Для чего космическому кораблю крылья?05.04.2021 01:48

В предыдущей статье удалось показать, что вход в атмосферу с подъемной силой позволяет уменьшить перегрузки и тепловое воздействие при торможении в атмосфере. Но какие еще преимущества дает наличие аэродинамического качества у космического корабля? И как можно увеличить аэродинамическое совершенство корабля ?

Облик корабля с несущим корпусом

Самый простой вариант корабля с несущим корпусом — конус с притупленным носком. Носовое притупление создает отсоединенный скачок на безопасном (для теплозащиты корпуса) расстоянии, а избыточное давление от торможения воздуха формирует подъемную силу на корпусе. Для расчета такой компоновки есть достаточно простые аналитические зависимости, позволяющие при помощи терпения и любого доступного расчетного инструмента получить набор аэродинамических характеристик (Н.С. Аржаников, Г.С. Садекова, «Аэродинамика летательных аппаратов», Глава 11)

Основным ограничением на облик нашего возвращаемого КА будет полезный объем (который должен быть не хуже 10,4 м³ кабины Apollo).

В таких модуля предполагалось доставлять на Марс компоненты пилотируемой экспедиции. Ожидаемое аэродинамическое качество ~ 0,5

Сценарий-1. Простой спуск с орбиты

В предыдущей статье рассматривалось торможение в атмосфере после возвращения с Луны на скорости, близкой к 2-ой космической. Рассмотрим более насущную задачу — возврат космического корабля с низкой околоземной орбиты на скорости чуть меньше 1-ой космической. Параметры входа в атмосферу V = 7650 м/с, H = 120 км, Th = -1,5 град.

Корабль-капсула начнет интенсивное торможение (с перегрузкой более 1g) спустя 206 секунд на высоте 69,5 км. На 225 секунде начнется планирование с малым аэродинамическим качеством (~0,17–0,18), корабль будет интенсивно терять скорость и приземлится на 654 секунде после входа в атмосферу, пройдя 2560 км.

Корабль с несущим корпусом за счет намного более обтекаемой формы будет терять скорость медленнее, и перегрузки составят ~ 0,5g. К 271 секунде полета подъемная сила, создаваемая нижней поверхности корпуса, позволит кораблю начать отскок с высоты 57,5 км до 72,8 км (похожим образом должен был глиссировать Silbervogel Э. Зенгера). К 759 секунде корабль вернется на эшелон равновесного планирования (~ 61,7 км в начальной точке), и к 2150 секунде на высоте в 21,6 км скорость корабля снизится до звуковой (310 м/с).

Поскольку конический фюзеляж не обеспечивает достаточное для посадки аэродинамическое качество, то траектория перейдет в пикирующую (~ 65 градусов). Приземление произойдет на 2342 секунде после входа в атмосферу, при этом корабль пройдет расстояние в 11400 км. Максимальная продольная перегрузка составит 1,37g, поперечная — 0,94g.

Сценарий-2. Боковой маневр

Теперь усложним задачу и добавим маневр крена в начале атмосферного торможения КА. С 250 по 350 секунду полета космический корабль развернется по крену на 60 градусов, чтобы большая часть подъемной силы корпуса была направлена вбок.

Для Apollo смещение в боковой плоскости составит 0,23 градуса широты — траектория отклонится к югу на 25,6 км. Поскольку подъемная сила развернута вбок, то спуск в атмосферу происходит интенсивнее, и пройденный путь уменьшится — корабль приземлится на 2340 км от точки входа.

Жирная темно-синяя линия — Apollo; красная — «несущий» КА, маневр аналогичен Apollo; Синяя — «несущий» КА, максимальный маневр по курсу.

Корабль с несущим корпусом сместится на 4,25 градусов широты — на 472,5 километров к югу. Пройденный путь составит 9852 км. Если продлить участок крена до 1050 секунды, то смещение в боковом направлении составит 1579 км, суммарное пройденное расстояние — 6646 км. Дальнейшее увеличение продолжительности маневра (или угла крена) приводит к более раннему торможению и еще большему падению дальности

Полученные цифры хорошо согласуются с материалами веб-журнала «Инженерный журнал: наука и инновации». При сходе с НОО маневр «капсулы» — <100 км, тогда как зона маневра бескрылого корабля с несущим корпусом уже составляет порядка 1000 - 1500 км. Поскольку на маневр расходуется часть подъемной силы космического аппарата, то лучший способ увеличения маневренности - рост аэродинамического качества за счет "сплющивания" фюзеляжа космического корабля, использования крыльев и стабилизаторов.

Выводы

Траектория корабля с достаточно высоким (~ 1 и больше) аэродинамическим качеством радикальном отличается от траектории «капсульного» корабля. Продолжительный полет с гиперзвуковыми (~ 6000 м/с в начале участка равновесного планирования) скоростями требует от теплозащиты способность выдерживать умеренные (по сравнению с капсульными кораблями) тепловые нагрузки долгое (~ 1800 — 2000 с) время.

Поскольку излучение — основной канал сброса тепла, то обшивка корабля на наветренной стороне должна обладать высоким коэффициентом черноты (и низкой теплопроводностью).

Зеленая линия — планирование без боковых маневров, красная — маневр продолжительностью 100 с, синяя — 800 с

Поскольку маневр в путевой плоскости сопровождается снижением высоты (см. графики чуть выше) и увеличенным сопротивлением в более плотных слоях атмосферы, то можно уменьшать время атмосферного участка (и продолжительность теплового воздействия) «змейкой» с одним или несколькими участками крена в противоположных направлениях.

Хотя аэродинамическое качество 1 — 1,5 обеспечивает высокие летные качества при гиперзвуковом полете в верхних слоях атмосферы, но его недостаточно для мягкой посадки без парашюта или тормозных двигателей. Возможное решение проблемы — выдвижные крылья, находящиеся в аэродинамической тени и/или спрятанные в корпус.

Страница официального сайта НАСА с описанием «несущих» корпусов

При достижении трансзвуковых скоростей крылья раскрываются и увеличивают несущую поверхность и аэродинамическое качество.

Альтернативой может быть «скользящее» крыло или посадка с помощью параплана.

Исследования НАСА по «скользящим» и поворотным крыльям.

Немного векторной алгебры

Пара моментов, которые облегчили мне переход от «плоской» баллистической модели к полноценному расчету в трехмерном пространстве вокруг шарообразной Земли

Особенно полезен при вычислении направления подъемной силы (сопротивление направлено против вектора скорости, и с ним все ясно)

Вся магия — в сохраняющем знак векторе cross и его скалярном произведении с вектором, не лежащим в плоскости, образуемой векторами U и V

Репо с программой-моделью и исходными данными живет на моем гитхабе. Можно потыкать палочкой, можно форкнуть — вдруг кому-то еще захочется поиграться