Крыло и космос - 3

bigdrum — 04.09.2022

Предыдущие части: 1, 2.

Утро началось с офигительных историй, и мы продолжим его в том же духе. Если вы не возражаете, конечно...

Итак, мы познакомились немножко с аэродинамикой ракет, с их центром тяжести, и сегодня мы двинемся дальше, рассмотрев три поучительных примера. Это будет проект Дайна Соар, МТКК Спейс Шаттл, и МТКК Буран.

Начнем с Дайна Соар. Проект разрабатывался как боевой орбитальный бомбардировщик, способный осуществлять атмосферный маневр. Естественно, многоразовый. В силу технического задания, корабль должен был быть крылатым. Конструктивно корабль представлял себе "летающее крыло" большой стреловидности с высоким аэродинамическим качеством. Что, собственно говоря, и послужило одной из причин гибели проекта.

У Дмитрия Конаныхина в уже упоминавшемся цикле есть отдельное видео по этому проекту, потому долго рассусоливать не буду. Расположив аппарат наверху ракеты, как сейчас располагаются все космические аппараты, разработчики столкнулись с фактором влияния подъемной силы на траекторию полета. Высокое аэродинамическое качество аппарата привело к большому отклоняющему моменту, опрокидывающему ракету. И данный момент надо было чем-то компенсировать...





Это лишь часть компоновочных схем, которые были проработаны, и почти во всех схемах обращает на себя внимание наличие крыльев на первой ступени, в варианте с Сатурном-1 и на второй ступени. И при этом это должны были быть не просто крылья - а управляемые крылья, с закрылками. Почему? Потому, что по мере выработки топлива масса первой ступени уменьшается, центр тяжести носителя уходит вперед, и появляется опрокидывающий момент.

Нет, они бы сделали это - возможно... Люди тогда были дерзкие, страна не жалела образованнейших специалистов... Но факт остается фактом - компенсация аэродинамического момента, приложенного к носу ракеты, возможна только аэродинамическим моментом, приложенным к хвосту ракеты. Это - в чистоте "ракетопланный поезд" Циолковского, о котором он упоминал в приведенной ранее ссылке, и о котором сейчас помнят гораздо меньше, чем о "ракетном поезде"...

Очень геморройная штуковина.



Теперь мы, не снижая темпа, переходим к Спейс Шаттл - самому успешному в истории проекту космического самолета, корабля с высоким аэродинамическим качеством, который многие наблюдали по телевизору, а некоторые - и воочию. И даже живы еще участники.



Что мы видим?

Твердотопливные ускорители Шаттла расположены симметрично относительно оси бака, и создают нормальную, "осевую", ракетную тягу. Однако сбоку у нас прицеплен тяжеленький челнок, и система должна завалиться "на спину". Чтобы этого не случилось, на самом челноке установлены двигатели, которые создают дополнительную тягу, и именно они являются основными - одними ускорителями Шаттл со стартового стола не сдвинуть. И эти основные двигатели установлены под углом, да еще и качаются в карданном подвесе - то есть, они способны менять ось тяги системы так, чтобы она проходила через центр масс системы (в момент отрыва от стартового стола). Поворачивая двигатели челнока, мы можем добиться компенсации подъемной силы крыла аппарата при запуске.

Однако это еще не все, и это работает не так.

Дело в том, что Шаттл при запуске летит не прямо по оси бака, а под углом. И это не удивительно, если учесть, что часть ракетной тяги двигателей челнока направлена вбок. И при этом сам бак и ускорители закрывают от набегающего потока крылья Шаттла... Есть такое понятие - аэродинамическое затенение. Так вот, Шаттл летит таким образом, чтобы бак и ускорители закрывали крылья аппарата и не давали ему работать вплоть до момента отделения ускорителей на высоте 45 километров...

Однако на высоте 45 километров, после отделения ускорителей, воздушный поток должен ударить в крылья челнока и перевернуть его - скажете мне вы. Так, да не так. Дело в том, что топливо из бака расходуется, и центр тяжести системы смещается вниз. А значит, вектор двигателей челнока должен опрокинуть систему. Но двигатели челнока не дают ему это сделать, поворачиваясь в карданных подвесах. И после отделения ускорителей аэродинамический фокус системы должен сильно измениться... И вот тут вот крылья челнока, входя в поток набегающего воздуха, удерживают аэродинамический фокус на месте, не давая челноку опрокинуться...

С точки зрения аэродинамики Спейс Шаттл - это цирк Дю Солей на максималках. Это ходьба по аэродинамическому канату с завязанными глазами после литра выпитого и по обкурке. Это высший пилотаж, и это можно было бы считать аэродинамическим совершенством в ракетной отрасли, если бы не не было МТКК Буран...

Что для нас важно. Спейс Шаттл летит вверх, и немного "пузом вперед". Благодаря этому происходит аэродинамическое затенение крыльев Шаттла внизу, в плотных слоях атмосферы, и благодаря этому после отделения ускорителей компенсируется избыточная боковая тага двигателей подъемной силой крыла, попавшего в набегающий поток. Кроме того, Шаттл летит в космос "спиной вниз".

В ходе дальнейшего подъёма с постепенным уменьшением тангажа (траектория отклоняется от вертикали к горизонту, в конфигурации «спиной вниз»)

Что это означает? Это означает, что суммарная аэродинамическая составляющая, возникающая из асимметричного обтекания системы Спейс Шаттл, направлена вниз и прижимает его к земле, "мешает" выведению на орбиту...

А теперь смотрим на РН Энергия с кораблем Буран.



И то, что мы видим - приводит нас в недоумение... Потому что ускорители смещены в сторону от нагрузки, и если двигатели Шаттла компенсируют опрокидывание от размещенного сбоку тяжелого челнока, то здесь наоборот - боковые ускорители должны усилить опрокидывающий момент, не так ли?



"А вот хрен вам всем!" - сказали советские инженеры, и создали подлинный шедевр.

На пусковом столе рядом с системой находится башня. Чтобы ракета не стукнулась об башню, ее надо отвести в стороны. И потому ВСЕ ДВИГАТЕЛИ РН Энергия" - и центральные, и боковые - работают немного ВБОК. Они все в поворотных карданных подвесах, и при старте не просто компенсируют опрокидывающий момент от висящей сбоку нагрузки, но еще и отводят ракету от стартовых сооружений, что повышает безопасность пуска. И работают эти двигатели немного вбок на протяжении всей траектории полета...

Однако это, как вы догадались, тоже не все.

Энергия-Буран летит вперед, и немного косо, но если Шаттл летит "пузом вперед", то Буран - "спиной вперед". И да, точно так же имеет место аэродинамическое затенение, только если в Шаттле ускорители затеняли крылья, то здесь наоборот - крылья затеняют ускорители. Отчего при отходе ускорителей аэродинамический фокус сохраняется, и система не опрокидывается...

Но и это еще не все. Как и Шаттл, Буран летит "спиной вниз". И при этом его крылья работают с отрицательным углом атаки, а вся система имеет подъемную силу, направленную... ВВЕРХ. И если Шаттл при подъеме аэродинамическими силами прижимается к земле, то комплекс Энергия-Буран, наоборот - устремлен в космос...



И если Спейс Шаттл можно рассматривать как образец решения сложнейшей задачи выведения ракетной системы с аэродинамическим качеством, то комплекс Энергия-Буран - эталон всех вообще возможных решений.

Итак, что мы видим?

Мы видим, что задача выведения аэродинамически асимметричных систем приводит к необходимости пакетной компоновки, к интеграции аэродинамически активного элемента в систему, и придания всей системе аэродинамического качества, к сложным манипуляциям вектором тяги. То есть, возвращаясь к теме данного цикла - проекту Крыло-СВ - надо думать не только о том, как крыло будет возвращаться на землю, но и как, в составе каких аэродинамически-ракетных систем оно будет работать, под какими углами будет обтекаться, в каких режимах - и это дает нам представление о глубине, сложности и интересности задач, стоящих за простеньким рисуночком, помещенным в заголовок статьи.

Надеюсь, вам было интересно сравнить три проекта - Дайна Соар, Шаттл и Буран - и думаю, что под таким углом вы еще эту тему не рассматривали. До следующего раза!

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив