Введение в авиационную и ракетную технику. (2)
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
А.А. Григорьев
ВВЕДЕНИЕ В АВИАЦИОННУЮ И РАКЕТНУЮ ТЕХНИКУ
2-е издание, переработанное и дополненное
Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации
по образованию в области авиации, ракетостроения и космоса в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений РФ, обучающихся по специальности 160700 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» и направлению подготовки бакалавров
160700 «Двигатели ЛА»
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2014
1
УДК 621.452.3.01(78) Г83
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В.Г. Августинович (ОАО «Авиадвигатель»);
д-р техн. наук, профессор Х.С. Гумеров (Уфимский государственный авиационный технический университет)
Григорьев, А.А.
Г83 Введение в авиационную и ракетную технику : учеб. пособие / А.А. Григорьев. – 2-е изд., перераб. и доп. – Пермь : Издво Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. – 176 с.
ISBN 978-5-398-01276-7
Изложены основы теории полета и конструкции летательных аппаратов различных типов, дана характеристика их силовых установок. Приведена краткая история развития авиационной и ракетнокосмической техники.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» и направлению подготовки бакалавров «Двигатели летательных аппаратов».
УДК 621.452.3.01(78)
ISBN 978-5-398-01276-7 |
© ПНИПУ, 2014 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. |
6 |
1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АВИАЦИИ.................... |
9 |
2. ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ............................................. |
32 |
2.1. Основы теории полета и управления ЛА.............................. |
32 |
2.1.1. Аэродинамические силы.............................................. |
32 |
2.1.2. Аэродинамические характеристики крыла................. |
34 |
2.1.3. Равновесие самолета..................................................... |
37 |
2.1.4. Устойчивость самолета................................................ |
38 |
2.1.5. Управление самолетом в полете................................. |
40 |
2.1.5.1. Обеспечениепродольнойуправляемостисамолета... |
40 |
2.1.5.2. Обеспечение путевой (по направлению) |
|
управляемости самолета........................................... |
42 |
2.1.5.3. Обеспечение поперечной (по крену) |
|
управляемости самолета........................................... |
43 |
2.1.5.4. Неустойчивый режим полета (штопор) .................. |
44 |
2.2. Основы конструкции самолета ............................................. |
45 |
2.2.1. Основные составные части самолета......................... |
45 |
2.2.1.1. Крыло ......................................................................... |
46 |
2.2.1.2. Фюзеляж..................................................................... |
49 |
2.2.1.3. Оперение.................................................................... |
50 |
2.2.1.4. Энергетическая система ЛА..................................... |
51 |
2.2.2. Классификация самолетов .......................................... |
52 |
2.2.2.1. Гражданские самолеты............................................. |
52 |
2.2.2.2. Военные самолеты.................................................... |
56 |
2.2.3. Самолеты нетрадиционных аэродинамических |
|
схем .............................................................................. |
63 |
2.2.3.1. Самолеты схемы «утка» ........................................... |
63 |
2.2.3.2. Самолеты схемы «бесхвостка» ................................ |
65 |
2.2.3.3. Самолеты с крылом обратной стреловидности...... |
68 |
2.2.4. ЛА различных типов.................................................... |
70 |
|
3 |
2.2.4.1. Экраноплан................................................................ |
70 |
2.2.4.2. Вертолет..................................................................... |
71 |
2.2.4.3. Автожир..................................................................... |
76 |
2.2.4.4. ЛА вертикального и короткого взлета |
|
и посадки................................................................... |
77 |
2.2.4.5. ЛА сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей |
|
полета......................................................................... |
80 |
2.2.4.6. Ракеты........................................................................ |
83 |
2.2.4.7. Космические летательные аппараты КЛА |
|
одноразового использования................................... |
87 |
3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ЛА.............................. |
96 |
3.1. Поршневые двигатели внутреннего сгорания |
|
как силовые установки ЛА.................................................... |
96 |
3.2. Классификация реактивных двигателей............................... |
98 |
3.3. Принцип работы турбореактивного двигателя (ТРД) ....... |
100 |
3.3.1. Преимущества ТРД перед поршневой СУ............... |
100 |
3.3.2. Принцип создания тяги ТРД...................................... |
101 |
3.3.3. Энергетические превращения и изменение |
|
параметров рабочего тела по тракту ТРД............... |
102 |
3.3.4. Вывод формулы для определения тяги ТРД............ |
105 |
3.4. Основные параметры ТРД.................................................... |
107 |
3.5. Области применения реактивных двигателей.................... |
108 |
3.6. История развития авиационных ВРД.................................. |
109 |
3.7. Идеальный цикл ТРД............................................................ |
114 |
3.7.1. Сущность второго закона термодинамики............... |
114 |
3.7.2. Условия и диаграммы идеального цикла.................. |
115 |
3.7.3. Работа идеального цикла............................................ |
116 |
3.7.4. Термический КПД идеального цикла....................... |
117 |
3.8. Характеристика ВРД различных типов............................... |
120 |
3.8.1. ТРД с дополнительным подогревом воздуха |
|
(ТРДФ)......................................................................... |
120 |
3.8.2. Двухвальный ТРД....................................................... |
122 |
3.8.3. Двухконтурный ТРД (ТРДД) ..................................... |
124 |
3.8.4. Турбовальные (ТВаД) и турбовинтовые (ТВД) |
|
двигатели...................................................................... |
127 |
4 |
|
3.8.5. Прямоточные ВРД (ПВРД) ........................................ |
133 |
3.8.6. Турбопрямоточные ВРД (ТПД) ................................. |
134 |
3.8.7. Двигатель изменяемого рабочего процесса.............. |
136 |
3.9. Наземное применение авиационных газотурбинных |
|
двигателей....................................................................... |
136 |
3.10. Топлива, применяемые в ВРД....................................... |
140 |
3.11. Ракетные двигатели (РД) ............................................... |
142 |
3.11.1. Классификация РД по источнику энергии ...... |
142 |
3.11.1.1. Создание тяги в химическом РД ................... |
143 |
3.11.1.2. Расходный комплекс РД................................. |
146 |
3.11.1.2. Тяговый комплекс РД.................................... |
149 |
3.11.2. Ракетные топлива............................................... |
150 |
3.11.2.1. Жидкие ракетные топлива (ЖРТ).................. |
150 |
3.11.2.2. Твердые ракетные топлива (ТРТ).................. |
155 |
3.11.3. Жидкостные РД (ЖРД)...................................... |
159 |
3.11.3.1. Классификация ЖРД...................................... |
159 |
3.11.3.2. Принципиальные схемы ЖРД ....................... |
160 |
3.11.3.3. Особенности конструкции ЖРД.................... |
164 |
3.11.4. Ракетный двигатель твердого топлива............. |
169 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................... |
175 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Авиация – широкое понятие, связанное с полетами в атмосфере аппаратов тяжелее воздуха.
Атмосфера Земли – это газовая (воздушная) среда вокруг Земли, которая вращается вместе с Землей как единое целое.
Нижней границей атмосферы служит поверхность Земли, верхняя ее граница точно не установлена. Условно за верхнюю границу принимают высоты 2000–3000 км, где плотность воздуха в 16·1017 раз меньше, чем у Земли.
Газовый состав атмосферы: азот (N2) ≈ 78 %; кислород (О2) ≈ ≈ 21 %; углекислый газ (СО2) 0,03 %; аргон (Ar); неон (Ne); гелий (He); водород (H).
В слое атмосферы на высоте от 0 до 100–110 км происходит сильное перемешивание газов, поэтому ее состав мало меняется, этот слой называется гомосферой (от греч. homos – равный, одина-
ковый) или турбосферой.
Выше, в гетеросфере (от греч. heteros – другой), химический состав атмосферы изменяется. До высоты 400–600 км сохраняется азотно-кислородный состав атмосферы, однако начиная с высот 110–120 км практически весь кислород находится в атомарном состоянии, появляется также атомарный азот. Далее до высоты около 1600 км в атмосфере преобладает гелий, а с высоты около 3000 км – водород. Так постепенно атмосфера Земли переходит в межзвездный газ, состоящий из водорода (≈76 мас. %) и гелия
(≈23 мас. %).
Во всем диапазоне увеличения высоты Н уменьшаются плотность ρв и давление рв воздуха. Основная масса воздуха (90 %) сосредоточена в слое до высоты 30 км.
По характеру изменения с высотой температуры воздуха Тв атмосфера делится на несколько слоев (рис. В.1): тропосфера, стратосфера, мезосфера и термосфера.
6
Тропосфера (≈0–11 км), |
|
||||
в которой |
сосредоточено |
|
|||
до 79 % всей массы атмо- |
|
||||
сферы. Для нее характерны |
|
||||
очень интенсивное верти- |
|
||||
кальное |
перемешивание |
|
|||
воздуха, ветры, облачность, |
|
||||
выпадение осадков. Серь- |
|
||||
езную опасность для поле- |
|
||||
тов самолета представляют |
|
||||
такие атмосферные |
явле- |
|
|||
ния в тропосфере, как об- |
|
||||
леденение, грозы, порыви- |
|
||||
стые ветры, пыльные бури, |
|
||||
которые |
могут |
вызывать |
Рис. В.1. Деление атмосферы по характе- |
||
«болтанку» |
или |
опасные |
|||
вибрации |
|
самолета, |
соз- |
ру изменения температуры |
|
|
|
дать «перегрузки», нарушить балансировку, устойчивость, управляемость. Особенно опасны возникающие на высоте 8–10 км струйные течения, представляющие собой ураганные ветры со скоростью 30–100 км/ч. Для коротковолнового излучения Солнца атмосфера «прозрачна», поэтому основная доля солнечной радиации поглощается поверхностью Земли. В тропосфере воздух нагревается за счет тепла от поверхности Земли, поэтому с увеличением Н температура воздуха Тв снижается (см. рис. В.1).
Стратосфера (≈11–55 км). Температура воздуха до высоты 25–30 км почти постоянная и равна –56,5 °С, затем повышается на 1–2 °С на каждый километр и на верхней границе стратосферы становится положительной. На высотах более 10 и до 50 км кислород О2, поглощая ультрафиолетовую (УФ) радиацию, диссоциирует (распадается) на атомарный кислород О, который, взаимодействуя с О2, образует озон О3. Максимальная концентрация озона наблюдается на высотах 25–28 км в стратосфере. В слое атмосферы от 10 до 50 км в значительной степени поглощается УФ часть солнечного спектра, губительная для биологических форм жизни
7
на Земле. УФ солнечная радиация является главным фактором нагревания воздуха в стратосфере (см. рис. В.1).
Мезосфера (≈55–85 км), в которой при увеличении Н уменьшается Тв, достигающая на верхней границе –75 °С.
Термосфера (≈85–800 км). С увеличением Н увеличивается Тв. На высоте 150 км температура воздуха равна 220–240 °С, на высоте 200 км температура более 500 °С. Так как плотность воздуха в термосфере очень мала, то высокие температуры не могут вызвать нагревание находящегося там тела.
Границы между слоями меняются в зависимости от времени
иместа и представляют собой переходные слои толщиной от нескольких сот метров до нескольких километров. Переходные слои носят названия: тропопауза, стратопауза, мезопауза (см. рис. В.1).
Современная авиация освоила слой атмосферы 0–30 км.
Вдиапазоне высот от 0 до 1 км наблюдается явление турбулентности атмосферы (беспорядочное изменение Тв и рв, скорости
инаправления ветра), что может вызвать «болтанку» летательного аппарата (ЛА).
Космическое пространство представляет собой очень разряженную газовую среду, доступную только космическим аппаратам.
Экзосфера – сфера рассеяния расположена выше 800 км и мало изучена. Температура возрастает до 2000 °С, при этом скорости частиц газов достигают 12 км/с, и некоторая их часть уходит из поля земного притяжения.
8
1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АВИАЦИИ
Появлению ЛА тяжелее воздуха предшествовали ЛА легче воздуха, использующие для полета аэростатическую подъемную силу, механизм образования которой был открыт Архимедом еще в III веке до нашей эры. Закон Архимеда гласит: «На всякое тело, погруженное в жидкость (газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости (газа)».
Первые воздушные шары появились в 1783 году: тепловой аэростат монгольфьер, построенный французами братьями Монгольфье (рис. 1.1, а); водородный шар-аэростат, построенный французом Ж. Шарлем (рис. 1.1, б).
В 1852 году совершил первый полет управляемый аэростат – дирижабль француза А. Жиффара (рис. 1.1, в).
а |
б |
в |
Рис. 1.1. Аэростаты: а – тепловой аэростат братьев Монгольфье;
б– водородный шар-аэростат Ж. Шарлье;
в– управляемый дирижабль А. Жиффара
Тепловые аэростаты – монгольфьеры были надолго забыты и только в наше время, на новом техническом уровне они получили второе рождение. Тепловой аэростат состоит из открытой снизу оболочки, к которой крепится гондола с экипажем. Для нагрева воздуха в газовой горелке сжигается пропан, хранящийся в жидком состоянии в баллонах. Управление высотой полета производится изменением температуры воздуха в оболочке путем регулирования газовой горелки.
9
Первые схемы ЛА тяжелее воздуха – мускулолеты с вращающимися винтовыми поверхностями – винт Архимеда (рис. 1.2, а)
имашущими крыльями (рис. 1.2, б) были предложены еще Леонардо да Винчи в 1475 году.
В1754 году Михаил Васильевич Ломоносов построил модель вертолета с соосно расположенными воздушными винтами и пружинным приводом (рис. 1.2, в), доказав возможность получения подъемной силы подобным образом.
В1799 году Дж. Кейли предложил ЛА с неподвижным крылом
исделал первый планер для полета человека. В 1883 году А.Ф. Можайский в России построил самолет с приводимыми паровыми двигателями воздушными винтами (ВВ), но его ЛА не смог самостоятельно оторваться от земли.
а |
б |
в |
Рис. 1.2. Проекты первых ЛА тяжелее воздуха: а, б – мускулолеты Леонардо да Винчи; в – аэродинамическая машина М.В. Ломоносова
Уилбер Райт |
Орвил Райт |
10