Ein waverider ist ein Hyperschallflugzeugsdesign, das sein Überschallverhältnis des Hebens zur Schinderei durch das Verwenden der Stoß-Wellen verbessert, die durch seinen eigenen Flug als eine sich hebende Oberfläche erzeugen werden. Bis heute ist das einzige Flugzeug, um die Technik zu verwenden, das Mach 3 XB-70 Überschallwalküre, die mit seinen herunterhängenden Flügelspitzen waverider ähnlich war. Der waverider bleibt ein gut studiertes Design für das Hochleistungsflugzeug im Mach 5 und höheres Hyperschallregime, obwohl kein Produktionsdesign das Konzept bis heute verwendet hat. Das Scramjet-Demonstrationsflugzeug von Boeing X-51A ist in den Endstufen der Entwicklung und hat seinen ersten Hyperschallflug im Mai 2010 gemacht.

Geschichte

Frühe Arbeit

Das waverider Designkonzept wurde zuerst von Terence Nonweiler von Universität der Königin Belfasts entwickelt, und zuerst im Druck 1951 als ein Wiedereintritt-Fahrzeug beschrieben. Es hat aus einer Deltaflügel-Plattform mit einem niedrigen Flügel bestanden, der lädt, um beträchtliche Fläche zur Verfügung zu stellen, um die Hitze des Wiedereintritts abzuladen. Zurzeit wurde er gezwungen, ein sehr vereinfachtes 2. Modell des Luftstroms um das Flugzeug zu verwenden, das er begriffen hat, würde wegen des Spanwise-Flusses über den Flügel nicht genau sein. Jedoch hat Nonweiler bemerkt, dass der Spanwise-Fluss durch den shockwave angehalten würde durch das Flugzeug erzeugt zu werden, und dass, wenn der Flügel eingestellt wurde, um sich dem Stoß absichtlich zu nähern, der Spanwise-Fluss unter dem Flügel gefangen würde, Druck vergrößernd, und so Heben vergrößernd.

In den 1950er Jahren haben die Briten eine Raumfahrt angefangen, die um die Blaue Streifen-Rakete gestützt ist, die an einem Punkt war, um ein besetztes Fahrzeug einzuschließen. Armstrong-Whitworth wurde zusammengezogen, um das Wiedereintritt-Fahrzeug zu entwickeln, und verschieden von der amerikanischen Raumfahrt haben sie sich dafür entschieden, mit einem geflügelten Fahrzeug statt einer ballistischen Kapsel zu stecken. Zwischen 1957 und 1959 haben sie sich Nonweiler vertraglich verpflichtet, seine Konzepte weiter zu entwickeln. Diese Arbeit hat ein Design in der Form von der Pyramide mit einer flachen Unterseite und kurzen Flügeln erzeugt. Hitze wurde durch die Flügel zu den oberen kühlen Oberflächen geführt, wo sie in die unruhige Luft auf der Spitze des Flügels abgeladen wurde. 1960 wurde die Arbeit am Blauen Streifen annulliert, weil die Rakete gesehen wurde als, veraltet zu sein, bevor es in Dienst eingehen konnte. Arbeit hat sich dann zu Royal Aircraft Establishment (RAE) bewegt, wo es als ein Forschungsprogramm in den schnelllaufenden (Mach 4 bis 7) Zivilverkehrsflugzeuge weitergegangen hat.

Diese Arbeit wurde von Ingenieuren an der nordamerikanischen Luftfahrt während der frühen Designstudien dessen entdeckt, was zum XB-70 Bomber führen würde. Sie haben den ursprünglichen "klassischen" Delta-Flügel neu entworfen, um herunterhängende Flügelspitzen zu vereinigen, um die Stoß-Wellen mechanisch zu fangen, anstatt den von der Vorderseite des Flugzeuges erzeugten Stoß-Kegel zu verwenden. Dieser Mechanismus hatte auch zwei andere vorteilhafte Effekten; es hat den Betrag der horizontalen sich hebenden Oberfläche an der Hinterseite des Flugzeuges reduziert, das geholfen hat, eine ordentliche Nase unten auszugleichen, der mit hohen Geschwindigkeiten vorkommt, und es mehr vertikale Oberfläche hinzugefügt hat, die geholfen hat, die seitliche Stabilität zu verbessern, die mit der hohen Geschwindigkeit abgenommen hat.

Auslassungszeichen-Flügel

Das ursprüngliche Design von Nonweiler hat die Stoß-Welle verwendet, die durch das Flugzeug als eine Weise erzeugt ist, Spanwise-Fluss zu kontrollieren, und dadurch den Betrag von Luft zu vergrößern, die unter dem Flügel ebenso als ein Flügel-Zaun gefangen ist. Während er an diesen Konzepten gearbeitet hat, hat er bemerkt, dass es möglich war, den Flügel auf solche Art und Weise zu gestalten, dass die von seinem Blei erzeugte Stoß-Welle eine horizontale Platte unter dem Handwerk bilden würde. In diesem Fall würde der Luftstrom horizontal, spanwise, aber vertikal ebenso nicht nur gefangen. Das einzige Gebiet, dem die Luft über der Stoß-Welle entkommen konnte, würde der Rücken der Platte sein, wo der Rumpf geendet hat. Seitdem die Luft zwischen dieser Platte und dem Rumpf gefangen wurde, würde ein großes Volumen von Luft viel mehr gefangen als die grundlegendere Annäherung, die er zuerst entwickelt hat. Außerdem, da die Stoß-Oberfläche in einer Entfernung vom Handwerk gehalten wurde, wurde Stoß-Heizung auf das Blei der Flügel beschränkt, die Thermallasten auf dem Rumpf senkend.

1962 hat sich Nonweiler zur Glasgower Universität bewegt, um Professor der Aerodynamik und Flüssigen Mechanik zu werden. In diesem Jahr wurden seine "Delta-Flügel von der Genauen Stoß-Wellentheorie Zugänglichen Gestalten" durch die Zeitschrift der Königlichen Aeronautischen Gesellschaft veröffentlicht, und haben ihn dass die Goldmedaille der Gesellschaft verdient. Das erzeugte Verwenden eines Handwerks dieses Modells sieht wie ein Delta-Flügel aus, der das Zentrum und die zwei Seiten gefaltet nach unten gebrochen worden ist. Von der Hinterseite sieht es wie ein umgekehrt V, oder abwechselnd, das "Auslassungszeichen", ^ aus, und solche Designs sind als "Auslassungszeichen-Flügel" bekannt. Zwei bis drei Jahre später ist das Konzept kurz ins öffentliche Auge wegen der Verkehrsflugzeugarbeit am RAE eingetreten, der zur Aussicht geführt hat, Australien in 90 Minuten zu erreichen. Zeitungsartikel haben zu einem Äußeren im schottischen Fernsehen geführt.

Straßenhändler Siddeley hat den Auslassungszeichen-Flügel waverider in den späteren 1960er Jahren als ein Teil eines dreistufigen Mondrakete-Designs untersucht. Auf die erste Stufe wurde auf einem ausgebreiteten Blauen Stahl, das zweite ein waverider und das dritte eine besetzte Atombühne gebaut. Diese Arbeit wurde 1971 verallgemeinert, um ein zwei inszeniertes Mehrwegraumfahrzeug zu erzeugen. Die 121 Fuß (36.9 m) lange erste Stufe wurden als ein klassischer waverider mit dem airbreathing Antrieb für die Rückkehr zur Abschussbasis entworfen. Die obere Bühne wurde als ein sich hebender Körper entworfen, und hätte 8000 Pfunde (3.6 t) Nutzlast zur niedrigen Erdbahn getragen.

Konischer waveriders

Die Arbeit von Nonweiler hat auf Studien von planaren 2. Stößen wegen des Schwierigkeitsverstehens und Voraussagens wirklicher Stoß-Muster um 3D-Körper basiert. Da sich die Studie von Hyperschallflüssen verbessert hat, sind Forscher im Stande gewesen, waverider Designs zu studieren, die verschiedene Shockwave-Gestalten, das einfachste Wesen der konische Stoß verwendet haben, der durch den Punkt oder die radial symmetrischen Körper erzeugt ist. In diesen Fällen wird ein waverider entworfen, um den rund gemachten shockwave beigefügt seinen Flügeln, nicht einer flachen Platte zu halten, die das Volumen von Luft vergrößert, die unter der Oberfläche gefangen ist, und dadurch Heben vergrößert.

Da ein radial symmetrischer Körper erforderlich ist, um den konischen Stoß zu erzeugen, brechen diese "konischen waveriders" allgemein mit einer spitzen Raketenspitze auf einem zylindrischen Körper auf, und verwandeln sich glatt in Delta-Gestalt an der Hinterseite. Verschieden vom Auslassungszeichen-Flügel biegen die konischen Designs glatt ihre Flügel, vom horizontalen in der Nähe vom Zentrum, zu hoch hängen lassenem, wo sie den Stoß entsprechen. Wie der Auslassungszeichen-Flügel müssen konische waveriders entworfen werden, um mit einer spezifischen Geschwindigkeit zu funktionieren, um die Stoß-Welle dem Blei des Flügels richtig beizufügen, aber verschieden von ihnen kann sich die komplette Körpergestalt drastisch mit verschiedenen Geschwindigkeiten ändern, und manchmal Flügelspitzen haben, die sich aufwärts biegen, um dem shockwave anzuhaften.

Konische waveriders haben höhere Leistung als Auslassungszeichen, aber verlangen allgemein äußerst lange Körpergestalten, die für das wirkliche Flugzeug unpraktisch sind. Die weitere Entwicklung der konischen Abteilungen, Baldachine und Rumpf-Gebiete hinzufügend, hat zu den "oskulierenden Kegeln waverider" geführt, der mehrere konische Stoß-Wellen an verschiedenen Punkten auf dem Körper entwickelt, sie vermischend, um einen Stoß in der einzelnen Form zu erzeugen. Die Vergrößerung zu einer breiteren Reihe von Kompressionsoberflächenflüssen hat das Design von waveriders mit der Kontrolle von Volumen, oberer Oberflächengestalt, Motorintegration und Zentrum der Druck-Position erlaubt. Leistungsverbesserungen und Analyse außer Design haben bis 1970 weitergegangen.

Während dieser Periode wurde mindestens ein waverider an der Woomera Rakete-Reihe geprüft, die auf der Nase einer luftgestarteten Blauen Stahlrakete bestiegen ist, und mehrere Zellen wurden im Windkanal am Forschungszentrum von Ames der NASA geprüft. Jedoch während der 1970er Jahre ist der grösste Teil der Arbeit in hypersonics, und der waverider zusammen damit verschwunden.

Klebrig hat waveriders optimiert

Einer der vielen Unterschiede zwischen dem Überschall- und Hyperschallflug betrifft die Wechselwirkung der Grenzschicht und der von der Nase des Flugzeuges erzeugten Stoß-Wellen. Normalerweise ist die Grenzschicht im Vergleich zur Stromlinie des Luftstroms über den Flügel ziemlich dünn, und kann getrennt von anderen aerodynamischen Effekten betrachtet werden. Jedoch, als die Geschwindigkeit zunimmt und nähert sich die Stoß-Welle zunehmend den Seiten des Handwerks, dort kommt ein Punkt, wo die zwei anfangen aufeinander zu wirken und der flowfield sehr kompliziert wird. Lange vor diesem Punkt fängt die Grenzschicht an, mit der Luft aufeinander zu wirken, die zwischen der Stoß-Welle und dem Rumpf, die Luft gefangen ist, die für das Heben auf einem waverider verwendet wird.

Das Rechnen der Effekten dieser Wechselwirkungen war außer den geistigen Anlagen der Aerodynamik bis zur Einführung der nützlichen rechenbetonten flüssigen Dynamik, die in den 1980er Jahren anfängt. 1981 hat Maurice Rasmussen an der Universität Oklahomas eine waverider Renaissance angefangen, indem er eine Zeitung auf einer neuen 3D-Unterseite-Gestalt mit diesen Techniken veröffentlicht hat. Diese Gestalten haben höhere sich hebende Leistung und weniger Schinderei. Seitdem sind ganze Familien von Kegel-abgeleitetem waveriders mit immer komplizierteren konischen Stößen entworfen worden, die auf der komplizierteren Software gestützt sind. Diese Arbeit hat schließlich zu einer Konferenz 1989, der Ersten Internationalen Waverider Hyperschallkonferenz geführt, die an der Universität Marylands gehalten ist.

Diese neuesten Gestalten, "klebrig haben waveriders optimiert" sehen Sie ähnlich konischen Designs aus, so lange der Winkel der Stoß-Welle auf der Nase außer einem kritischen Winkel, ungefähr 14 Graden für ein Mach 6 Design zum Beispiel ist. Der Winkel des Stoßes kann durch das Verbreitern der Nase in einen gekrümmten Teller des spezifischen Radius kontrolliert werden, und das Reduzieren des Radius erzeugt einen kleineren Stoß-Kegel-Winkel. Fahrzeugdesign fängt durch das Auswählen eines gegebenen Winkels und dann das Entwickeln der Körpergestalt an, die diesen Winkel fängt, dann diesen Prozess für verschiedene Winkel wiederholend. Für jede gegebene Geschwindigkeit wird eine einzelne Gestalt die besten Ergebnisse erzeugen.

Sternkörper

Nehmen Sie einen klassischen Auslassungszeichen-Flügel, kehren Sie ihn um, und dann haften Sie an er entlang der "Brechung" weist zu einem anderen Auslassungszeichen-Flügel hin, um einen X gestalteten Körper zu erzeugen. Dieses Handwerk wird vier Stoß-Platten zwischen den Tipps der vier "Flügel" erzeugen. Das Ergebnis ist eine große Zunahme im Volumen von gefangener Luft, die, wenn richtig eingeordnet, größeres Heben erzeugen kann. Die Kehrseite zu dieser Annäherung ist, dass der Körper mehr Fläche, und so mehr Hautschinderei hat, aber Analyse demonstriert bis zu 20 % Verbesserungen über einen einfachen konischen für dieselbe Geschwindigkeit optimierten Körper.

Hyperschallsegel Waverider

Eine letzte Entwicklung des waverider ist das Hyperschallsegel Waverider, der einen rogallo Flügel als die sich hebende Oberfläche verwendet. Der primäre Zweck für dieses Design ist, eine sich hebende Leichtgewichtseinwegoberfläche für das interplanetarische Raumfahrzeug zu schaffen, um zu verwenden, während er über Planeten mit einer Atmosphäre manövriert. Wenn verwendet, über Venus zum Beispiel hat das Raumfahrzeug aeromaneuver mit dem Heben gekonnt, das durch den waverider einem Grad zur Verfügung gestellt ist, den keine Gravitationsschleuder hoffen konnte zu erreichen.

Design

Während des Wiedereintritts erzeugen Hyperschallfahrzeuge Heben nur von der Unterseite des Rumpfs. Die Unterseite, die zum Fluss in einem hohen Winkel des Angriffs dazu neigt, schafft Heben in der Reaktion zum Fahrzeug, das den Luftstrom abwärts verkeilt. Der Betrag des Hebens, ist im Vergleich zu einem traditionellen Flügel, aber mehr nicht besonders hoch als genug, um gegeben der Betrag der Entfernung die Fahrzeugdeckel zu manövrieren.

Die meisten Wiedereintritt-Fahrzeuge haben auf dem von Theodore von Kármán den Weg gebahnten Wiedereintritt-Design der stumpfen Nase basiert. Er hat demonstriert, dass eine Stoß-Welle gezwungen wird, "sich" von einer gekrümmten Oberfläche "zu lösen", die in eine größere Konfiguration verdrängt ist, die beträchtliche Energie verlangt sich zu formen. Im Formen dieser Stoß-Welle ausgegebene Energie ist als Hitze nicht mehr verfügbar, so kann dieses Formen die Hitzelast auf dem Raumfahrzeug drastisch reduzieren. Solch ein Design ist die Basis für fast jedes Wiedereintritt-Fahrzeug seitdem gewesen, hat auf den stumpfen Nasen der frühen Interkontinentalrakete-Sprengköpfe, den Böden der verschiedenen Kapseln von NASA und der großen Nase von Raumfähre gefunden.

Das Problem mit dem System der stumpfen Nase besteht darin, dass das resultierende Design sehr wenig Heben schafft, bedeutend, dass das Fahrzeug Probleme hat, während des Wiedereintritts manövrierend. Wenn das Raumfahrzeug gemeint wird, um im Stande zu sein, zu seinem Punkt des Starts "auf dem Befehl" zurückzukehren, dann wird eine Art Manövrieren erforderlich sein, der Tatsache entgegenzuwirken, dass sich die Erde unter dem Raumfahrzeug dreht, als es fliegt. Nach einer einzelnen Bahn der niedrigen Erde wird der losfahrende Punkt nach Osten des Raumfahrzeugs zu Ende sein, als es wieder nach einer voller Bahn fliegt. Ein beträchtlicher Betrag der Forschung wurde dem Kombinieren des Systems der stumpfen Nase mit Flügeln gewidmet, zur Entwicklung der sich hebenden Körperdesigns in den Vereinigten Staaten führend.

Es war, während es an genau einem solchem Design gearbeitet hat, dass Nonweiler den waverider entwickelt hat. Er hat bemerkt, dass der Abstand der Stoß-Welle über das stumpfe Blei der Flügel des Designs von Armstrong-Whitworth der Luft auf dem Boden des Handwerks erlauben würde, spanwise zu überfluten und zum oberen Teil des Flügels durch die Lücke zwischen dem Blei und der distanzierten Stoß-Welle zu flüchten. Dieser Verlust des Luftstroms hat drastisch den Betrag des Hebens reduziert, das durch den waverider wird erzeugt (bis zu einem Viertel), der zu Studien darauf geführt hat, wie man dieses Problem vermeidet und den Fluss gefangen unter dem Flügel hält.

Das resultierende Design von Nonweiler ist ein Deltaflügel mit einem Betrag des negativen Dieders — die Flügel werden vom Rumpf zu den Tipps gebogen. Wenn angesehen, von der Vorderseite ähnelt der Flügel einem Auslassungszeichen-Symbol (^) in der bösen Abteilung, und diese Designs werden häufig Auslassungszeichen genannt. Die modernere 3D-Version sieht normalerweise wie ein rund gemachter Brief 'M' aus. Theoretisch konnte ein sterngeformter waverider mit einem frontalen Querschnitt durch "+" oder "×" Schinderei um weitere 20 % reduzieren. Der Nachteil dieses Designs ist, dass es mehr Gebiet im Kontakt mit der Stoß-Welle hat und deshalb ausgesprochenere Hitzeverschwendungsprobleme hat.

Waveriders haben allgemein scharfe Nasen und scharfes Blei auf ihren Flügeln. Die Unterseite-Stoß-Oberfläche bleibt beigefügt dem. Luft, die in durch die Stoß-Oberfläche fließt, wird zwischen dem Stoß und dem Rumpf gefangen, und kann nur an der Hinterseite des Rumpfs flüchten. Mit scharfen Rändern wird das ganze Heben behalten.

Wenn auch scharfe Ränder viel heißer werden als rund gemachte an derselben Luftdichte, bedeutet das verbesserte Heben, dass waveriders auf dem Wiedereintritt an viel höheren Höhen gleiten kann, wo die Luftdichte niedriger ist. Eine Liste, die verschiedene Raumfahrzeuge in der Größenordnung von der zur Zelle angewandten Heizung aufreiht, würde Kapseln oben haben (schnell mit sehr hohen Heizungslasten wiederhereingehend), waveriders am Boden (äußerst lange Profile an der hohen Höhe gleitend), und Raumfähre irgendwo in der Mitte.

Einfache waveriders haben wesentliche Designprobleme. Erstens arbeiten die offensichtlichen Designs nur an einer besonderen Machzahl, und der Betrag des gewonnenen Hebens wird sich drastisch als die Fahrzeugänderungsgeschwindigkeit ändern. Ein anderes Problem besteht darin, dass der waverider vom Strahlungsabkühlen, möglich abhängt, so lange das Fahrzeug den grössten Teil seiner Zeit an sehr hohen Höhen verbringt. Jedoch fordern diese Höhen auch einen sehr großen Flügel, um das erforderliche Heben in der dünnen Luft zu erzeugen, und dass derselbe Flügel ziemlich unhandlich an niedrigeren Höhen und Geschwindigkeiten werden kann.

Wegen dieser Probleme haben waveriders mit praktischen aerodynamischen Entwerfern nicht Gefallen gefunden, ungeachtet der Tatsache dass sie Langstreckenhyperschallfahrzeuge effizient genug machen könnten, um Luftfracht zu tragen.

Einige Forscher behaupten umstritten, dass es Designs gibt, die diese Probleme überwinden. Ein Kandidat für eine Mehrgeschwindigkeit waverider ist ein "Auslassungszeichen-Flügel", bedient in verschiedenen Winkeln des Angriffs. Ein Auslassungszeichen-Flügel ist ein Delta-Flügel mit dreieckigen oder konischen Längsablagefächern oder strakes. Es ähnelt stark einem Papierflugzeug oder rogallo Flügel. Der richtige Winkel des Angriffs würde immer genauer an höheren Machzahlen werden, aber das ist ein Kontrollproblem, das theoretisch lösbar ist. Wie man sagt, leistet der Flügel noch besser, wenn er des dichten Ineinandergreifens gebaut werden kann, weil das seine Schinderei reduziert, während es Heben aufrechterhält. Wie man sagt, haben solche Flügel das ungewöhnliche Attribut des Funktionierens an einer breiten Reihe von Machzahlen in verschiedenen Flüssigkeiten mit einer breiten Reihe von Zahlen von Reynolds.

Das Temperaturproblem kann mit einer Kombination einer ausgedünstet werdenden Oberfläche, exotischer Materialien, und vielleicht Wärmerohre behoben werden. In einer ausgedünstet werdenden Oberfläche werden kleine Beträge eines Kühlmittels wie Wasser durch kleine Löcher in der Haut des Flugzeuges gepumpt (sieh Transpiration und Schweiß). Diese Designarbeiten für das Mach 25 Raumfahrzeugwiedereintritt-Schilder, und sollten deshalb für jedes Flugzeug arbeiten, das das Gewicht des Kühlmittels tragen kann. Exotische Materialien wie Zusammensetzung des Kohlenstoff-Kohlenstoff führen Hitze nicht, aber erleiden es, aber sie neigen dazu, spröde zu sein. Heatpipes werden zurzeit nicht weit verwendet. Wie ein herkömmlicher Hitzeex-Wechsler führen sie Hitze besser, als die meisten festen Materialien, aber wie ein thermosiphon passiv gepumpt werden. Der Boeing X-51A befasst sich mit Außenheizung durch den Gebrauch einer Wolfram-Raketenspitze und mit Raumfähre artiger Hitzeschild-Ziegel auf seinem Bauch. Innere (motor)-Heizung ist durch das Verwenden des JP-7 Brennstoffs als ein Kühlmittel vor dem Verbrennen gefesselt. Andere hohe Temperaturmaterialien, gekennzeichnet als SCHARFE Materialien (normalerweise Zirkonium diboride und Hafnium diboride) sind auf steuernden Schaufeln für Interkontinentalrakete-Wiedereintritt-Fahrzeuge seit den 1970er Jahren verwendet worden, und werden für den Gebrauch auf Hyperschallfahrzeugen vorgeschlagen. Wie man sagt, erlauben sie Mach 11 Flug an Höhen und Mach 7 Flug auf Meereshöhe. Diese Materialien sind mehr strukturell rau als Reinforced Carbon Composite (RCC), die auf der Raumfähre-Nase und dem Blei verwendet ist, haben höhere Strahlungs- und Temperaturtoleranz-Eigenschaften, und leiden unter Oxydationsproblemen nicht, dass RCC gegen mit Überzügen geschützt werden muss.

Links

• Raumfahrtweb: Hyperschallwaveriders
• Accurate Automation Corporation hat mehreres Modell waveriders für die Studie der niedrigen Geschwindigkeit, einschließlich LoFLYTE und des X-43 der NASA gebaut
• ASTRA Waverider