СВЕРХЗВУКОВОЙ САМОЛЕТ С ТУННЕЛЬНЫМ ФЮЗЕЛЯЖЕМ
SUPERSONIC AIRCRAFT WITH TUNNEL FUSELAGE

Изобретение относится к сверхзвуковой авиации, преимущественно пассажирской и может использоваться, в частности, для межконтинентальных перелетов.
Как известно, пассажирская сверхзвуковая авиация прекратила свое существование с прекращением полетов «Конкордов» и для этого, помимо трагической аварии, были и объективные обстоятельства. Это низкая топливная экономичность, вследствие большого аэродинамического сопротивления в полете и большая шумность, исключающая пролет вблизи крупных городов. Причина этого заключается в сжимаемости воздуха при полете на сверхзвуковых скоростях и энергия сжатия которого бесполезно рассеивается в атмосфере, в частности, в виде акустических волн (хлопки). Использование крыльев большой стреловидности и заострение их передних кромок, лишь отчасти решает эту проблему. Однако, потребность в пассажирской сверхзвуковой авиации не отпала, и поиски путей ее возрождения продолжаются во всем мире. В частности, исследователи из Массачусетского технологического института показывают перспективы использования в сверхзвуковой авиации схемы биплана (статья в Интернете - «Возвращение сверхзвукового биплана»). И хотя базовая идея создания сверхзвукового летательного аппарата с закольцованными аэродинамическими элементами была высказана Адольфом Буземаном еще в 1935 г, но до настоящего времени, так и не была реализована на практике. И главная причина этого заключается в том, что все свои положительные качества (снижение шума и аэродинамического сопротивления, путем рекуперации энергии сжатия воздуха) эта схема проявляет лишь на сверхзвуковых скоростях, а до них еще нужно добраться. Кроме того, предложенная схема предполагает использование обычного фюзеляжа (т.е. обтекаемого потоком воздуха снаружи), а это создает дополнительное аэродинамическое сопротивление.
Влияние фюзеляжа на общее аэродинамическое сопротивление самолета может быть значительно снижено при использовании фюзеляжа туннельного типа (патент RU №2249537), но это создает ряд новых проблем - рост поперечных габаритов, неудобство размещения пассажиров и пр.
Целью изобретения является создание сверхзвукового самолета, использующего рекуперацию энергии сжимаемого воздуха, лишенного этих недостатков.
Поставленная цель достигается тем, что в сверхзвуковом самолете, содержащем фюзеляж со сквозным продольным каналом (туннелем) и внутри которого установлены реактивные двигатели, наружные аэродинамические элементы, а также взлетно-посадочные устройства, по изобретению, взлетное устройство выполнено в виде отделяемой от фюзеляжа тележки, с использованием самолета-носителя, а посадочное устройство выполнено в виде двух телескопических пневмоцилиндров расположенных в фюзеляже с возможностью выдвижения из него перпендикулярно нижней плоскости фюзеляжа и гирлянды купольных парашютов. Кроме того, реактивные двигатели устанавливаемые внутри фюзеляжа могут быть как турбореактивными (ТРД), так и прямоточными (ПрВРД), а снаружи фюзеляжа могут быть установлены одноразовые твердотопливные реактивные двигатели (ТТРД). При этом, фюзеляж и внутренний продольный канал, в поперечном сечении имеют прямоугольную форму. Кроме того, фюзеляж выполнен продольно асимметричным, с боковыми плоскостями разной длины.
На фиг. 1 изображен сверхзвуковой самолет с туннельным фюзеляжем (далее ССТФ) в плане, с горизонтальным разрезом. На фиг. 2 изображен ССТФ в стартовом положении. На фиг. 3 изображен ССТФ в режиме посадки.
ССТФ включает в себя фюзеляж 1, образованный двумя поперечно разроздненными пассажирскими салонами 2, соединенными двумя, верхней и нижней, аэродинамическими плоскостями трапецевидной формы 3 и 4. К фюзеляжу 1, по бокам и сверху, присоединяются обычные треугольные аэродинамические элементы 5 (вариант - полноповоротные). В туннельном канале 6, образованном салонами 2 и аэродинамическими плоскостями 3 и 4, установленны реактивные двигатели 7 (ТРД или ПрВРД). Для старта с земли используется отделяемая тележка 8 (одна или несколько). В воздух ССТФ поднимается самолетом носителем 9. В этом качестве используется «Низкоскоростной самолет большой грузоподъемности» (патент RU №2595065). Для посадки ССТФ используется гирлянда купольных парашютов 10 и два длинноходовых телескопических пневмоцилиндра 11 (патент RU №2609663). Расположение двигателей 7 в туннеле фюзеляжа 1, так же повышает эффективность их работы (возрастает термодинамическое КПД).
ССТФ функционирует следующим образом. После установки ССТФ на тележку/тележки 8 к нему сверху пристыковывается самолет - носитель 9 (средства стыковки не показаны) и салоны 2 заполняются пассажирами. После короткой пробежки, на скорости 60÷90 км/ч, самолет 9 отрывает ССТФ от земли (тележка/тележки 8 остаются на земле) и поднимает на высоту 20÷25 км (обеспечивается использованием тяговых в/винтов большого диаметра). Далее, ССТФ отстыковывается от самолета 9 и в режиме крутого пикирования устремляется к земле. При использовании в качестве двигателей 7 ТРД, последние включаются в работу, и на максимально большом участке траектории спуска обеспечивают ускорение свободного падения (g=9,81). При использовании в качестве двигателей 7 ПрВРД, для получения g=9.81 потребуется применение дополнительных одноразовых твердотопливных реактивных двигателей (не показаны). На высоте 2,0÷3,0 км, при достижении сверхзвуковой скорости (около 2 М), ССТФ из режима спуска переводится в режим подъема с набором исходной высоты (20÷25 км) и продолжает полет по горизонтальной траектории к месту назначения. При этом, основную подъемную силу создают аэродинамические плоскости 3 и 4 (бипланная «коробка»), а аэродинамические элементы 5 обеспечивают управление ССТФ. По прибытии к месту назначения, ССТФ производит маневр «Бочка» с набором максимально возможной высоты и с потерей скорости, а далее повторный спуск (см. выше) с ускорением близким к g=9.81 до высоты 2,0÷3,0 км и производится вторая «Бочка», с некоторым набором высоты и почти полной потерей скорости. В верхней точке траектории, при выполнении маневра «Бочка», постепенно, по одному парашюту, из фюзеляжа 1 выпускается гирлянда парашютов 10 и начинается плавный спуск. Для более эффективного использования гирлянды 10, во время спуска ССТФ сохраняет и небольшую горизонтальную скорость за счет работы двигателей 7, что также обеспечивает и более точное приземление. Одновременно с гирляндой 10 из фюзеляжа 1 выдвигаются и телескопические пневмоцилиндры 11. При скорости спуска, в момент сближения с землей, 20÷25 м/сек и рабочем ходе пневмоцилиндров 11 в пределах 5,0÷7,0 м, ускорение не превысит 4 g, что вполне комфортно для человека сидящего в кресле с подголовником. При этом, величина ускорения остается постоянной на всем протяжении рабочего хода пневмоцилиндров 11, за счет управляемого сброса сжимаемого воздуха в атмосферу.
Полетная экономичность ССТФ обеспечивается рекуперацией значительной части энергии сжимаемого в полете встречного потока воздуха, поскольку основная его часть (исключение -наружные аэродинамические элементы 5 и нижняя аэродинамическая плоскость 4) направляется внутрь фюзеляжа 1 и на выходе из него расширяется, отдавая энергию предварительного сжатия на создание дополнительной тяги. Также, дополнительную тягу будет обеспечивать и подогрев выходящего из туннельного канала 6 потока воздуха выхлопными газами двигателей 7 (идентично работе форсажной камеры ТРД). Шумность при полете ССТФ будет многократно снижена путем интерферентного гашения акустических волн при их наложении в противофазе внутри фюзеляжа 1 (обеспечивается продольной асимметрией фюзеляжа 1 - L1 больше L2 или наоборот).
Кроме того, дважды за время полета испытываемое, достаточно продолжительное, состояние невесомости, может позволить ССТФ стать привлекательным и для «космических туристов». А внеаэродромный взлет и посадка, позволят значительно расширить маршруты перелетов, что обеспечивается и возможностью увеличения дальности беспосадочного перелета (возросшая экономичность и пониженная собственная масса конструкции планера, позволяющая взять на борт больше топлива). А уменьшенное аэродинамическое сопротивление фюзеляжа 1 позволит делать салоны 2 более просторными, что повысит их вместимость и комфортабельность для пассажиров.