ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ГЛА HIFIRE (США)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ГЛА HIFIRE (США)
В конкретной связи с разработкой проекта ГЛА Boeing X-51 по инициативе ВВС США в сотрудничестве с NASA и Силами обороны Австралии реализуется многоцелевая программка лётных испытаний HiFire, которая вначале называлась AFRL FRESH. Планируется экспериментально изучить главные гиперзвуковые технологии, сначала ГПВРД, в реальных критериях. По программке каждого полета будут заблаговременно проведены самые подробные численные расчеты и опыты в АДТ. Результаты летного опыта должны быть сопоставлены с этими данными для определения корреляционных зависимостей и поправок к результатам наземных испытаний в целях приближения их к действительности.

На реализацию программки выделено 56 млн долл., а к роли в ней привлечены 5 НИЦ NASA, многие институты Австралии и США, центр CUBRC, Объединенный технологический исследовательский центр, подразделение «Фантом Уокс» и др. США финансируют 5 полетов, Австралия — четыре, относительно десятого полета ясности пока нет. В основополагающих документах программка HiFire оценивается как уникальная возможность проведения базовых исследовательских работ в реальных критериях при применимых издержек на тесты. Программка предугадывает исследование последующих заморочек: переходные режимы в пограничном слое и вязко-невязкие взаимодействия; взаимодействие скачков уплотнения на кромках с пограничным слоем и аэродинамический нагрев; эффекты реального газа и химически неравновесные потоки; испарительное остывание; трехмерные отрывные течения (выхлопные струи); управление термическими потоками и сопротивлением при помощи магнитогидродинамических способов; пространственное обтекание корпуса, появление и взаимодействие скачков уплотнения меж собой и с пограничным слоем.

Летные тесты по программке HiFire на полигоне Вумера в Австралии должны были производиться наряду с испытаниями аппарата X-51 до 2012 г. включительно по 1-3 полета раз в год. В каждом полете планировались исследования 4 типов, обхватывающие в числе иных такие режимы, какие не могут быть воспроизведены в наземных критериях. Внедрение полигона Вумера связано с определенными ограничениями по срокам. Погодные условия для пуска аппарата HiFire оптимальны только два раза в год (март — апрель и октябрь — ноябрь). Этот широкомасштабный проект реализуется на базе опыта работы по программкам HyShot и HyCAUSE. Нужный груз при помощи двухступенчатого ускорителя «Террьер — Орион» выводится на высоту порядка 290 км, а потом заходит в атмосферу на режиме крутого пикирования, достигая расчетного числа М = 4-8. В процессе спуска производятся главные измерения. Сначала подразумевается получить данные, нужные для фуррора программки X-51. Вместе с этим создается надежная база данных для разработки многообещающих многоразовых носителей, разведывательных и ударных ГЛА, также тактического гиперзвукового орудия большой дальности.

Летные тесты разбиты на две группы: 1-ая — три тесты без силовой установки; 2-ая — семь с моделированием работы СУ. Каждый полет запланирован в четырех-пяти вариантах, чтоб избрать более накрепко реализуемый, животрепещущий и перспективный по результатам. Каждый полет уникален в смысле задач, методики и техники исследовательских работ, массы и конфигурации полезного груза — экспериментального модуля. Единственной общей для всех испытаний аппаратурой был должен быть компьютер для обработки инфы, как предполагалось, на базе компьютера PC104 компании «Тексас Инструментс». Но после полетов в рамках программ HyShot и HyCAUSE выявилась необходимость в более совершенном микропроцессоре, потому что часть принципиальной инфы не могла быть восстановлена. Данные, получаемые в полете, будут передаваться на наземные станции по трем каналам со скоростью 10 Мбайт/с. Каждый полет во всех качествах моделируется на земле. В текущее время расчетными и экспериментальными исследовательскими работами в АДТ и на щитах занято намного больше профессионалов, ежели конкретно в подготовке полетов. Ввиду использования стандартного ускорителя «Террьер — Орион» цена запуска несколько ниже, чем в летных испытаниях по другим программкам.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ГЛА HIFIRE (США)

Планируемые в полете экспериментальные исследования классифицированы по их значимости. Так, в первом полете предполагался один опыт главной значимости, три — второстепенной и один — третьестепенной. Последнее значит, что данная аппаратура испытывается на нерасчетных режимах, но, по последней мере, выявляется, применима ли она вообщем. К примеру, по условиям первого полета маловероятно появление плазмы, но соответственный датчик был смонтирован, чтоб уточнить ряд черт. Программка HiFire характеризуется как очень эластичная, допускающая включение новых технологий, хотя подготовка каждого полета занимает более 5 месяцев. 1-ый полет посвящался на сто процентов базовым исследованиям: переход ламинарного пограничного слоя на конусе в турбулентный; взаимодействие скачков уплотнения с пограничным слоем и их скрещение; детализированное исследование термических потоков и состояния конструкции; оптические измерения в потоке, моделирующем течение в воздухопоглотителе.

Головной компанией в подготовке и проведении второго полета является АТК; в экспериментальный модуль встраивается мини-ГПВРД с каналом, разработанным лабораторией AFRL и NASA. Управление третьим полетом принадлежит австралийской стороне; запланировано исследование рабочих черт ГПВРД. В четвертом пуске подразумевается свободный полет экспериментального модуля с целью тесты систем навигации и управления. В этом полете в особенности заинтересована компания «Боинг», так как модуль представляет собой волнолет. В 5-ом полете исследуется пространственное гиперзвуковое обтекание модуля в виде эллиптического конуса. В других полетах будет исследоваться работа ГПВРД, возможно, объединенного с корпусом волнолетного типа. Этот корпус не будет копировать корпус аппарата X-51, так как задачки программ SED-WR и HiFire все-же различные. Есть сведения, что результаты летных испытаний будут засекречены.

Необъятные расчетные и экспериментальные исследования в АДТ и на щитах имели целью определение хорошей конфигурации экспериментального модуля, типов и количества датчиков и размещения их на модуле, также подробное исследование тех процессов, которые подразумевается изучить в полете, чтоб в предстоящем ассоциировать и коррелировать летные данные и данные, приобретенные в АДТ, также критически оценить разные численные и эмпирические способы расчета. Экспериментальный модуль массой 105 кг сделан в виде осесимметричного корпуса: головной конус — цилиндр — усеченный конус (юбка) общей длиной 1.816 м (по другим данным, 2.5 м). Поперечник донного среза юбки равен 0.356 м, что соответствует поперечнику ускорителя «Орион». Длина ГЛА совместно с ускорителем составляет около 13 м. Нужный груз остается состыкованным со 2-ой ступенью ускорителя до самого конца полета. При входе в атмосферу активное управление по тангажу и наклону не предвидено, но ГЛА будет нацелен под необходимым углом тангажа методом выдува прохладного газа.

В связи с выбором сборки были проведены тесты моделей в АДТ с варьированием геометрических характеристик в широких границах, в том числе тесты натурного модуля в окончательном варианте. Угол полураствора носового конуса, созданного для исследования свободного перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, равен 7°, а радиус затупления носка — 2.5 мм. Затупление выбиралось с учетом тех суждений, что очень острый носок может оплавиться, а возрастание радиуса затупления содействует стабилизации течения в пограничном слое, т. е. переход может сместиться по сгустку за границы конуса.

Результаты трубных тестов по определению положения перехода на конусе с углом 7° и подходящим числом Re не могут быть конкретно отнесены к программке HiFire, так как в наземном опыте сильны воздействия акустических возмущений и адиабатического нагрева стен АДТ. Все же, по скрупулезным оценкам, в полете число Re перехода на конусе будет составлять приблизительно 6 x 10 (по расстоянию от носка конуса), а наибольшая температура носка -около 2000 K. Потому головной конус экспериментального модуля имеет цельный носок длиной около 0.1 м из сплава TZM (титан, цирконий, молибден) с точкой плавления 2800 К. Остальная часть конуса имеет дюралевую обшивку шириной 20 мм. По расчетам, на этой части наибольший нагрев добивается приблизительно 400 К на подъеме и около 475 К на спуске. Время для выполнения измерений не превзойдет 3-4 с. Чтоб при любом развитии обтекания получить данные по переходу в пограничном слое на гиперзвуковой скорости, на одной стороне конуса инсталлируются турбулизаторы. Угол наклона образующей усеченного конуса, включаемого в сборку для генерирования скачка уплотнения, избран равным 33° (сначала было 37°). По первому проекту модуль был составлен только из острого конуса и усеченного. Но численное моделирование показало, что отрывная зона может распространиться на носовой конус прямо до его середины, что может не позволить отдифференцировать переход в пограничном слое. Потому меж конусами вставлен цилиндр.

Особенный вопрос — чистота обработки поверхности. Показано, что на конусе на длине 0.1 м от носка очень допустимая шероховатость не превосходит 3 x 10 м, а среднеквадратичное значение наименее 10 м. По мере удаления от носка пограничный слой становится устойчивее, потому полностью достаточен эталон 8 x 10 м. Успехи в миниатюризации измерительной техники дозволили расположить в маленьком модуле 326 высокочувствительных датчиков с особенным быстродействием, фиксирующих значительно нелинейные и нестационарные свойства, в том числе слабенькие флуктуации давления и температуры. А именно, для измерения термических потоков употребляются коаксиальные термопары поперечником приблизительно 1.5 мм. Тесты снаряженного датчиками натурного модуля проведены в исследовательском центре CUBRC в АДТ LENS-1 с рабочей частью поперечником 2.44 м. Моделировались гиперзвуковые режимы (М = 6-8) на разных высотах в расчетных точках линии движения ГЛА. Вместе с измерениями производилась скоростная фотосъемка обтекания, визуализированного теневым способом. Результаты применены для оценки ряда способов расчета и критериев перехода; уточнены пределы применимости и способности усовершенствования. Броско, что лучшую сходимость с экспериментальными плодами нашел не какой-нибудь из численных способов, а полуэмпирический (Van Driest 2).

Линия движения полета аппарата HiFire поначалу была выбрана схожей полету аппарата HyShot 2, но позже была пересчитана. В момент входа в атмосферу скорость ГЛА соответствует числу М = 8. Если учитывать, что высота атмосферы около 80 км, становится разумеется, что только 1-ые и последние приблизительно 45 с полета проходят в ее границах — такой резерв времени для выполнения измерений. Потому в последующих испытаниях заместо обычной баллистической линии движения будет более пологий спуск, чтоб удлинить располагаемое время опыта. Решение этой задачки, очень затруднительное при запуске при помощи серийных ускорителей («выстрелил — забыл»), возложено на NASA. Расчеты зависимости очень достижимой высоты и дальности полета от массы полезного груза при запуске под разными углами к горизонту демонстрируют, что в среднем повышение массы груза на 18 кг приводит к понижению апогея приблизительно на 15 км, наибольшего числа М — на 0.25. Положение и ориентация ГЛА в полете (угол атаки, угол тангажа и т. п.) должны фиксироваться с наибольшей точностью для конкретного истолкования результатов измерений.

1-ый удачный полет по программке HiFire состоялся 22 марта 2010 г. Модуль массой 105 кг вошел в атмосферу со скоростью, соответственной числу М = 7.2. В реальности это был 2-ой полет. 1-ый в мае 2009 г. окончился неудачей: нужный груз пропал на высоте 25 км, по-видимому отклонившись от расчетной линии движения из-за неточного входа в атмосферу. Порядок проведения следующих полетов пересмотрен. В 2011 г. были запланированы 3-ий, 4-ый, 6-ой, восьмой и 5-ый полеты, в 2012 г. — седьмой и девятый. При всем этом 3-ий и седьмой полеты — на тихоокеанском военном полигоне США, семь полетов — на полигоне Вумера. Параллельно работе по адаптации ускорителей «Террьер — Орион» к первым летным испытаниям анализировались способности использования более сильной 2-ой ступени в пусках 2011-2012 гг. Министерство обороны США рассматривает программку HiFire как значимый вклад в стратегию объединения воздушного и галлактического пространств и перевоплощения военно-воздушных сил в аэрокосмические.

На 1-ый взор программка HiFire не связана с галлактическими полетами. Но результаты кропотливых и очень больших исследовательских работ течения в пограничном слое имеют большущее значение для сотворения всех КЛА, рассчитанных на вход в атмосферу, притом не только лишь Земли, да и других планет. Надежные экспериментальные данные по теплопередаче на ГЛА и по системам теплозащиты, сначала по их ресурсу, позволят перейти от эмпирического выбора материала и толщины теплозащитных покрытий к научно обоснованному. Проект HiFire должен быть доведен до шестого уровня готовности (TRL-6) — окончание испытаний макета в реальных критериях. На основании приобретенных результатов тактическая крылатая ракета с ГПВРД может быть готова к 2018 г. Более того, по воззрению профессионалов компании «Боинг», при соответствующем финансировании боевая гиперзвуковая ракета большой дальности (1000-1800 км), снаряженная ГПВРД, может быть спроектирована за 5-10 лет, самолет — за 10-20 лет, многоразовый экономный носитель для КЛА — за 15-30 лет.

В случае удачного выполнения описанной программки не исключается 2-ой шаг с проведением тестов по заданиям исследователей ФРГ, Италии и Стране восходящего солнца. А именно, итальянское агентство CIRA рассчитывает провести летные тесты беспилотного КЛА с маршевым числом М = 8, выдерживаемым в течение 15 с. Японские исследователи планируют тесты в реальных критериях многообещающего ГПВРД на скорости, соответственной М = 8.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий
SQL - 46 | 0,278 сек. | 12.5 МБ