Крыло и космос - 2

bigdrum — 03.09.2022

Предыдущие части: 1.

Ну что, продолжим... И да - просьба не отвлекать меня глупостями, которые творят на энергетическом рынке "наши западные партнеры". Приедается...

Центр тяжести. Сегодня мы будем говорить о центре тяжести. И как обычно, начнем с самолетов.



Вот так расположены топливные баки в самолете Боинг. И так же они расположены во ВСЕХ самолетах, начиная с 30-х годов 20-го века. Почему?

На самолет действуют три главных силы. Сила тяги, действующая вдоль фюзеляжа, сила тяжести, направленная вниз, и приложенная к условному центру тяжести самолета, и подъемная сила, приложенная к условному аэродинамическому фокусу. И все на самом деле очень просто. Если аэродинамический фокус, на который пилот воздействует органами управления, и центр тяжести расположены не на одной вертикали - самолет опрокидывается.

Вопросы уравновешивания самолета в воздухе - это в точности вопросы центровки, то есть - управления центром тяжести, и управления положением аэродинамического фокуса с помощью рулей высоты.

Давайте посмотрим на Боинг еще раз, на этот же, NG.

Взлетная масса самолета 737-600 составляет 66 тонн. Объем топлива - 26000 литров, Это около 20 тонн. Внушительная цифра. Вопрос - почему топливо так распределено, в крыльях? Ответ - находясь в крыле, топливо расположено вблизи центра масс самолета, и вблизи аэродинамического фокуса, и потому расход топлива не влияет на центровку.

Самолеты не летают с полными баками всегда. На коротких рейсах они могут быть заправлены частично - наполовину, например. Кроме того, в полете топливо расходуется, его становится меньше, и значит - его масса уменьшается. Чтобы самолет безопасно долетел от точки взлета до точки посадки, все это время его центровка должна оставаться в допустимых пределах.

Таким образом, масса топлива составляет до трети взлетного веса Боинг 737-600, и при этом это топливо специально распределено таким образом, чтобы его расход не влиял на центровку самолета в полете.

Смотрим на ракету Союз. Стартовая масса - 307 тонн, масса топлива - 273 тонны. Какова доля топлива в массе ракеты? 89%. ВОСЕМЬДЕСЯТ ДЕВЯТЬ ПРОЦЕНТОВ.

Чтобы вывести на орбиту полезную нагрузку, ракета должна израсходовать вот столько вот топлива, при этом часть из оставшихся 11% - это масса самой ракеты, которая в виде конструкции ступеней, обтекателей сбрасывается в полете, и если доля топлива будет ниже - либо нагрузка будет меньше, либо ракета сама по себе не достигнет орбиты.

Вопрос очень простой. Мы берем Боинг, и заливаем его топливом весь, чтобы получить такое же соотношение массы топлива к массе конструкции. И смотрим, как наше топливо распределилось. И видим, что значительная часть топлива находится вдали от центра масс и аэродинамического фокуса самолета.

Это означает, что расходование такой огромной массы топлива приведет к изменению положения центра масс, если топливо не расходовать специальным образом - то есть разделить весь объем на маленькие баки, и расходовать их строго поочередно. Но если сделать ракету таким образом, то получится, что масса стенок топливных баков, арматуры, клапанов и прочего - будет отбирать массу у полезной нагрузки, не так ли?

Такая ракета, которая старается поддержать свой центр тяжести в одном месте - вряд ли доберется до космоса, а если и доберется - вряд ли окажется полезной.

В ракетостроении существует такое понятие - весовое совершенство ракеты. Ракета тем совершеннее, чем большую долю ее полной массы занимает топливо. И чем большую долю массы занимает топливо - тем сильнее меняется центр тяжести (центр масс) ракеты в полете.



Извините за корявый рисунок - от руки мышкой. Так вот, на рисунке зеленым показано движение центра масс первой ступени по мере выработки топлива. А синим - движение центра масс ракеты при работе первой ступени. Все очень приблизительно, но тенденция понятна. Любой авиастроитель, увидевший подобный график изменения положения центра масс самолета, пойдет и выбросится в окно.

Почему ракета при таким сильном изменении положения центра масс (который кстати должна корректно отрабатывать система управления) не опрокидывается и не падает? Да все очень просто. Центр масс смещается вдоль оси ракеты, а двигатели ракеты работают тоже вдоль этой оси. Относительно двух главных сил, действующих на ракету - силы инерции, определяемой массой, и приложенной в центре масс, и силы тяги - выполняется строгое правило, они всегда соосны.

Сила тяги ракеты ВСЕГДА проходит через центр масс ракеты.



Поэтому, и только поэтому, ракета не опрокидывается - но ее центр масс в полете сильно изменяет свое положение.

Теперь возвращаемся к нашим баранам, пардон, крыльям. То есть, к чему-то, что создает подъемную силу из-за асимметричного обтекания корпуса ракеты набегающим потоком. Мы знаем, что подъемная сила всегда действует поперек, и всегда приложена к определенной точке.

Выберите на рисунке ракеты точку. Нарисуйте от нее вправо вектор подъемной силы. И посмотрите, как будут взаимодействовать центр масс ракеты, который двигается, и аэродинамический фокус, который обусловлен конструкцией ракеты и неподвижен в полете.

Наличие подъемной силы опрокидывает ракету рано или поздно, из-за того, что вектор подъемной силы перестает проходить через центр масс, который движется.



Так что мой привет художникам-иллюстраторам, рисующим крылатые космические ракеты и прочие ракетопланы, а также создающим подобную порнографию для космической кинофантастики - все что вы рисуете, нелетабельно.

Вот такая вот у нас сегодня познавательная часть получается, и в заключение, чтобы исчерпать тему, мы добавим еще пару фактов.

Единственный самолет, достигший границы космоса до полетов СпейсШип - Х-15. Однако его весовое совершенство было, скажем прямо, недостаточным для космического полета. И несмотря на красивую и эффектную "горку в космос", он не способен вывести на орбиту ничего абсолютно. Ибо первая космическая скорость не достигается при таком количестве топлива. То же самое касается и аппаратов СпейсШип.

И второй факт. В истории космонавтики также существовали Спейс Шаттл, Буран, которые на первый взгляд отрицают сказанное здесь. Однако там все крайне интересно, на самом деле - и мы этим займемся в следующих частях.

.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив