой защитой, обеспечивающей надежность ЛА, в настоящее время широко используются в составе многоразовых транспортных космических кораблях типа «Space Shuttle» и «Буран» и на спускаемых аппаратах космических кораблей типа «СОЮЗ» и др. Так, для «Space Shuttle» и «Буран» - это многослойные покрытия из металлокерамических плиток (Нейланд В.Я., Тумин A.M. / «Аэротермодинамика воздушно-космических самолетов. Конспект лекций». - г.Жуковский: ФАЛТ МФТИ, 1991 г., 201 с., с.131-137).
Такая тепловая защита имеет высокую стоимость, утяжеляет конструкцию ЛА и не обеспечивает требуемой надежности, что подтверждается авариями и происшествиями на «Space Shuttle», которые связаны с повреждениями тепловой защиты на старте. Также материалы такой тепловой защиты имеют низкие допустимые тепловые нагрузки, что приводит к увеличению габаритов крыльев и корпуса ЛА в ущерб минимизации аэродинамического сопротивления.
Известна тепловая защита ЛА при аэродинамическом нагреве (см. патент US №6663051 В2 от 16 декабря 2003 года). Она включает два защитных слоя: внутренний слой, выполненный из огнеупорного материала, и внешний газово-доступный слой, выделяющийся при нагреве с последующим разложением и коксованием. Тем самым создается слой тепловой защиты при аэродинамическом нагреве. Использование данной системы сопровождается изменением формы ГЛА, а время ее функционирования определяется толщиной внешнего газово-доступного слоя.
Ближайшим из аналогов по технической сущности к заявленному изобретению является патент РФ на изобретение №2430857 МПК В64С 1/38 от 1.12.2009 на «КРЫЛО ГИПЕРЗВУКОВОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В УСЛОВИЯХ ЕГО АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА».
Крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева включает в себя эмиссионный слой, нанесенный на внутреннюю поверхность внешней оболочки, которая вместе с эмиссионным слоем образует катод и параллельно (эквидистантно) от нее расположенный внутри крыла элемент (анод), воспринимающий электроны эмиссии и электрически соединенный через бортовой потребитель электроэнергии с внешней оболочкой (катодом).
Данный аналог работает следующим образом. При полете ГЛА с большими скоростями происходит нагрев передней кромки оболочки крыла ГЛА и эмиссионного слоя, нанесенного на ее внутреннюю поверхность. При этом данный эмиссионный слой начинает излучать и эмиттировать электроны. Электроны забирают с собой и переносят на анод значительную часть тепла аэродинамического нагрева оболочки. Пересекая межэлектродный зазор, электроны осаждаются на аноде, который через электроизолирующий слой дополнительно охлаждается бортовой системой с помощью охлаждающего элемента. Тем самым поддерживается необходимый перепад температур между катодом - многослойным электродом, образованным оболочкой и эмиссионным слоем, и анодом. Одновременно поступающие в герметизированную полость химические элементы уменьшают работу выхода электронов из покрытия и нейтрализуют объемный заряд, препятствующий этому. В результате чего через токовывод анода, осаждающиеся на нем электроны через бортовой автономный потребитель электроэнергии, совершая на нем полезную работу, вновь через токоввод возвращаются к нагретой оболочке крыла. Таким образом, элементы конструкции (в данном случае оболочка крыла) за счет эмиссии электронов с внутренней поверхности внешней оболочки работают при более низких температурах в составе ГЛА. Тем самым реализуется схема электронного охлаждения, снижающая тепловые нагрузки на крыло. При этом повышается энергетическая эффективность ГЛА ввиду генерации в процессе электронного охлаждения значительных количеств электрической энергии для обеспечения функционирования бортовых спецсистем. Однако для снижения температурно-напряженного состояния частей корпуса ГЛА (в данном случае крыла) и повышения на этой основе их надежности в настоящее время применяется достаточно сложная гидравлическая бортовая система терморегулирования с каналами циркуляции охлаждающего продукта, имеющая значительную массу и потребляющая значительную часть бортовых запасов энергии, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик крыла и ГЛА в целом.
В тоже время для обеспечения полетов некоторых типов ГЛА, особенно с высокими скоростями, требуются крылья тонких профилей.
Технической задачей заявляемого изобретения, вытекающей из современного уровня развития науки и техники, является: снижение массогабаритных характеристик и упрощение конструкции крыла и ГЛА в целом, повышение его надежности и уменьшение энергопотребления, поскольку часть бортовой энергии затрачивается на обеспечение функционирования жидкостной системы охлаждения.
Указанная задача решается за счет того, что в заявляемом изобретении вместо громоздкой бортовой системы терморегулирования с каналами циркуляции охлаждающего продукта на внутреннюю по отношению к внешней оболочке поверхности анода наносится эмиссионный слой из материала с высокой эмиссией электронов (например, оксидированный никель), а на расстоянии 0,1-1 мм от него размещен вспомогательный анод. Данный эмиссионный слой, нагреваясь и выполняя функцию катода, обеспечивает примерно то же значение тока эмиссии, но при более низких температурах, а значит и его электронное охлаждение (см. Эмиссионная электроника. / Н.Н.Коваль [и др.]; ред. Ю.С.Протасов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009. - 595 с., например на стр.197). Таким образом происходит электронное охлаждение анода. От основного анода параллельно (эквидистантно) на некотором расстоянии располагается вспомогательный анод, воспринимающий электроны, эмиттируемые с внутренней поверхности основного анода. Далее электроны через элементы бортового потребителя электрической энергии, совершая на нем полезную работу, снова направляются к эмиссионному слою катода (эмиссионному слою внутренней поверхности основного анода). Таким образом реализуется схема «тандем» электронного охлаждения крыла.
Основным техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, обусловливающим его пригодность для использования по назначению, является повышение надежности, уменьшение массогабаритных характеристик крыла и получение дополнительной энергии на борту ГЛА. Указанный технический результат достигается за счет технического эффекта, заключающегося в целенаправленном изменении свойств крыла ГЛА, которое состоит в следующем:
- На внутреннюю поверхность основного анода нанесен дополнительный термоэмиссионный слой с температурой эмиссии ниже температуры эмиссии эмиссионного слоя, нанесенного на внутренние поверхности оболочки крыла, например из Ni-Ba сплава.
- Со стороны вспомогательного эмиссионного слоя эквидистантно этому слою с зазором 0.1-1 мм расположен вспомогательный анод, который через электроизоляцию укреплен на силовом кронштейне, установленном внутри оболочки крыла с помощью электроизолирующих прокладок, а сам вспомогательный анод через дополнительный токовывод, бортовой потребитель электроэнергии и дополнительный токоввод соединен с основным анодом.
- Введены несколько последовательно размещенных вспомогательных анодов с эмиссионными слоями, температура эмиссии каждого из которых ниже температуры предыдущего дополнительного анода. В этом случае основной анод выполняет функцию анода по отношению к вспомогательному катоду, воспринимающему горячие электроны, эмиттируемые нагретым основным анодом.
При этом охлаждение не только внешних частей ГЛА происходит не только за счет эмиссии электронов, не только с нагретых внешних частей ГЛА, которые выполняют функции катода по отношению к основному аноду, но и с внутренних (например, основного анода, который выполняет функцию катода по отношению к вспомогательному аноду).
Тем самым снижается или вовсе исключается необходимость использовать бортовую систему терморегулирования с каналами циркуляции охлаждающего продукта. За счет этого решения значительно упрощается конструкция электронно-охлаждаемого крыла, снижаются его массогабаритные характеристики, в частности толщина крыла, а следовательно, повышается его надежность, а также уменьшается энергопотребление, затрачиваемое на функционирование системы терморегулирования с каналами циркуляции охлаждающего продукта. Подобное конструктивное решение можно также использовать в носовой части и других защищаемых от аэродинамического нагрева элементов конструкции ГЛА. Кроме того, существует возможность аналогичным образом охлаждать и вспомогательный анод (аноды), размещая и устанавливая их последовательно, до достижения минимально допустимых перепадов температур между соответствующими катодами и анодами, обеспечивая тем самым устойчивое охлаждение внешней оболочки крыла в течение заданного времени. То есть основной анод, нагреваясь, выполняет функции катода по отношению к первому вспомогательному аноду, который сам, нагреваясь, излучает электроны на второй вспомогательный анод и т.д.
Пример использования описываемого изобретения.
При полете гиперзвукового летательного аппарата в некоторый момент времени температура участка передней кромки достигает температур 1600-2000 К и при этом достигается равенство подводимых и отводимых тепловых потоков:
аэродин
АТТЗ
q=q,
аэродин
q - тепловой поток к внешней поверхности стенки при аэродинамическом нагреве,
АТТЗ
q - тепловой поток с внутренней поверхности нагреваемой оболочки передней кромки ГЛА за счет процессов термоэлектронной эмиссии и излучения.
изл
При этом тепловые потоки, характерные для реализации процесса термоэлектронной эмиссии
с учетом тепловых потоков излучением q, во внешнюю среду и на анод примерно равны (Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974 г., 288 с., например, с.30):
,
анод
изл
при том, что
(Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М,: Атомиздат, 1974 г., 288 с., например, с.30). Тепло, которое идет на нагрев анода q (Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974 г., 288 с., например, с.30), состоит из излучения с внутренней поверхности внешней оболочки (эмиссионного слоя) q и тепла, воспринимаемого анодом при восприятии электронов эмиссии
:
,
где
(Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974 г., 288 с., например, с.30).
При подборе материала эмиссионного слоя основного анода необходимо определить необходимое значение плотности тока эмиссии для поддержания требуемой температуры основного анода, то есть:
, где
- тепловые потоки  эмиссионного слоя основного анода.
Значит, для поддержания примерно постоянной величины температуры основного анода с учетом малого значения работы выхода эмиссионного слоя основного анода необходимо значение тока эмиссии с эмиссионного слоя основного анода
,
катод
где j - плотность тока эмиссии с катода.
2,
Если воспользоваться графиками, приведенными в литературе (см. Эмиссионная электроника. / Н.Н.Коваль [и др.]; ред. Ю.С.Протасов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009. - 595 с, например на стр.197), то при токе эмиссии с катода, равном 20 А/см и температуре основного анода порядка 1000 К (≈700°С) подойдет материал для эмиссионного слоя, наносимого с обратной стороны основного анода, из Ni-Ba сплава или оксидный катод.
2
Дело в том, что существуют материалы, которые имеют низкую работу выхода, что позволяет получать высокую плотность тока эмиссии, обеспечивают более высокую степень электронного охлаждения. Например, материал Ni-Ba позволяет получить плотность тока эмиссии около 50 А/м при температуре около 800°С. При такой температуре основного анода обеспечивается функционирование описываемого изобретения.
На чертеже представлено заявленное крыло ГЛА в разрезе.
Данное крыло имеет в своем составе внешнюю оболочку 1 нагреваемой части корпуса ГЛА, воспринимающей динамические и тепловые нагрузки. Эмиссионный слой 2 нанесен на внутреннюю поверхность оболочки 1. Оболочка 1 и эмиссионный слой 2 образуют многослойный электрод - катод, а находящийся с зазором δ=0.1-1 мм от него токопроводящий элемент 3 - анод предназначен для поглощения электронов эмиссии. Для отвода тепла от анода 3 и тепла, излучаемого катодом, на внутреннюю по отношению к многослойному катоду поверхность анода 3 нанесен эмиссионный слой 4, например из оксидированного никеля (см. Эмиссионная электроника. / Н.Н.Коваль [и др.]; ред. Ю.С.Протасов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. - 595 с., например на стр.197). На расстоянии от эмиссионного слоя 4 расположен вспомогательный анод 5, который воспринимает электроны, эмиттируемые с анода 3. Вспомогательный анод 5 расположен эквидистантно эмиссионному слою 4 через электроизоляцию 6 на кронштейне 7. Электроизоляция 6 служит для предотвращения утечек тока с анода. Емкость 8 служит для хранения и введения в парообразном состоянии элементов (цезий, барий, кислород, водород и др.) в межэлектродные герметизированные и вакуумированные полости 9 и 10, между анодом 3 и катодом, образованные оболочкой 1 и эмиссионным слоем 2, а также эмиссионным слоем 4 и вспомогательным анодом 5. Через эту емкость 8 осуществляется ввод паров цезия и других химических элементов типа бария, кислорода, водорода. Дистанциаторы 11, выполненные из электроизолирующего материала, например, керамики, предназначены для фиксации и поддержания заданного расстояния δ между катодом -многослойным электродом, образованным оболочкой 1 и эмиссионным слоем 2, и анодом 3, а также эмиссионным слоем 4 и вспомогательным анодом 5 и для герметизации полостей 9 и 10. Токовывод 12 анода 3 и токовывод 13 вспомогательного анода 5 предназначены для обеспечения прохождения электронов к бортовым системам - потребителям 14 электрической энергии. Совершив полезную работу, электроны возвращаются на катод, образованный оболочкой 1 и эмиссионным слоем 2 через токоввод 15. Таким образом, обеспечивается электронное охлаждение основного анода 3 с установлением на данной основе постоянной циркуляции носителей тепла - электронов, обеспечивая постоянный отвод тепла от нагреваемой в полете оболочки крыла. Силовой кронштейн 7 предназначен для крепления элементов, участвующих в отводе тепла от нагреваемой части 1 (оболочки крыла). Кронштейн 7 установлен внутри оболочки 1 крыла и соединен с ней через электроизолирующие прокладки 16. В герметизированную полость 9 и 10 нагреваемой части крыла и основного анода из емкости 8 под давлением до 20 мм рт.ст. введены химические элементы (цезий, барий и др.) преимущественно в парообразной фазе. Вспомогательный анод 5 через электроизолирующий слой 6 укреплен на кронштейне 7. Для обеспечения независимости работы контуров охлаждения и вырабатываемой ими электроэнергии между эмиссионным слоем 4 основного анода 3 и основным анодом 3 располагают электроизоляционный слой 18 и дополнительный токоввод 17 эмиссионного слоя 4.
Заявленное крыло работает следующим образом. При полете ГЛА с большими скоростями происходит нагрев оболочки 1 крыла ГЛА и эмиссионного слоя 2. При этом эмиссионный слой 2 начинает излучать и эмиттировать электроны. Электроны забирают с собой и переносят на анод 3 значительную часть тепла аэродинамического нагрева оболочки за счет этого происходит электронное охлаждение катода, образованного оболочкой 1 и нанесенным на нее эмиссионным слоем 2. Пересекая вследствие термоэмиссии межэлектродный зазор 8, электроны осаждаются на аноде 3, на внутреннюю по отношению к катоду поверхность которого нанесен эмиссионный слой 4, например, из полупроводникового материала, обладающего более низкой температурой эмиссии при его нагреве. Эмиссионный слой 4 при разогреве анода 3 также начинает испускать электроны, обеспечивая тем самым электронное охлаждение анода 3, наряду с охлаждением излучением. Электроны из эмиссионного слоя 4 пресекают второй промежуток S и осаждаются на вспомогательном аноде 5, отдавая при этом часть тепловой энергии. Вспомогательный анод 5 при этом установлен через электроизоляцию 6 на кронштейне 7. Тепловая энергия, полученная вспомогательным анодом 5, за счет осаждения электронов эмиссии с эмиссионного слоя 4 рассеивается в крыле за счет теплопроводности и излучения на вспомогательном аноде 5 и кронштейне 7. В крыле может быть установлено несколько вспомогательных анодов (с эмиссионным слоем типа 4 и вспомогательного анода типа 5) для обеспечения постоянной разности температур между соответствующими этими электродами. Тем самым поддерживается необходимый перепад температур между катодом - многослойным электродом, образованным оболочкой 1 и эмиссионным слоем 2, и анодом 3, а также эмиссионным слоем 4 и вспомогательным анодом 5. Для поддержания постоянной величины межэлектродных расстояний в полостях 9 и 10 устанавливаются дистанциаторы 11. Одновременно поступающие из источника 8 в герметизированные полости 9 и 10 химические элементы уменьшают работу выхода электронов из эмиссионных слоев 2 и 4, а также нейтрализуют объемный заряд, препятствующий термоэлектронной эмиссии. В результате чего через токовывод 12 анода 3 и токовывод 13 вспомогательного анода 5 осаждающиеся на них электроны через бортовой автономный потребитель 14 электроэнергии и токоввод 15 катода вновь возвращаются к нагретой оболочке 1 крыла. Кроме того, для электронов, осаждающихся на вспомогательном аноде 5, может быть установлен отдельный бортовой потребитель электрической энергии. Одновременно находящиеся в герметизированных полостях 9 и 10 крыла в парообразном состоянии элементы (цезий, барий, кислород, водород и др.), осаждаясь на эмиссионном слое 2 основного катода и эмиссионном слое 4 основного анода, снижают работу выхода электронов с него и способствуют их переходу на анод 3 и вспомогательный анод 5 соответственно. Это приводит к увеличению силы тока через бортовой потребитель 14 электроэнергии, а также способствует выработке электрической энергии из-за поддержания необходимой разности температур между соответствующими электродами 1 и 3, 4 и 5 за счет электронного охлаждения анода 3 и других вспомогательных анодов, например, вспомогательного анода 5 и других, если вспомогательных анодов несколько.
В результате чего, в электрической цепи, образованной анодом 3 и вспомогательным анодом 5, токовыводами 12 и 13, бортовым потребителем 14, токовводом 15 и многослойным катодом, образованным оболочкой 1 и эмиссионным слоем 2, начинает протекать ток обеспечивающий как охлаждение аэродинамически нагреваемой оболочки 1 и анода 3, так и получение на борту дополнительной электрической мощности. При этом исключается из конструкции крыла элемент бортовой системы терморегулирования с каналами циркуляции охлаждающего продукта. Это снижает массогабаритные характеристики конструкции крыла, приводит к повышению его надежности, упрощает эксплуатацию ГЛА в целом. Кроме того, повышается КПД преобразования тепловой энергии аэродинамического нагрева в электрическую энергию.
После совершения работы под нагрузкой в бортовом потребителе 14 электроны возвращаются к многослойному катоду, образованному оболочкой 1 и эмиссионным слоем 2, а также (или) основным анодом 3 эмиссионным слоем 4, через токоввод 13 и 15.
Технический эффект, получаемый в результате использования заявляемого изобретения, отражающий более высокий уровень развития науки и техники, заключается в том, что снижение температурно-напряженного состояния частей крыла и повышение на этой основе его надежности при аэродинамическом нагреве за счет эмиссии электронов с внутренней поверхности нагреваемых частей крыла, которые воспринимаются анодом 3 - элементом с более низкой температурой, соединенным с нагреваемой частью крыла через бортовой потребитель электрической энергии, происходит без использования сложного и массивного элемента бортовой системы терморегулирования с каналами циркуляции охлаждающего продукта, за счет использования электронного охлаждения с внутренней по отношению к внешней оболочке поверхности электропроводящего элемента, воспринимающего электроны эмиссии с внутренней поверхности нагреваемой в полете внешней оболочки 1. Одновременно с этим происходит прирост количества электрической энергии, которая является частью возвращаемой энергии топлива, ранее затраченной на преодоление силы лобового сопротивления, приводящей в полете к нагреву частей ЛА, за счет преобразования в электричество тепловой энергии электронного нагрева электропроводящего элемента, воспринимающего электроны эмиссии с внутренней поверхности, нагреваемой в полете внешней оболочки 1.
Другими словами, в заявленном изобретении введен термоэмиссионный контур охлаждения основного анода 3, включающий термоэмиссионный слой 4, нанесенный на внутреннюю поверхность этого анода 3, а на расстоянии от него δ эквидистантно расположен вспомогательный анод 5, воспринимающий электроны, эмиттированные термоэмиссионным слоем 4 основного анода 3, нанесенным на внутреннюю поверхность основного анода. Вспомогательный анод 5 через электроизоляцию 6 укреплен на кронштейне 7, который в свою очередь через электроизолирующие прокладки 16 зафиксирован внутри крыла.
Таким образом, обеспечивается снижение температурно-напряженного состояния и упрощение конструкции крыла, снижение его массы и ГЛА в целом, повышение его надежности и уменьшение энергопотребления, поскольку вводимая система дополнительного охлаждения сама является источником дополнительной электроэнергии на борту ГЛА.