Jet Integration with Airframe

13. Интеграция струи с планером (аэродинамическое взаимодействие)

При компоновке с BWB и TVC возникает сложное взаимодействие потоков от двигателей с аэродинамикой корпуса. Это как источник дополнительных возможностей (обдув, стабилизация), так и потенциальных проблем (нагрев, шум, вибрации). Разберём основные эффекты и как они учитываются:

• Полезное действие струи (jet-flap эффект): как обсуждалось, вытекающие реактивные струи вдоль задней кромки действуют подобно щелевым закрылкам, увеличивая эффективный угол атаки потока на крыле. Струя, истекая с большой скоростью, увлекает за собой окружающий воздух - создаётся зона повышенной скорости над крылом, давление там снижается, подъёмная сила возрастает[62]. Эксперименты показали, что прирост $C_{L}$может быть значителен (до +1.0 и более). В нашем проекте, как упомянуто, ожидаем $\Delta C_{L} \approx 0.5$на взлете. [27], что даёт ~20% больше подъёма при 120-150 км/ч. Стабилизирующий эффект: струи, огибающие крыло, также “прижимают” поток, откладывая наступление срыва. Это важно при граничных режимах - R4X может лететь под бóльшим углом атаки, сохраняя управляемость, чем без струй. На посадке поддув позволяет снизить минимальную безопасную скорость захода (target ~150 км/ч)[37]. Преимущества: раньше отрыв от земли, более пологая глиссада без сваливания, лучшая управляемость на низкой скорости за счёт того, что струи можно отклонять для создания моментов. Например, для компенсации крена можно немного сместить распределение тяги влево/вправо - фактически TVC работает как воздушный руль (см. раздел 14). Это особенно ценно при отказах - когда несимметричная тяга создаёт моменты, мы можем остальные двигатели поворотом мгновенно скомпенсировать[87][88].

Рис. 4 - Схема интеграции реактивных двигателей с планером

Figure 14: TBD. Not found as a captioned figure in the .docx text. Most likely a jet-integration / blown-lift / nozzle placement diagram.

• Опасные зоны струи (нагрузка и нагрев): струя реактивного двигателя - очень энергичный поток, потенциально способный повредить конструкцию. Прежде всего - термически. Как оценивалось выше, при соприкосновении струи с поверхностью крыла возможно нагрев до 150°C и выше. Для защиты, ключевые зоны (особенно на задней кромке, куда бьют струи задних двигателей) выполняются из термостойких материалов или имеют теплозащитные накладки. Возможно, понадобятся металлические панели на некоторых участках композита. В проекте заложены: покрытие кромок молибденовым стекловолокном (выдерживает >300°C), а также heat shield вокруг узлов крепления двигателя (в них сходятся горячие элементы). Далее - динамическая нагрузка: струя, ударяясь о поверхность, создает локальное давление. Например, при сопле 45° вниз часть потока упирается в крыло - сила может достигать 5-10% от тяги двигателя, то есть ~30 кН, распределённая на площадь ~5-10 м². Это дополнительная нагрузка на крыло, направленная вниз, фактически стремящаяся отжать крыло. Но когда крыло уже поднимается (взлёт), эта сила просто перераспределяет давление (немного снижает подъемную на этом участке). Конструкция учитывает такой реактивный напор: в зоне контакта установлены усиленные панели. При посадке похожий эффект: струя передних двигателей может отразиться от земли и ударить в нижнюю поверхность - нужно избегать слишком низкого положения сопел, чтобы струя не создавала “газовую подушку”. Поэтому отклонение >60° вниз на малой высоте нежелательно - система ограничит его, чтобы не было отскока потока от земли в двигатель (эффект suckdown & fountain).

• Влияние струи на другие системы: горячая струя может негативно влиять на стойки шасси (попадает ли она на шины?), на электронные датчики на поверхности (температура). По расположению видно: передние струи направлены назад - они могут попасть на основные стойки при 0° отклонении. Но при 0° они относительно прохладные (время крейсера), а при отклонении вниз - они уходят под крыло, мимо стоек. Задние струи - далеко позади шасси, так что шасси вне влияния. Датчики: основные датчики воздушного давления спереди, не в зоне струй. Температурные датчики будут, наоборот, использовать струи - например, предусмотрены сенсоры для измерения температуры струи для контроля режима (в полёте это частично можно использовать вместо штатных EGT, если они выйдут из строя). Шум: струи, особенно отклонённые, могут повысить шумовую нагрузку на окружение (двигатель и так шумен, а если струя взаимодействует с поверхностями, добавляется структурный шум). BWB имеет преимущество - задние двигатели экранированы сверху корпусом, поэтому шум вниз (на землю) уменьшается[89][90]. Передние двигатели наоборот, открыты, но они меньше и ближе к земле (немного компенсируется землей). Цель - добиться, чтобы суммарный шум при взлёте был не громче, чем у 4-двигательных самолетов типа A380. Применимы шумопоглощающие покрытия внутри воздухозаборников, зубцы на конструкции сопла (типа chevrons) для снижения турбулентного гула. В разделе 20 подробнее по шуму.

• Режимы и температурные лимиты: взаимодействие струи особенно критично на переходных режимах - взлёте и посадке. Поэтому для испытаний будут введены ограничения: например, не удерживать максимальную тягу при α >30°$ дольше 30 сек, не отклонять сопла вниз более 45° при высоте менее 5 м, и т.п. (см. раздел 24). Это предотвратит накопление тепла и чрезмерное воздействие на конструкцию. Также, для ранних испытаний могут вообще ограничить углы отклонения (например, до 20°), пока не будет уверенности в модели взаимодействия. В дальнейшем, может быть, удастся ослабить ограничения.

В заключение: интеграция силовой установки с несущим корпусом - смелое решение, но благодаря ему мы получаем существенные аэродинамические бонусы в STOL-режимах. Негативные аспекты (нагрев, шум, вибрация) признаются и будут адресованы через конструктивную защиту и программные ограничения. В процессе испытаний (раздел 26) планируется внимательно изучить взаимодействие струи с планером, в том числе с помощью скоростной видеосъёмки и датчиков на поверхности, чтобы откалибровать модели и удостовериться, что ничего не разрушительно.