Запустив 15 октября 2003 года космический корабль «Шеньчжоу-1», Китай стал третьей страной в высшем эшелоне космических держав, имеющих собственные средства доставки людей на околоземную орбиту. Это — крупнейшее состоявшееся событие в пилотируемой космонавтике, происшедшее с 12 апреля 1981 года, когда с мыса Канаверал стартовала космическая система принципиально нового типа — многоразовый транспортный корабль «Колумбия». Таких фундаментальных событий можно насчитать не так уж много — это первые полеты Юрия Гагарина и Алана Шепарда, первый выход в открытый космос Алексея Леонова, первая стыковка в космосе, высадка людей на Луне... Пожалуй, всё.
24 мин, 14 сек 13210
Основной проблемой, которую необходимо решить в этом случае, является проблема кинетического нагрева конструкции. Есть, конечно, и другие, от устойчивости и управляемости до обеспечения работы радиосредств, но эта — самая острая и, как правило, наименее знакомая конструктору-«самолетчику»
В принципе противостоять нагреву аппарата из-за трения о воздух на больших скоростях можно двумя путями. Надо, насколько возможно, ограничить этот разогрев, а дальше защищать конструкцию от того, что осталось после ограничения.
Задача ограничения кинетического нагрева, в свою очередь, решается несколькими способами. Один из основных — выбор наилучших с этой точки зрения режимов полета — дальности и времени планирования, высотно-скоростного профиля, углов атаки, перегрузок. Здесь, как и везде в технике, идет многотрудный поиск компромисса. Если увеличить угол атаки, торможение пройдет быстрее, но температура потока при этом будет в общем случае выше. Пологая траектория спуска может позволить уменьшить скорость движения и, соответственно, нагрев за единицу времени, но само время «прогревания» будет больше.
Другим способом является оптимизация формы аппарата — разумеется, настолько, насколько это допускает аэродинамика. Здесь первичны всё же заданные характеристики аэродинамического качества, устойчивости и управляемости на всех режимах и т. п. — иначе космоплан просто не сможет нормально летать. Но внутри этих пределов можно менять взаиморасположение частей, оформление стыков и кромок, очертания поверхностей и объемов…
Один из «ходов» на этом пути, притом довольно решительный, сделал Павел Цыбин в своем«Лапотке» а если официально, в проекте ПКА — планирующий космический аппарат. Речь идет о консолях крыла, которые при входе в плотные слои, когда скорость наиболее высока, находятся в сложенном, почти вертикальном, положении.
При гашении огромной скорости в верхних слоях атмосферы корабль принимает очень большой угол атаки, как бы подставляя набегающему потоку всю свою нижнюю поверхность — и фюзеляжа, и крыла. Фиксированное крыло на этом этапе должно принимать на себя все возникающие нагрузки, как механические, так и тепловые (последние возникают из-за того, что кинетическая энергия набегающего потока при его торможении поверхностями аппарата превращается в тепло!).
Складывание убивает сразу несколько зайцев. Во-первых, крыло можно сделать более легким, так как ему не приходится воспринимать огромную механическую нагрузку при гиперзвуковом полете на больших углах атаки. Во-вторых, облегчаются требования к его термозащите, так как в сложенном положении встречный поток практически скользит по его поверхности. Мощный эффект его торможения возникает только на передних кромках, которые всё равно приходится защищать в любой конструкции сверхскоростного летательного аппарата. Наконец, в-третьих, сложенное крыло в известной степени экранирует боковые поверхности фюзеляжа.
В этой схеме основная часть тепловой нагрузки приходится на днище фюзеляжа, а оно, как мы помним, защищено у Цыбина отдельным теплозащитным экраном, установленным не прямо на конструкцию днища, а с зазором в 100 мм.
Конечно, у этой схемы есть и недостатки, и главный из них состоит в наличии механизма поворота крыла. Масса этого механизма может не только снизить полезный эффект от облегчения конструкции крыла, но и превзойти весь полученный на этом весовой выигрыш. Кроме того, в аппарате появляется еще один узел, надежность которого критически влияет на безопасность полета.
Но и такое удачное, казалось бы, решение, как поворот крыла, не всегда бывает верным. При продувках моделей ПКА, проводившихся в ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт — один из главных научно-исследовательских, экспериментальных и расчетных центров авиакосмической отрасли СССР и Российской Федерации!), оказалось, что на самом напряженном участке спуска шарнир поворота крыла находится в зоне, где подвод тепла максимален, а отвод почти полностью отсутствует. Выяснилось также, что тепловые нагрузки на донный экран значительно превосходят расчетные величины, и выбранный материал экрана их не выдержит.
Тогда же было установлено, что допуски на возможное пространственное положение аппарата при планирующем спуске должны быть крайне жесткими. В том, что удастся обеспечить необходимую точность ориентации при помощи существовавших тогда приборов, уверенности не было. Исследования моделей ПКА сыграли немалую роль в «развороте» Королева в сторону баллистического спускаемого аппарата…
Не следует, однако, думать, что суть всего, что было достигнуто, сводится к выявлению сложностей и примерной оценке их масштаба. В работах по первому поколению ракетопланов были получены многочисленные результаты позитивного характера. Причем они появляются уже на ранних стадиях разработки, когда уточняются возможные сценарии полета, просчитываются необходимые величины аэродинамических коэффициентов, делаются первые анализы возможных форм аппарата и его частей, первые наброски узлов конструкции.
В принципе противостоять нагреву аппарата из-за трения о воздух на больших скоростях можно двумя путями. Надо, насколько возможно, ограничить этот разогрев, а дальше защищать конструкцию от того, что осталось после ограничения.
Задача ограничения кинетического нагрева, в свою очередь, решается несколькими способами. Один из основных — выбор наилучших с этой точки зрения режимов полета — дальности и времени планирования, высотно-скоростного профиля, углов атаки, перегрузок. Здесь, как и везде в технике, идет многотрудный поиск компромисса. Если увеличить угол атаки, торможение пройдет быстрее, но температура потока при этом будет в общем случае выше. Пологая траектория спуска может позволить уменьшить скорость движения и, соответственно, нагрев за единицу времени, но само время «прогревания» будет больше.
Другим способом является оптимизация формы аппарата — разумеется, настолько, насколько это допускает аэродинамика. Здесь первичны всё же заданные характеристики аэродинамического качества, устойчивости и управляемости на всех режимах и т. п. — иначе космоплан просто не сможет нормально летать. Но внутри этих пределов можно менять взаиморасположение частей, оформление стыков и кромок, очертания поверхностей и объемов…
Один из «ходов» на этом пути, притом довольно решительный, сделал Павел Цыбин в своем«Лапотке» а если официально, в проекте ПКА — планирующий космический аппарат. Речь идет о консолях крыла, которые при входе в плотные слои, когда скорость наиболее высока, находятся в сложенном, почти вертикальном, положении.
При гашении огромной скорости в верхних слоях атмосферы корабль принимает очень большой угол атаки, как бы подставляя набегающему потоку всю свою нижнюю поверхность — и фюзеляжа, и крыла. Фиксированное крыло на этом этапе должно принимать на себя все возникающие нагрузки, как механические, так и тепловые (последние возникают из-за того, что кинетическая энергия набегающего потока при его торможении поверхностями аппарата превращается в тепло!).
Складывание убивает сразу несколько зайцев. Во-первых, крыло можно сделать более легким, так как ему не приходится воспринимать огромную механическую нагрузку при гиперзвуковом полете на больших углах атаки. Во-вторых, облегчаются требования к его термозащите, так как в сложенном положении встречный поток практически скользит по его поверхности. Мощный эффект его торможения возникает только на передних кромках, которые всё равно приходится защищать в любой конструкции сверхскоростного летательного аппарата. Наконец, в-третьих, сложенное крыло в известной степени экранирует боковые поверхности фюзеляжа.
В этой схеме основная часть тепловой нагрузки приходится на днище фюзеляжа, а оно, как мы помним, защищено у Цыбина отдельным теплозащитным экраном, установленным не прямо на конструкцию днища, а с зазором в 100 мм.
Конечно, у этой схемы есть и недостатки, и главный из них состоит в наличии механизма поворота крыла. Масса этого механизма может не только снизить полезный эффект от облегчения конструкции крыла, но и превзойти весь полученный на этом весовой выигрыш. Кроме того, в аппарате появляется еще один узел, надежность которого критически влияет на безопасность полета.
Но и такое удачное, казалось бы, решение, как поворот крыла, не всегда бывает верным. При продувках моделей ПКА, проводившихся в ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт — один из главных научно-исследовательских, экспериментальных и расчетных центров авиакосмической отрасли СССР и Российской Федерации!), оказалось, что на самом напряженном участке спуска шарнир поворота крыла находится в зоне, где подвод тепла максимален, а отвод почти полностью отсутствует. Выяснилось также, что тепловые нагрузки на донный экран значительно превосходят расчетные величины, и выбранный материал экрана их не выдержит.
Тогда же было установлено, что допуски на возможное пространственное положение аппарата при планирующем спуске должны быть крайне жесткими. В том, что удастся обеспечить необходимую точность ориентации при помощи существовавших тогда приборов, уверенности не было. Исследования моделей ПКА сыграли немалую роль в «развороте» Королева в сторону баллистического спускаемого аппарата…
Не следует, однако, думать, что суть всего, что было достигнуто, сводится к выявлению сложностей и примерной оценке их масштаба. В работах по первому поколению ракетопланов были получены многочисленные результаты позитивного характера. Причем они появляются уже на ранних стадиях разработки, когда уточняются возможные сценарии полета, просчитываются необходимые величины аэродинамических коэффициентов, делаются первые анализы возможных форм аппарата и его частей, первые наброски узлов конструкции.
Страница 7 из 8
