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

Изобретение относится к авиационной и ракетно-космической технике, а именно 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 кораблей типа «Space Shuttle» и «Буран» и на спускаемых аппаратах космических кораблей типа «СОЮЗ» и др. Так, для «Space S huttle» 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, 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. Также материалы такой тепловой защиты характеризуются низким уровнем допустимых тепловых нагрузок, что приводит к увеличению габаритов крыльев и корпуса ЛА в ущерб минимизации аэродинамического сопротивления.
Известна активная система тепловой защиты (см. патент России №2172278) с каталитическими реакторами химической регенерации тепла. В данной системе тепловой защиты тепло запускается внутрь ЛА, где в каталитических реакторах с поглощением тепла осуществляется термохимическое преобразование углеводородного топлива. Таким образом, происходит охлаждение обшивки корпуса, кромок крыльев ЛА и обтекающего воздушного потока, а также улучшается горение топлива в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Известна тепловая защита ЛА при аэродинамическом нагреве (см. патент US №6663051 B2 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 гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА), а время ее функционирования определяется толщиной внешнего газово-доступного слоя.
Однако эти устройства очень сложны, поэтому не обладают высоким уровнем надежности. При этом реализация и использование этих устройств ввиду их сложности имеют высокую стоимость.
Ближайшим из аналогов по технической сущности к заявленному изобретению является патент РФ на полезную модель №2430857, МПК B64C 1/38, от 10.10.2011 на «КРЫЛО ГИПЕРЗВУКОВОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В УСЛОВИЯХ ЕГО АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО НАГРЕВА».
Крыло ГЛА в условиях его аэродинамического нагрева включает в себя внешнюю оболочку с нанесенным на ее внутреннюю поверхность эмиссионным слоем и эквидистантно расположенный от нее элемент, воспринимающий электроны эмиссии и электрически соединенный через бортовой потребитель электроэнергии с внешней оболочкой.
Данный аналог работает следующим образом. При полете ЛА с гиперзвуковыми скоростями происходит нагрев оболочки крыла ЛА и эмиссионного слоя. При этом эмиссионный слой начинает излучать и эмитировать электроны. Электроны забирают с собой и переносят на анод значительную часть тепла аэродинамического нагрева оболочки. За счет этого происходит электронное охлаждение катода, образованного оболочкой и нанесенным на него эмиссионным слоем. Преодолевая вследствие термоэмиссии межэлектродный зазор, электроны осаждаются на аноде, который через электроизолирующий слой дополнительно охлаждается бортовой системой с помощью охлаждающего устройства. Тем самым поддерживается необходимый перепад температур между катодом - многослойным электродом, образованном оболочкой и эмиссионным слоем, и анодом. Одновременно поступающие в герметизированную полость химические элементы, например цезий, уменьшают работу выхода электронов из покрытия и нейтрализуют объемный заряд, препятствующий этому. В результате чего через токовывод анода осаждающиеся на нем электроны попадают на бортовой автономный потребитель электроэнергии, совершая на нем полезную работу, и через токоввод катода вновь возвращаются к нагретой оболочке крыла. Такая конструкция за счет эмиссии электронов с внутренней поверхности внешней оболочки повышает энергетическую эффективность ГЛА ввиду генерации в процессе электронного охлаждения дополнительного количества электрической энергии для обеспечения функционирования различных бортовых спецсистем.
Однако необходимость поддержания малого межэлектродного зазора 0.1…0.5 мм между катодом и анодом в условиях высоких температур при механических и тепловых нагрузках на крыло со стороны набегающего гиперзвукового потока, необходимость наличия на борту источников паров цезия и устройств его подачи в зазор, а также использование дорогостоящих электродных материалов приводят к увеличению сложности и стоимости системы и одновременному снижению его надежности и долговечности. Это затрудняет применение данной конструкции в составе крупногабаритных и многоразовых ГЛА, что обусловлено механическими воздействиями со стороны набегающего потока, приводящими к деформации крыла, наличием высоких температур, неравномерно распределенных по крылу и пр. Кроме того, размещение внутри крыла элементов системы электронного охлаждения затрудняет к ним доступ в случае их отказов и повреждений, что приводит к снижению такой составляющей надежности как ремонтопригодность и готовность, актуальных при разработке многоразовых ГЛА.
Технической задачей, вытекающей из современного уровня науки и техники, является повышение надежности и долговечности теплонапряженных элементов конструкции крыльев ГЛА, особенно крупногабаритных многоразовых ГЛА, с одновременным снижением их стоимости за счет исключения необходимости поддержания малой величины межэлектродного зазора и применения эмиссионных материалов с более низкой стоимостью.
Указанная техническая задача решается тем, что на входе в межэлектродный зазор устанавливается сверхзвуковое (гиперзвуковое) щелевое сопло, выполненное из электронепроводящего материала, а на выходе из межэлектродного зазора устанавливается сверхзвуковой щелевой диффузор, также выполненный из электронепроводящего материала. То есть выходное отверстие сверхзвукового щелевого сопла через межэлектродный зазор соединяется с входным отверстием сверхзвукового диффузора. Через сопло с большой сверхзвуковой скоростью выбрасывается рабочее тело, например инертные газы (смесь газов) или пары щелочных металлов типа цезия. При этом в сверхзвуковом (гиперзвуковом) щелевом сопле происходит преобразование внутренней энергии потока рабочего тела в кинетическую энергию потока рабочего тела. Энергия передается рабочему телу до попадания в сопло при помощи устройства передачи энергии потоку рабочего тела, например, при помощи источника тепловой энергии - нагревателя.
В этом случае при полете с гиперзвуковыми скоростями внешняя оболочка передней кромки крыла ГЛА нагревается до температур, при которых с эмиссионного слоя, нанесенного на ее внутреннюю поверхность, начинают эмитировать электроны. Внешняя оболочка и эмиссионный слой образуют катод. Одновременно поверхность эмиссионного слоя обдувается рабочим телом, например инертными газами (смесью газов) или парами щелочных металлов типа цезия, поступающих в зазор через сверхзвуковое (гиперзвуковое) щелевое сопло. Данные электроны эмиссии при взаимодействии с обтекающим эмиссионный слой сверхзвуковым (гиперзвуковым) потоком рабочего тела переносятся этим потоком на элемент, воспринимающий электроны - анод. По причине уноса электронов от эмитирующей поверхности рабочим телом, движущимся с большой сверхзвуковой (гиперзвуковой) скоростью, «ликвидируется» отрицательный пространственный заряд, наличие которого в зазоре препятствует дальнейшему протеканию процесса термоэлектронной эмиссии. Это повышает эффективность электронного охлаждения и термоэмиссионного преобразования. Поскольку электроны переносятся с катода на анод с большой скоростью (за короткий промежуток времени) в значительной степени за счет энергии сверхзвукового (гиперзвукового) потока рабочего тела, а не за счет энергии, полученной при нагреве катода, то данное устройство может быть реализовано при достаточно большой величине межэлектродного зазора, существенно превышающей величину межэлектродного зазора у аналога. Причем за данный короткий промежуток времени степень рассеяния энергии электронов мала, что в совокупности с увеличением плотности тока эмиссии при «ликвидации» пространственного отрицательного заряда повышает эффективность электронного охлаждения и термоэмиссионного преобразования. Отсутствие необходимости поддержания достаточно малой величины межэлектродного зазора приводит к тому, что существенно увеличивается надежность и долговечность заявляемого крыла по сравнению с аналогом.
Если диффузор выполняется из электропроводящего материала, а его поверхность, обращенная к потоку, покрывается слоем восприятия электронов, то такой диффузор также начинает воспринимать электроны из тормозящего сверхзвукового потока, то есть начинает выполнять функции анода. При увеличении межэлектродного зазора электроны эмиссии начинают восприниматься в большей степени диффузором, чем анодом. Тогда с учетом переноса электронов эмиссии сверхзвуковым потоком рабочего тела за промежуток времени, при котором энергия электронов эмиссии не успевает существенно рассеяться, термоэмиссионное преобразование зависит от скорости и плотности потока рабочего тела и практически не зависит от величины зазора. А значит, появляется возможность устанавливать больший зазор, что приводит к повышению надежности и долговечности заявляемого крыла, в том числе и при многоразовом использовании.
Кроме того, в случае, если рабочим телом является цезий, а эмиссионным слоем является вольфрам с ориентацией грани (110), то, осаждаясь на эмиссионной поверхности катода, атомы сверхзвукового (гиперзвукового) потока рабочего тела - цезия снижают работу выхода электронов из катода, выполненного из вольфрама с ориентацией грани (110), что также способствуют интенсификации термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.
Рабочим телом заявляемого крыла могут являться инертные газы, обладающие нулевым сродством к электрону, например аргон. Это позволяет осуществлять перенос электронов рабочим телом без образования отрицательных ионов.
Движение рабочего тела в заявляемом крыле организовывается по принципу замкнутой сверхзвуковой аэродинамической трубы непрерывного действия (см., например, стр. 12 Аэродинамические трубы больших скоростей: пер. с англ. / А. Поуп, К.Л. Гойн. - М.: Мир, 1968, - 504 с.). Для передачи энергии потоку рабочего тела используется устройство передачи энергии потока рабочего тела, например нагреватель. Для подачи газа из бака предназначен специальный клапан. Также на замкнутом контуре движения рабочего тела устанавливается обратный клапан, предназначенный для организации движения рабочего тела от диффузора к соплу и предотвращающий движение рабочего тела к диффузору при поступлении рабочего тела из бака в трубопровод в начале функционирования устройства крыла в условиях аэродинамического нагрева.
В трубопроводе на участке между диффузором и устройством передачи энергии потоку рабочего тела устанавливается вспомогательный анод, который может быть выполнен в виде сетки, предназначенный для восприятия оставшихся в потоке электронов эмиссии. Вспомогательный анод электрически последовательно через электрическую нагрузку связан с катодом (внешней оболочкой и эмиссионным слоем). Далее электроны от анода направляются на бортовой автономный потребитель энергии, где, совершая полезную работу, охлаждаются. После потребителя электрической энергии «остывшие» электроны возвращаются на катод, и цикл термоэмиссионного преобразования повторяется заново.
Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является повышение надежности и долговечности крыла ГЛА и других элементов конструкции ГЛА, в том числе крупногабаритных многоразовых ГЛА.
Это достигается за счет того, что электроны от катода переносятся на анод потоком рабочего тела, например цезия или аргона, движущегося со сверхзвуковой (гиперзвуковой) скоростью, что приводит к отсутствию необходимости поддержания малой величины зазора между электродами. Причем это происходит за малый промежуток времени, за который энергия электронов, полученная при нагреве катода, не успевает существенно рассеяться. При этом сверхзвуковой поток рабочего тела интенсивно «ликвидирует» отрицательный пространственный заряд над эмиссионным слоем, устраняя тем самым препятствие для дальнейшей термоэмиссии электронов. Кроме того, появляется возможность исключить использование дистанциаторов, что приводит к увеличению площади эмиссии (электронного охлаждении) при той же площади поверхности катода (эмиссионного слоя).
В заявляемом крыле катод и анод могут иметь любую форму профиля. Для снижения нагрева щелевое сверхзвуковое сопло и диффузор можно снабдить специальными системами охлаждения.
На чертеже представлено заявляемое крыло.
6
2
6
Заявляемое крыло содержит в своем составе внешнюю оболочку 1 с нанесенным эмиссионным слоем 2, например вольфрамом с кристаллографической ориентацией грани (110), или LaB или TrO. Внешняя оболочка 1 предназначена для восприятия механических и тепловых нагрузок со стороны набегающего потока. Эмиссионный слой предназначен для обеспечения эмиссии электронов с внутренней поверхности внешней оболочки 1 при нагреве. Внешняя оболочка 1 и эмиссионный слой 2 представляют собой катод. Через зазор 3 от катода располагается анод, состоящий из слоя восприятия электронов 4 и токопроводящей подложки анода 5. Причем слой восприятия электронов 4, например ниобия, молибдена или вольфрама с ориентацией грани (110), или LaB, или TrO2, нанесен на поверхность токопроводящей подложки анода 5. Анод предназначен для восприятия электронов, эмитируемых с катода. Для поддержания направленного движения электронов от анода к катоду токопроводящая подложка анода 5 находится в тепловом контакте через слой электроизоляции 6 с охлаждающим элементом 7 системы терморегулирования, предназначенном для охлаждения анода в процессе функционирования заявляемого крыла в условиях его аэродинамического нагрева. Каналы 8 охлаждающего элемента 7 предназначены для циркуляции хладагента, например топлива. На входе в зазор 3 к катоду и аноду крепится щелевое сверхзвуковое (гиперзвуковое) сопло 9, предназначенное для подачи рабочего тела со сверхзвуковой (гиперзвуковой) скоростью в зазор 3 между катодом и анодом. Щелевое сверхзвуковое (гиперзвуковое) сопло 9 выполнено из электронепроводящего материала. На выходе из зазора 3 располагается сверхзвуковой диффузор 10, выполненный из электронепроводящего материала. Диффузор 10 предназначен для торможения потока до дозвуковой скорости и перенаправления его к устройству 11 передачи энергии потоку рабочего тела, например нагревателю, и далее на вход в щелевое сверхзвуковое сопло 9. Устройство 11 передачи энергии потоку рабочего тела предназначено для передачи энергии, например тепловой, потоку рабочего тела. Далее переданная потоку рабочего тела энергия в сверхзвуковом сопле преобразуется в кинетическую энергию потока. В выходном отверстии трубопровода, отходящего от диффузора 10, расположен вспомогательный анод-сетка 12 из электропроводящего материала, покрытый слоем восприятия электронов, электрически связанный с токовыводом 13 анода. Вспомогательный анод-сетка 12 предназначен для восприятия оставшихся в потоке электронов эмиссии из заторможенного дозвукового потока. Токовывод 13 анода предназначен для отвода электронов от анода и электрически последовательно через вспомогательный анод-сетку 12 и электрическую нагрузку 14 связан с внешней оболочкой 1 и эмиссионным слоем 2, образуя тем самым электрическую цепь. К выходному отверстию диффузора 10 со вспомогательным анодом-сеткой 12 крепится выводной трубопровод 15, предназначенный для отвода рабочего тела от диффузора 10 к устройству 11 передачи энергии потоку рабочего тела и от устройства 11 передачи энергии потоку рабочего тела на вход в щелевое сверхзвуковое сопло 8. Изначально рабочее тело хранится в баке 16, что является исходным состоянием для заявляемого крыла. В трубопроводе, ведущем от бака 15, установлен клапан 17, предназначенный для предохранения преждевременного проникновения рабочего тела к устройству 11 передачи энергии потоку рабочего тела, если крыло находится в исходном состоянии. В момент начала работы заявляемого крыла клапан 17 открывается. На трубопроводе 15 между сверхзвуковым диффузором 10 и устройством 11 передачи энергии потоку рабочего тела, например нагревателю, располагается обратный клапан 18, предназначенный для предотвращения движения рабочего тела от устройства 11 передачи энергии потоку рабочего тела к диффузору 10 при работе заявляемого крыла. Анод (слой восприятия электронов 4 и токопроводящая подложка анода 5), электроизоляция анода 6 и охлаждающий элемент 7 с каналами 8 закрепляется на кронштейне 19.
Заявляемое крыло в условиях аэродинамического нагрева функционирует следующим образом.
При полете с гиперзвуковыми скоростями внешняя оболочка 1 и эмиссионный слой 2 (катод) нагреваются до температур, при которых с эмиссионного слоя 2 начинают эмитировать «горячие» электроны. Одновременно открывается клапан 17, после чего из бака 16 к устройству 11 передачи энергии потоку рабочего тела под давлением начинает поступать рабочее тело. После поступления рабочего тела в трубопровод 15 клапан 17 закрывается, замыкая тем самым контур движения рабочего тела и препятствуя поступлению рабочего тела обратно в бак 16. При этом движению жидкости от устройства 11 передачи энергии потоку рабочего тела к диффузору препятствует обратный клапан 18. От устройства 11 передачи энергии потоку рабочего тела рабочее тело с увеличенной энергией потока поступает в щелевое сверхзвуковое сопло 9. В щелевом сверхзвуковом сопле 9 рабочее тело разгоняется до сверхзвуковых (гиперзвуковых) скоростей и поступает в зазор 3 между катодом и анодом. Давление в потоке и его скорость подбираются таким образом, чтобы обеспечить переход электронов эмиссии с катода на анод с минимальными потерями энергии электронов. При движении в зазоре 3 сверхзвуковой поток рабочего тела сносит электроны в направлении его движения. Таким образом, «ликвидируется» отрицательный пространственный заряд электронов, что существенно увеличивает плотность тока эмиссии с эмиссионного слоя 2, а значит и плотность тепловых потоков электронного охлаждения внешней оболочки 1.
Ввиду того, что электроны переносятся с катода на анод сверхзвуковым потоком рабочего тела за малый промежуток времени, за который рассеяние энергии электронов, полученной при нагреве катода, минимально, то существенно снижается зависимость электронного охлаждения и термоэмиссионного преобразования от величины межэлектродного зазора. То есть при увеличении зазора время перехода электронов с катода на анод посредством сверхзвукового потока практически не изменяется.
Если используется диффузор из электропроводящего материала, то переход электронов посредством сверхзвукового потока практически не зависит от величины зазора, а зависит от величины скорости и давления в потоке. При увеличении зазора доля электронов, воспринимаемых электропроводящим сверхзвуковым диффузором со слоем восприятия электронов, увеличивается по сравнению с долей электронов, воспринимаемых анодом. А значит, эмиссия электронов и тепловые потоки электронного охлаждения практически не зависят от величины зазора, а зависят главным образом от скорости и плотности сверхзвукового потока рабочего тела.
Указанные особенности заявляемого устройства крыла существенно увеличивают надежность и долговечность заявляемого крыла по сравнению с аналогом за счет наличия возможности функционирования крыла при большей величине межэлектродного зазора и независимости эмиссии электронов от формы рабочих поверхностей катода и анода.
Таким образом, посредством сверхзвукового потока рабочего тела в зазоре δ электроны попадают на анод. Часть энергии электронов идет на нагрев анода, а за счет остальной части электроны совершают полезную работу под нагрузкой в потребителе электрической энергии 16. От анода через слой электроизоляции 6 посредством охлаждающего элемента 7, в каналах 8 которого циркулирует хладагент, например топливо, отводится тепловая энергия, что обеспечивает направленное движение электронов от анода к катоду.
Попадая в диффузор 10, рабочее тело тормозится до дозвуковой скорости и через выходное отверстие диффузора 10 попадает в трубопровод 15. Вспомогательный анод-сетка 12, установленный на выходном отверстии диффузора 10, воспринимает оставшиеся электроны эмиссии. Электроны эмиссии от анода через токовывод 13 и вспомогательный анод-сетку 12 направляются к потребителю электрической энергии 14, где электроны эмиссии, совершая полезную работу, «остывают», а потом возвращаются в катод (внешнюю оболочку 1 и эмиссионный слой 2). При возвращении «остывших» электронов на катод рассмотренный цикл электронного охлаждения повторяется заново.
По трубопроводу 15 рабочее тело, проходя через обратный клапан 18, попадает в устройство 11 передачи энергии потоку рабочего тела, например нагреватель, и от него поступает в щелевое сверхзвуковое сопло 8, и цикл движения рабочего тела в заявляемом крыле повторяется заново.
Таким образом, осуществляется охлаждение внешней оболочки за счет эмиссии электронов и одновременно на борту генерируется электрическая энергия, которая является частью энергии топлива, затраченной на преодоление силы лобового сопротивления.
Благодаря новой совокупности существенных признаков решается поставленная задача и достигается указанный выше технический результат, который заключается в том, что повышается надежность и долговечность крыла большого удлинения крупногабаритного ГЛА в условиях его аэродинамического нагрева, в том числе и при многоразовом использовании. Это достигается тем, что в конструкции отсутствует необходимость поддержания постоянной достаточно малой величины межэлектродного расстояния. В этом случае перенос электронов эмиссии с катода на анод осуществляется посредством движения рабочего тела со сверхзвуковой скоростью. Причем данный перенос происходит за очень малый промежуток времени. За это время энергия электронов эмиссии, полученная при нагреве катода, не успевает существенно рассеяться при взаимодействии электронов эмиссии с атомами и молекулами движущегося с большой сверхзвуковой скоростью рабочего тела. При этом движущееся рабочее тело со сверхзвуковой скоростью осуществляет унос электронов эмиссии сверхзвуковым потоком рабочего тела от эмиссионной поверхности катода (эмиссионного слоя), что устраняет отрицательный пространственный заряд в зазоре, присутствие которого препятствует дальнейшей эмиссии. Это способствует поддержанию высокой плотности тока эмиссии и электронного охлаждения практически независимо от величины межэлектродного зазора и формы рабочих поверхностей электродов. Это обеспечивает поддержание более низких температур крыла при больших подводимых потоках аэродинамического нагрева. А минимальное рассеяние энергии электронов эмиссии при взаимодействии с набегающим сверхзвуковым потоком рабочего тела во время перехода с катода на анод одновременно с высоким уровнем электронного охлаждения приводит к получению на борту больших электрических мощностей, которые можно направить на работу бортовых спецсистем ГЛА, в том числе многоразовых и крупногабаритных.