웨이브라이더

Waverider
그 외의 용도는, 「웨이버라이더」(동음이의)를 참조해 주세요.
보잉 X-51의 앞부분은 원추형 웨이브라이더의 한 예입니다.
CASIC의 Chinese Project 0901 Flying Vehicle은 웨이브라이더의 또 다른 구성을 보여줍니다.
1993년 모스크바 MAKS 에어쇼에서 공개된 소련/러시아 아야크 항공기의 소형 모델.현재 개발 중입니다.

웨이브라이더는 자체 비행에 의해 발생하는 충격파를 양력면으로 사용함으로써 초음속 양력 대 드래그 비율을 향상시키는 극초음속 항공기 설계로, 압축 양력으로 알려진 현상이다.

웨이브라이더는 마하 5 이상의 극초음속 시스템에서 고속 항공기에 대해 잘 연구된 설계로 남아 있지만, 그러한 설계는 아직 생산에 들어가지 않았다.보잉 X-51A 스크램젯 시험기는 2010년부터 2013년까지 시험되었다.마지막 시험 비행에서, 그것은 마하 5.1 (5,400 km/h; 3,400 mph)[1][2]의 속도에 도달했다.

역사

초기 작업

웨이브라이더 디자인 컨셉은 벨파스트 퀸스 대학의 테렌스 논와일러에 의해 처음 개발되었으며 1951년 재진입 [3]차량으로 인쇄에 처음 기술되었다.그것은 재진입의 열을 방출하기 위해 상당한 표면적을 제공하기 위해 낮은 날개 하중을 가진 델타 날개 플랫폼으로 구성되었다.당시 Nonweiler는 항공기 주변의 공기 흐름을 매우 단순화한 2D 모델을 사용해야만 했는데, 그는 날개를 가로지르는 스팬스페이스 흐름 때문에 정확하지 않을 것이라고 생각했습니다.그러나 그는 또한 항공기에 의해 발생하는 충격파에 의해 스팬스 유량이 중단될 것이며, 날개가 의도적으로 충격에 접근하도록 배치될 경우 스팬스 유량이 날개 아래에 갇히게 되어 압력이 증가하여 양력이 증가한다는 것을 알아차렸다.

1950년대에 영국은 블루스트릭 미사일을 기반으로 우주 프로그램을 시작했는데, 이 미사일은 어느 순간 유인 우주선을 포함시켰다.암스트롱-화이트워스는 재진입 우주선을 개발하기로 계약되었고, 미국의 우주 프로그램과 달리 그들은 탄도 캡슐 대신 날개가 달린 우주선을 사용하기로 결정했다.1957년과 1959년 사이에 그들은 논와일러의 개념을 더 발전시키기 위해 계약했다.이 작품은 아래가 평평하고 날개가 짧은 피라미드 모양의 디자인을 만들어냈다.열은 날개를 통해 상층 서늘한 표면으로 전달되어 날개 꼭대기의 난기류 공기로 방출되었다.1960년, 이 미사일이 사용되기 전에 구식이 된 것으로 보여 블루스트릭에 대한 작업이 취소되었다.그 후 작업은 Royal Aircraft Assistment (RAE)로 옮겨져 고속 (Mach 4에서 7까지의) 민간 [4]여객기에 대한 연구 프로그램으로 계속되었다.

이 작업은 North American Aviation의 엔지니어들에 의해 XB-70 폭격기의 초기 설계 연구 중에 발견되었습니다.그들은 항공기 전면에서 발생하는 충격 원뿔을 사용하는 대신 기계적으로 충격파를 가둬두기 위해 축 처진 날개 끝을 포함하도록 원래의 "고전적인" 델타 날개를 재설계했다.이 메커니즘은 또한 두 가지 다른 유익한 효과를 가져왔다. 즉, 항공기 후면의 수평 리프팅 표면의 양을 감소시켜 고속에서 발생하는 노즈다운 트림을 상쇄하고, 더 많은 수직 표면을 추가하여 고속에서 [citation needed]방향 안정성을 향상시켰다.

캐럿 윙

논와일러의 원래 설계는 날개 울타리와 같은 방식으로 날개 아래에 갇힌 공기의 양을 증가시키는 방법으로 항공기에서 발생하는 충격파를 사용했다.이러한 컨셉을 작업하는 동안, 그는 날개의 앞쪽 가장자리에서 발생하는 충격파가 비행체 아래에 수평 시트를 형성하도록 날개를 형성하는 것이 가능하다는 것을 알게 되었다.이 경우 에어플로우는 수평, 스팬스페이스뿐만 아니라 수직으로도 갇힙니다.충격파 위의 공기가 빠져나갈 수 있는 유일한 영역은 동체가 끝나는 시트 뒷면일 것이다.공기가 이 시트와 동체 사이에 갇혀 있기 때문에, 그가 처음 개발한 보다 더 기본적인 접근법보다 훨씬 더 많은 양의 공기가 갇혀 있을 것이다.또 충격면이 비행체와 떨어져 있어 날개 앞부분에만 충격난방이 제한돼 동체에 가해지는 열부하를 낮췄다.

1962년 논와일러는 글래스고 대학교로 옮겨 공기역학 및 유체역학 교수가 되었습니다.그 해, 「정확한 충격파 이론에 따르는 모양의 델타 날개」가 영국 항공 학회지에 의해 출판되어 사회의 금메달을 획득했습니다.이 모델을 사용하여 만들어진 기종은 중앙을 무너뜨리고 양면이 아래로 접힌 삼각주 날개처럼 보입니다.뒷면에서는 거꾸로 된 V처럼 보이거나 "carett", ^, 이러한 디자인을 "carett 날개"라고 합니다.2-3년 후, 이 개념은 RAE에서의 여객기 작업으로 인해 90분 이내에 호주에 도착할 수 있을 것으로 예상되었기 때문에 잠시 동안 대중의 주목을 받게 되었습니다.신문기사가 스코틀랜드 [citation needed]텔레비전에 출연하게 되었다.

호커 시들리는 1960년대 후반에 3단 달 로켓 디자인의 일부로 캐럿 윙 웨이브라이더를 조사했다.첫 번째 단계는 확장된 Blue Steel, 두 번째 단계는 웨이브라이더, 세 번째 단계는 원자력 발전 유인 무대입니다.이 작업은 1971년 2단계 재사용 우주선을 만들기 위해 일반화되었다.길이 121피트(37m)의 이 첫 번째 무대는 고전적인 웨이브라이더로 설계되었으며, 발사 지점으로 돌아가기 위한 공기 호흡 추진력을 갖추고 있다.상단은 리프팅 본체로 설계되었으며, 8000파운드(3.6t)의 적재물을 지구 저궤도로 [citation needed]운반했을 것이다.

원추형 흐름 웨이브라이더

Nonweiler의 연구는 3D 물체 주변의 실제 충격 패턴을 이해하고 예측하는 데 어려움이 있기 때문에 평면 2D 충격에 대한 연구를 기반으로 했습니다.극초음속 흐름에 대한 연구가 개선됨에 따라, 연구자들은 다양한 충격파 형태를 사용하는 웨이브라이더 설계를 연구할 수 있었으며, 가장 간단한 것은 원뿔에 의해 발생하는 원추형 충격이다.이 경우 웨이버는 평평한 시트가 아닌 날개에 둥근 충격파를 부착하도록 설계돼 있어 표면 아래에 갇힌 공기의 부피를 증가시켜 [5]양력을 증가시킨다.

캐럿 윙과 달리 원뿔 플로우 디자인은 중앙의 거의 수평에서 충격과 맞닿아 높은 축으로 날개를 부드럽게 구부립니다.캐럿 날개와 마찬가지로 충격파를 날개 끝에 적절히 부착하기 위해 특정 속도로 작동하도록 설계해야 하지만, 그것들과는 달리 전체 몸매가 설계 속도에 따라 극적으로 변화할 수 있고, 때로는 충격파에 [citation needed]부착하기 위해 위로 휘어지는 날개 끝이 있다.

캐노피와 동체 영역을 더한 원추형 단면이 더욱 발전하면서, "오스크레이팅 원추형 웨이브라이더"가 생겨났고, 이 웨이브는 신체의 다른 지점에서 여러 원추형 충격파를 발생시켜 단일 형태의 충격을 만들어냈다.압축 표면 흐름의 범위가 넓어짐에 따라 웨이브라이더가 볼륨,[5] 상부 표면 형상, 엔진 통합 및 압력 중심 위치를 제어할 수 있게 되었습니다.성능 향상과 설계 외 분석은 [6][7]1970년까지 계속되었습니다.

이 기간 동안 적어도 한 대의 웨이브라이더가 공중 발사된 블루 스틸 미사일의 코에 장착된 우메라 로켓 사거리에서 시험되었고, 다수의 기체 프레임이 NASA의 에임스 연구 센터의 풍동에서 시험되었다.그러나 1970년대 극초음파 연구는 대부분 사라졌고 이에 [citation needed]따라 흔들림도 사라졌습니다.

비스코스 최적화 웨이브레이더

초음속 비행과 극초음속 비행의 많은 차이점 중 하나는 경계층과 항공기 노즈에서 발생하는 충격파의 상호작용에 관한 것이다.일반적으로 경계층은 날개 위 기류의 유선형에 비해 상당히 얇으며 다른 공기역학 효과와는 별도로 고려할 수 있다.그러나 속도가 빨라지고 충격파가 점점 더 비행체 측면에 접근함에 따라 두 사람이 상호작용을 시작하고 흐름장이 매우 복잡해지는 지점이 온다.그 훨씬 전에 경계층은 충격파와 동체 사이에 갇힌 공기, 즉 웨이브라이더로 들어올리기 위해 사용되는 공기와 상호작용하기 시작합니다.

이러한 상호작용의 영향을 계산하는 것은 1980년대부터 유용한 컴퓨터 유체 역학이 도입되기 전까지는 공기역학 능력의 한계를 넘어섰습니다.1981년 오클라호마 대학의 모리스 라스무센은 이러한 기술을 사용하여 새로운 3D 밑면 모양에 대한 논문을 발표함으로써 웨이브라이더 르네상스를 시작했습니다.이러한 모양은 리프팅 성능이 뛰어나고 항력이 적습니다.그 이후로, 콘에서 파생된 웨이브레이의 전체 제품군은 보다 복잡한 소프트웨어에 기초하여 점점 더 복잡한 원추형 충격을 사용하여 설계되었습니다.이 작업은 결국 1989년 메릴랜드 대학에서 열린 제1회 국제 극초음속 웨이브라이더 회의로 이어졌다.

이러한 최신 형태인 "점점 최적화된 웨이브레이더"는 코에 가해지는 충격파의 각도가 예를 들어 마하 6 디자인의 경우 약 14도 정도로 임계각을 벗어난다면 원뿔형 디자인과 유사해 보입니다.충격 각도는 코를 특정 반지름의 곡선 판으로 넓혀 조정할 수 있으며, 반경을 줄이면 충격 원뿔 각도가 작아집니다.차량 설계는 주어진 각도를 선택한 다음 해당 각도를 가두는 차체 형태를 개발한 다음 다른 각도에 대해 이 과정을 반복합니다.주어진 속도에서 하나의 도형으로 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.

설계.

재진입 시 극초음속 차량은 동체 하부에서만 양력을 발생시킨다.하부는 높은 공격 각도로 흐름에 기울어져 있으며, 차량이 아래쪽으로 기류를 끼우는 것에 반응하여 양력을 생성합니다.리프트의 양은 기존 날개와 비교하여 특별히 높지 않지만, 차량이 커버하는 거리를 고려할 때 기동하기에 충분합니다.

대부분의 재진입 차량은 테오도르 폰 카만(Thodore von Karrmann)[citation needed]이 개척한 둔기 재진입 설계에 기초하고 있습니다.그는 충격파가 곡면에서 강제로 "분리"되어 형성하는데 상당한 에너지가 필요한 더 큰 구성으로 밀려난다는 것을 시연했다.이 충격파를 형성하는 데 소비되는 에너지는 더 이상 열로 사용할 수 없기 때문에, 이 모양은 우주선에 가해지는 열 부하를 극적으로 줄일 수 있습니다.그러한 디자인은 초기 ICBM 탄두의 뭉툭한 코, 다양한 NASA 캡슐의 바닥, 그리고 우주 왕복선의 큰 코에서 발견된 이후 [citation needed]거의 모든 재진입 비행체의 기초가 되었다.

무딘 코 시스템의 문제는 결과적으로 발생하는 리프트가 매우 적다는 점이며, 이는 재진입 시 차량이 조작하는 데 문제가 있다는 것을 의미합니다.만약 우주선이 "명령 하에" 발사 지점으로 돌아갈 수 있다면, 지구가 우주선 아래에서 비행하면서 회전하고 있다는 사실에 대항하기 위한 모종의 공작이 필요할 것이다.지구 저궤도를 한 바퀴 돌고 나면 발사 지점은 우주선이 한 바퀴를 완주할 때쯤이면 우주선의 동쪽으로 1,000km 이상 떨어져 있을 것이다.상당량의 연구가 무딘 코 시스템과 날개를 결합하는 데 전념하여 미국에서 [citation needed]리프팅 바디 디자인을 개발하게 되었다.

Nonweiler가 웨이브라이더를 개발한 것은 이러한 디자인 중 하나였습니다.그는 암스트롱-화이트워스 설계의 날개의 둔탁한 끝부분에서 충격파가 분리되면 비행체 바닥의 공기가 스팬스페이스로 흘러들어 앞부분과 분리된 충격파 사이의 틈을 통해 날개 윗부분으로 빠져나갈 수 있다는 것을 알아챘다.이 에어플로우 손실은 웨이브라이더에 의해 발생하는 리프트를 (최대 4분의 1까지) 감소시켜 이 문제를 회피하고 날개 아래에 흐름을 가두는 방법에 대한 연구로 이어졌습니다.

Nonweiler의 디자인은 어느 정도 음의 이면체를 가진 델타 윙입니다.날개는 동체에서 끝을 향해 구부러져 있습니다.전면에서 보면 날개의 단면이 캐럿 기호()Arial caret.svg와 비슷하며, 이러한 디자인을 케어트라고 합니다.보다 현대적인 3D 버전은 일반적으로 둥근 문자 'M'처럼 보입니다.이론적으로, "+" 또는 "×"의 전면 단면을 가진 별 모양의[clarification needed] 웨이브라이더는 항력을 20% 더 줄일 수 있습니다.이 설계의 단점은 충격파와 접촉하는 면적이 넓어 열방산 문제가 더 뚜렷하다는 것입니다.

웨이브라이더는 일반적으로 날개에 날카로운 코와 날카로운 앞부분을 가지고 있다.하부 충격 표면은 여기에 부착된 상태로 유지됩니다.충격면을 통해 유입되는 공기는 충격과 동체 사이에 갇혀 동체 뒤쪽에서만 빠져나갈 수 있다.날카로운 가장자리로 모든 리프트가 유지됩니다.

비록 날카로운 가장자리가 같은 공기 밀도에서 둥근 모서리보다 훨씬 더 뜨거워지지만, 향상된 리프트는 공기 밀도가 낮은 훨씬 높은 고도에서 재진입 시 활공할 수 있음을 의미합니다.기체에 가해지는 발열 순서에 따라 다양한 우주선을 순위를 매긴 목록에는 상단에 캡슐이 있고(매우 높은 발열 부하로 빠르게 재진입), 하단에 웨이브이더(높은 고도에서 매우 긴 활공 프로필), 중앙 어딘가에 우주왕복선이 있을 것이다.

단순한 웨이브레이더에는 상당한 설계상의 문제가 있습니다.첫째, 명백한 설계는 특정 마하 수치에서만 작동하며, 차량의 속도가 변화함에 따라 포착되는 리프트의 양이 극적으로 변화한다.또 다른 문제는 웨이브라이더가 차량이 높은 고도에서 대부분의 시간을 보내는 한 복사 냉각에 의존한다는 것입니다.그러나 이러한 고도는 또한 희박한 공기에서 필요한 양력을 발생시키기 위해 매우 큰 날개를 필요로 하며, 낮은 고도와 속도에서는 같은 날개가 다소 다루기 어려워질 수 있다.

이러한 문제들 때문에 웨이버는 항공 화물을 운반하기에 충분히 효율적인 장거리 극초음속 차량을 만들 수 있음에도 불구하고 실용적인 공기역학적 설계자들에게 호감을 얻지 못하고 있습니다.

일부[citation needed] 연구자들은[who?] 이러한 문제를 극복할 수 있는 디자인이 있다고 논쟁적으로 주장한다.다속 웨이브라이더의 후보 중 하나는 다양한 공격 각도로 작동하는 "카레트 윙"입니다.캐럿 윙은 세로 원뿔형 또는 삼각형의 슬롯 또는 스트레이크가 있는 델타 윙입니다.그것은 종이비행기나 부갈로 날개와 매우 흡사하다.정확한 공격 각도는 마하 수치가 높을수록 정확해지지만 이론적으로는 해결할 수 있는 제어 문제입니다.날개는 양력을 유지하면서 항력을 줄이기 때문에 타이트 메쉬로 제작할 수 있다면 성능이 더 우수하다고 한다.이러한 날개는 다양한 레이놀즈 수에서 다양한 유체에서 광범위한 마하 수로 작동한다는 특이한 속성을 가지고 있다고 합니다.

온도 문제는 표면 증산, 외래 물질 및 열 파이프의 조합을 통해 해결할 수 있습니다.증산 표면에서는 물과 같은 소량의 냉각수가 항공기 피부에 있는 작은 구멍을 통해 펌핑됩니다(증산 및 땀 참조).이 설계는 마하 25 우주선 재진입 실드에 적용되므로 냉각수의 중량을 운반할 수 있는 모든 항공기에 적용되어야 한다.탄소-탄소 복합체 같은 외래 물질은 열을 전도하지 않고 견디지만 잘 부서지는 경향이 있다.히트파이프는 현재 널리 사용되지 않는다.기존의 열교환기처럼 대부분의 고체 물질보다 열을 잘 전달하지만, 열시폰처럼 수동적으로 펌핑됩니다.보잉 X-51A는 텅스텐 노세콘과 우주왕복선식 차열 타일을 사용하여 외부 난방을 처리합니다.내부(엔진) 가열은 [8]연소 전에 JP-7 연료를 냉각수로 사용하여 흡수됩니다.SHARP 재료(일반적으로 지르코늄 이보라이드 및 하프늄 이보라이드)로 불리는 다른 고온 재료는 1970년대부터 ICBM 재진입 차량의 조향 베인에 사용되었으며 극초음속 차량에 사용하도록 제안되었다.그들은 100,000 피트 (30,000 m) 고도에서 마하 11 비행을 허용하고 해수면에서는 마하 7 비행을 허용한다고 한다.이러한 재료는 우주왕복선 노즈 및 선단에 사용되는 강화탄소복합체(RCC)보다 구조적으로 견고하며 방사 및 온도 허용성이 높고 [9][10]코팅으로 보호해야 하는 산화 문제를 겪지 않습니다.

레퍼런스

  1. ^ 워릭, 그레이엄"최초 X-51A 극초음속 비행 성공"항공 주간 & 우주 기술, 2010년 [dead link]5월 26일
  2. ^ "Experimental aircraft speeds to more than 3,000 mph in test flight". Los Angeles Times. May 3, 2013. Retrieved 2013-05-03.
  3. ^ "Nonweiler Waverider". Encyclopedia Astronautica. Archived from the original on December 29, 2016. Retrieved 15 August 2012.
  4. ^ Dr J Seddon; Dr J E Gordon; Dr R R Jamison (1962). "Supersonic Hypersonic Flight". UK Government (via Imperial War Museum). Archived from the original on 2012-12-24. Retrieved 2012-10-17.
  5. ^ a b Jones, J.G., K.C. Moore, J. Pike 및 P.L. Roe. "축대칭 흐름장을 사용하여 고속 초음속을 위한 리프팅 구성을 설계하는 방법"Ingenieur-Archiv, 37, 밴드, 1, 헤프트, 56-72, 1968년 페이지
  6. ^ Pike, J. "3개의 원추형 흐름 웨이브라이더의 실험 결과"아가드 회의 절차 30, 극초음속 경계층과 흐름장, 왕립항공학회, 런던, 참조 12, 페이지 20, 1968년 5월 1~3일
  7. ^ Pike, J. "충격파가 부착된 평면 및 사면체 델타 날개에 가해지는 압력"1972년 11월 제23권 제4부 항공 계간지
  8. ^ "Hypersonic X-51 Scramjet to Launch Test Flight in May". Spaceflight Now. 2010. Retrieved 2012-08-16.
  9. ^ Gasch, Matthew; Johnson, Sylvia; Marschall, Jochen (2008). "Thermal Conductivity Characterization of Hafnium Diboride-Based Ultra-High-Temperature Ceramics - Gasch -". Journal of the American Ceramic Society. 91 (5): 1423–1432. doi:10.1111/j.1551-2916.2008.02364.x.
  10. ^ 항공주간 "산디아 소재 극초음속 비행 가능"[데드링크]

외부 링크