Қанатсыз құрамды ұшақтар және ғарыш кемелерінің аэродинамикасы
Lifting body
Көтерілетін корпус: ұшақ дизайны, корпустың өзі көтергіш күшті тудырады. 60-70 жылдары ғарыш кемелерін жасауда зерттелген. Жоғары жылдамдықтарда тиімді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ұшақ конфигурациясы, онда фюзеляж маңызды көтергіш күш тудырады.
Aircraft configuration in which the fuselage produces significant lift
Көтергіш корпус – бұл бекітілген қанатты ұшақ немесе ғарыш кемесінің конфигурациясы, онда корпус өзі көтергіш күшті қамтамасыз етеді. Ұшушы қанаттан айырмашылығы, ол минималды немесе мүлдем дәстүрлі фюзеляжы жоқ қанат болып табылады, көтергіш корпусты аз немесе мүлдем дәстүрлі қанаты жоқ фюзеляж ретінде қарастыруға болады. Ұшушы қанаттың мақсаты – көтергіш емес беттерді жою арқылы субсоникалық жылдамдықтарда круиздік тиімділікті максималды ету, ал көтергіш корпус әдетте субсоникалық, супероникалық және гиперсоникалық ұшу немесе ғарыш кемесінің қайта кіруі үшін қанаттың соққысын және құрылымын азайтады. Бұл ұшу режимдерінің барлығы қауіпсіз ұшуға қатысты қиындықтар тудырады. Көтергіш корпус 1960 және 70-жылдары шағын және жеңіл экипаждық ғарыш кемесін құру құралы ретінде зерттеудің маңызды саласы болды. АҚШ бұл концепцияны сынау үшін бірнеше көтергіш ракеталық ұшақтарды, сондай-ақ Тынық мұхиты үстінде сынақтан өткен бірнеше ракетамен ұшырылатын қайта кіру құралдарын жасады. АҚШ Әуе күштері экипаждық миссияға қызығушылық танытқаннан кейін қызығушылық азайды, ал негізгі даму ғарыш кемесінің дизайны кезінде аяқталды, себебі мұндай пішіндес фюзеляждарға жанар май бактарын орнату қиын болды. 1990 және 2000-жылдардағы кеңейтілген ғарыш ұшағы концепциялары көтергіш корпус дизайндарын пайдаланды. Мысалдарға HL 20 Жеке тұлғаларды ұшыру жүйесі (1990) және Прометей ғарыш ұшағы (2010) жатады. Dream Chaser көтергіш корпусты ғарыш ұшағы, HL 20 технологиясының дамуы, АҚШ экипажын Халықаралық ғарыш станциясына және одан тасымалдауға болатын үш көлік құралының бірі ретінде ұсынылды, бірақ ақырында қайта жабдықтау көлігі ретінде таңдалды. 2015 жылы ЕКА-ның аралық эксперименттік аппараты көтергіш корпусы бар ғарыш кемесімен алғаш рет сәтті қайта кірді.
A lifting body is a fixed wing aircraft or spacecraft configuration in which the body itself produces lift. In contrast to a flying wing, which is a wing with minimal or no conventional fuselage, a lifting body can be thought of as a fuselage with little or no conventional wing. Whereas a flying wing seeks to maximize cruise efficiency at subsonic speeds by eliminating non lifting surfaces, lifting bodies generally minimize the drag and structure of a wing for subsonic, supersonic and hypersonic flight, or spacecraft re entry. All of these flight regimes pose challenges for proper flight safety. Lifting bodies were a major area of research in the 1960s and 70s as a means to build a small and lightweight crewed spacecraft. The US built a number of lifting body rocket planes to test the concept, as well as several rocket launched re entry vehicles that were tested over the Pacific. Interest waned as the US Air Force lost interest in the crewed mission, and major development ended during the Space Shuttle design process when it became clear that the highly shaped fuselages made it difficult to fit fuel tankage. Advanced spaceplane concepts in the 1990s and 2000s did use lifting body designs. Examples include the HL 20 Personnel Launch System (1990) and the Prometheus spaceplane (2010). The Dream Chaser lifting body spaceplane, an extension of HL 20 technology, was proposed as one of three vehicles to potentially carry US crew to and from the International Space Station, but eventually was selected as a resupply vehicle instead. In 2015 the ESA Intermediate eXperimental Vehicle performed the first ever successful reentry of a lifting body spacecraft.
Тарих
Көтергіш корпус 1917 жылы ойластырылған, сол жылы Рой Скроггс патенттеген ұшақ, қалың фюзеляжымен және дельта қанат пішініне ұқсас нәрсемен сипатталған. Дегенмен, төменгі ауа жылдамдықтарында көтергіш корпус тиімсіз болды және кең таралған ұшақ құрылысына енбеді. Ғарыш саласындағы көтергіш корпус зерттеулері ғарыш кемелерінің Жер атмосферасына қайта кіруі және әдеттегі ұшақ сияқты қону идеясынан туындады. Атмосфераға қайта кіргеннен кейін Меркурий, Gemini және Apollo сериялы капсулалары қону орнын бақылау мүмкіндігі шектеулі болды. Қанаты бар, басқарылатын ғарыш кемесі қону аймағын едәуір кеңейте алатын еді. Алайда, көліктің қанаттары қайта кіру және гипердыбыстық ұшудың динамикалық және жылулық күштеріне төтеп беруге лайықты болуы керек еді. Бір ұсыныста қанаттарды мүлдем алып тастау қарастырылды: фюзеляж денесінің өзі көтерілу күшін қамтамасыз ететіндей етіп жасау. НАСА-ның көтергіш корпус тұжырымдамасын жетілдіру жұмыстары 1962 жылы НАСА-ның Армстронг ұшу зерттеу орталығындағы Р. Дейл Ридпен басталды. Кейіннен аппарат C-47 ұшағының артынан сүйретіліп, босатылды. M2 F1 планеры болғандықтан, қону жолын ұзарту үшін кішкентай ракеталық қозғалтқыш қосылды. M2 F1 жақын арада "Ұшқан ванна" деп аталды. 1963 жылы НАСА B-52 реактивтік бомбалаушы ұшағының түйіндемесі NB 52B-нің оң қанатының астынан ұшырылатын, қуатты ракеталық көтергіш аппараттармен бағдарламаларды бастады. Алғашқы ұшулар 1966 жылы өтті. Драйденнің көтергіш корпустарының барлығы, қуатсыз НАСА M2 F1-ден басқа, Bell X-1-де қолданылған XLR11 ракеталық қозғалтқышын пайдаланды. Northrop HL-10 деп аталған келесі үлгі NASA Langley Research Center-де әзірленді. Ауа ағынының бөлінуі Northrop M2 F2 көтергіш корпусының апатқа ұшырауына себеп болды. HL-10 сол және оң жақ тік қанаттарын сыртқа бұрып, ортаңғысын кеңейту арқылы осы мәселенің бір бөлігін шешуге тырысты. 1965 жылдан бастап советтік Микоян-Гуревич МиГ-105 немесе ЭПОС (эксперименталды жолаушылар орбиталық ұшағы – орысша аббревиатура) көтергіш корпусы жасалды және бірнеше сынақ ұшулары жүргізілді. Жұмыс 1978 жылы аяқталды, күш-жігер Буран бағдарламасына ауыстырылды, ал тағы бір кішкентай ғарыш аппараты бойынша жұмыс Бор бағдарламасында жартылай жалғасты. IXV – Еуропалық ғарыш агенттігінің эксперименттік қайта кіру аппараты, ол FLPP бағдарламасы аясында бағаланатын Еуропалық қайта пайдалануға болатын ұшыру құрылғыларын растауға арналған. IXV 2015 жылдың ақпан айында Vega зымыранымен алғашқы ұшуын жасады. Orbital Sciences 2010 жылы коммерциялық көтергіш корпусты ғарыш ұшағын ұсынды. Sierra Nevada Corporation (SNC) компаниясы тік ұшып, көлденең қону (VTHL) жүзеге асыратын көтергіш корпусты ғарыш ұшағын әзірлеп жатыр. Dream Chaser жобасы Жердің төменгі орбитасына жеті адамға дейін және одан кері тасымалдауды көздеп отыр, ал қазіргі уақытта ғарыш ұшағы Коммерциялық жабдықтау қызметтері бағдарламасы бойынша Халықаралық ғарыш станциясына жүк жеткізу үшін пайдалану жоспарланған. Аппарат Atlas V зымырасымен тік ұшып, әдеттегі ұшу-қону жолағына көлденең қонады.
The lifting body had been imagined by 1917, in which year an aircraft with something like a delta wing plan form with a thick included fuselage was described in a patent by Roy Scroggs. However at low airspeeds the lifting body is inefficient and did not enter mainstream airplane design. Aerospace related lifting body research arose from the idea of spacecraft re entering the Earth's atmosphere and landing much like a regular airplane. Following atmospheric re entry, the capsule spacecraft from the Mercury, Gemini, and Apollo series had very little control over where they landed. A steerable spacecraft with wings could significantly extend its landing envelope. However, the vehicle's wings would have to be designed to withstand the dynamic and thermal stresses of both re entry and hypersonic flight. One proposal eliminated wings altogether: design the fuselage body to produce lift by itself. NASA's refinements of the lifting body concept began in 1962 with R. Dale Reed of NASA's Armstrong Flight Research Center. Later the craft was towed behind a C 47 and released. Since the M2 F1 was a glider, a small rocket motor was added in order to extend the landing envelope. The M2 F1 was soon nicknamed the "Flying Bathtub". In 1963, NASA began programs with heavier rocket powered lifting body vehicles to be air launched from under the starboard wing of a NB 52B, a derivative of the B 52 jet bomber. The first flights started in 1966. Of the Dryden lifting bodies, all but the unpowered NASA M2 F1 used an XLR11 rocket engine as was used on the Bell X 1. A follow on design designated the Northrop HL 10 was developed at NASA Langley Research Center. Air flow separation caused the crash of the Northrop M2 F2 lifting body. The HL 10 attempted to solve part of this problem by angling the port and starboard vertical stabilizers outward and enlarging the center one. Starting 1965 the Russian lifting body Mikoyan Gurevich MiG 105 or EPOS (Russian acronym for Experimental Passenger Orbital Aircraft) was developed and several test flights made. Work ended in 1978 when the efforts shifted to the Buran program, while work on another small scale spacecraft partly continued in the Bor program. The IXV is a European Space Agency lifting body experimental re entry vehicle intended to validate European reusable launchers which could be evaluated in the frame of the FLPP program. The IXV made its first flight in February 2015, launched by a Vega rocket. Orbital Sciences proposed a commercial lifting body spaceplane in 2010. vertical takeoff, horizontal landing (VTHL) lifting body spaceplane being developed by Sierra Nevada Corporation (SNC). The Dream Chaser design is planned to eventually carry up to seven people to and from low Earth orbit, and the spaceplane is currently planned to be used for delivering cargo to the International Space Station under the Commercial Resupply Services program. The vehicle will launch vertically on an Atlas V and land horizontally on conventional runways.
Денені көтеру
Кейбір қанаттары бар ұшақтарда көтерілуді қамтамасыз ететін корпустар да қолданылады. 1930 жылдардың басында Bellanca Aircraft Company компаниясының Bellanca Aircruiser сияқты жоғары қанатты моноплан үлгілерінің кейбіреулерінде көтеруге қабілетті фюзеляж болған, тіпті кейбір нұсқаларындағы қанат тіреулері кеңейтілген қанаттық бөліктермен жабдықталып, көтеруге қабілеттіліктері арттырылған. 1930 жылдардағы Gee Bee R 1 Super Sportster жарыс ұшағы да, қазіргі заманғы аэродинамикалық зерттеулерге сәйкес, фюзеляж дизайнының өзі көтеруге едәуір мүмкіндік бергені анықталды, бұл R 1 үшін маңызды жарыс ролінде, жарыс кезінде тік бұрылыстар жасағанда тиімді болды. Винсент Бернелли 1920-1950 жылдар аралығында фюзеляж көтеруін пайдаланатын бірнеше ұшақтарды жасады. Bellanca-ның бұрынғы монопландары сияқты, Short SC.7 Skyvan да фюзеляж пішіні арқасында айтарлықтай көтеру күшін өндіреді, бұл қанаттардың әрқайсысы өндіретін 35%-ға жуық. F 15 Eagle сияқты истребительдер де қанаттары арасындағы кең фюзеляж есебінен маңызды көтеру күшін алады. F 15 Eagle ұшағының кең фюзеляжының тиімділігі жоғары болғандықтан, F 15 бір қанатымен де сәтті қонуға қабілетті, бірақ толық қуатпен, итермелі күш көтеруге үлкен үлес қосады. 1983 жылдың жазында Израильдің F-15 ұшағы Негев шөліндегі Нахал Цин маңында жаттығу мақсатында Skyhawk ұшақтарымен имитациялық шайқас өткізді. Жақсы жаттығу кезінде Skyhawk ұшақтарының бірі қате есептеп, F-15 қанатының түбіне қатты соқтығысты. F-15 ұшқышы қанатының зақымдалғанын білген, бірақ зақымның ауқымын білмей, жақын маңдағы әуе базасына қонуға тырысты. Тек қонғаннан кейін, кабинадан шығып, артқа қарағанда ғана ұшқыш не болғанын түсінді: қанат ұшақтан толығымен жұлынған, ол ұшақты тек бір қанатымен қондырған. Бірнеше айдан кейін зақымдалған F-15 жаңа қанатты алып, эскадрильяның операциялық міндеттеріне қайта оралды. McDonnell Douglas инженерлері бір қанатпен қону оқиғасына сенуге қиналды: олардың жоспарлау модельдері бойынша мұндай нәрсе мүмкін емес еді. 2010 жылы Orbital Sciences коммерциялық экипаж бағдарламасы аясында астронавттарды Жердің төменгі орбитасына тасымалдау үшін Space Shuttle-дан шамамен төрт есе кіші "аралас көтергіш корпус" ғарыш кемесі Prometheus-ті ұсынды. Вертикальді ұшып көтерілу және көлденең қону (VTHL) аппараты адамдарды тасымалдауға дайын Atlas V зымыранымен ұшырылуы тиіс еді, бірақ ұшу-қону жолағына қонатын еді. Бастапқы жобаға 4 адамдық экипаж мінгізілуі жоспарланған, бірақ 6 адамға дейін немесе экипаж пен жүк комбинациясына да қабілетті еді. Orbital Sciences-тен басқа, консорциумға Northrop Grumman да кірді, ол ғарыш ұшағын құрастырмақ, ал Біріккен ұшыру альянсы ұшыру құралын қамтамасыз ететін еді. NASA-ның CCDev 2-ші кезеңіне іріктеуден өтпегендіктен, Orbital 2011 жылдың сәуірінде коммерциялық экипаж көлігін әзірлеу жөніндегі жұмыстарын тоқтатуға дайын екенін мәлімдеді. Көтергіш корпустардың конструкциялық принциптері гибридтік дирижабльдерді құрастыруда да қолданылады.
Some aircraft with wings also employ bodies that generate lift. Some of the early 1930s high wing monoplane designs of the Bellanca Aircraft Company, such as the Bellanca Aircruiser, had vaguely airfoil shaped fuselages capable of generating some lift, with even the wing struts on some versions given widened fairings to give them some lift generating capability. The Gee Bee R 1 Super Sportster racing plane of the 1930s, likewise, from more modern aerodynamic studies, has been shown to have had considerable ability to generate lift with its fuselage design, important for the R 1's intended racing role, while in highly banked pylon turns while racing. Vincent Burnelli developed several aircraft between the 1920s and 1950 that used fuselage lift. Like the earlier Bellanca monoplanes, the Short SC.7 Skyvan produces a substantial amount of lift from its fuselage shape, almost as much as the 35% each of the wings produces. Fighters like the F 15 Eagle also produce substantial lift from the wide fuselage between the wings. Because the F 15 Eagle's wide fuselage is so efficient at lift, an F 15 is able to land successfully with only one wing, albeit under nearly full power, with thrust contributing significantly to lift. In the summer of 1983, an Israeli F 15 staged a mock dogfight with Skyhawks for training purposes, near Nahal Tzin in the Negev desert. During the exercise, one of the Skyhawks miscalculated and collided forcefully with the F 15's wing root. The F 15's pilot was aware that the wing had been seriously damaged, but decided to try and land in a nearby airbase, not knowing the extent of his wing damage. It was only after he had landed, when he climbed out of the cockpit and looked backward, that the pilot realized what had happened: the wing had been completely torn off the plane, and he had landed the plane with only one wing attached. A few months later, the damaged F 15 had been given a new wing, and returned to operational duty in the squadron. The engineers at McDonnell Douglas had a hard time believing the story of the one winged landing: as far as their planning models were concerned, this was an impossibility. In 2010, Orbital Sciences proposed the Prometheus "blended lifting body" spaceplane vehicle, about one quarter the size of the Space Shuttle, as a commercial option for carrying astronauts to low Earth orbit under the commercial crew program. The Vertical Takeoff, Horizontal Landing (VTHL) vehicle was to have been launched on a human rated Atlas V rocket but would land on a runway. The initial design was to have carried a crew of 4, but it could carry up to 6, or a combination of crew and cargo. In addition to Orbital Sciences, the consortium behind the proposal included Northrop Grumman, which would have built the spaceplane, and the United Launch Alliance, which would have provided the launch vehicle. Failing to be selected for a CCDev phase 2 award by NASA, Orbital announced in April 2011 that they would likely wind down their efforts to develop a commercial crew vehicle. Design principles of lifting bodies are used also in the construction of hybrid airships.
Ұшқыштар мен ұшулар
Pilot M2 F1 M2 F2 HL 10 HL 10mod M2 F3 X 24A X 24B Жалпы Милтон О. Томпсон 45 5 50 Брюс Петерсон 17 3 1 21 Чак Йегер 5 5 Дональд Л. Маллик 2 2 Джеймс В. Вуд 1* 1* Дональд М. Сорли 5 3 8 Уильям Х. Дана 1 9 19 2 31 Джерольд Р. Джентри 2 5 9 1 13 30 Фред Хейз 1* 1* Джо Энгл 1* 1* Джон А. Манке 10 4 12 16 42 Питер С. Хог 8 8 Сесил В. Пауэлл 3 3 6 Майкл В. Лав 12 12 Эйнар К. Эневолдсон 2 2 Фрэнсис Скоби 2 2 Томас К. МакМуртри 2 2 БАҒАДЫ 80 16 37 36 27 28 36 224
Pilot M2 F1 M2 F2 HL 10 HL 10mod M2 F3 X 24A X 24B Total Milton O. Thompson 45 5 50 Bruce Peterson 17 3 1 21 Chuck Yeager 5 5 Donald L. Mallick 2 2 James W. Wood 1* 1* Donald M. Sorlie 5 3 8 William H. Dana 1 9 19 2 31 Jerauld R. Gentry 2 5 9 1 13 30 Fred Haise 1* 1* Joe Engle 1* 1* John A. Manke 10 4 12 16 42 Peter C. Hoag 8 8 Cecil W. Powell 3 3 6 Michael V. Love 12 12 Einar K. Enevoldson 2 2 Francis Scobee 2 2 Thomas C. McMurtry 2 2 TOTAL 80 16 37 36 27 28 36 224
Вуд, Хейз және Энгл әрқайсысы M2 F1 ұшағын бір рет көлікпен буксирледі.
Wood, Haise and Engle each made a single car towed flight of the M2 F1.
Танымал мәдениет
Көтергіш денелер кейбір ғылыми фантастикалық туындыларда, соның ішінде "Мэрунд" фильмінде және Джон Крайтонның "Фарскейп 1" телесериалындағы ғарыш кемесінде кездеседі. Discovery Channel телесериалы компьютерлік анимациядағы "Alien Planet" телехикаясында, алыс, Жерге ұқсас планетаға зонд жеткізу үшін көтергіш денелерді пайдалану мүмкіндігін қарастырды. Джерри Андерсонның 1969 жылғы "Доппельгенгері" Жерге ұқсас планетаға сапар үшін VTOL көтергіш дене қондырғысын/көтеріліс құралын пайдаланды, бірақ екі әрекетінде де құлады. Оның "UFO" сериалында орбиталық операциялар үшін M2 F2-ға ұқсас көтергіш дене қолданылды ("Келген адам"). Buzz Aldrin's Race Into Space компьютерлік ойынында, өзгертілген X 24A, ойыншының Gemini немесе Apollo капсуласының орнына таңдауына болатын, Айға қабілетті баламалы ғарыш кемесіне айналады. 1970-ші жылдардағы "Алты миллион долларлық адам" телебағдарламасы, шоудың ашылу тізбегінде NASA-ның нақты жаттығуларынан алынған көтергіш дене ұшағының кадрларын пайдаланды. Сцендерге HL 10-ның тасымалдаушы ұшағынан бөлінуі, Брюс Петерсон басқарған M2 F2-нің Эдвардстың құрғақ көл төсегіндегі ұшу-қону жолағында құлауы және аударылып құлауы кірді. Аварияның себебі, ағынның бөлінуінен туындаған басқарудың тұрақсыздығынан пайда болған голландтық дөңгелектің басталуы деп есептелді. "The Deadly Replay" эпизоды (2-ші маусымның 8-ші бөлімі, 1974 жылдың 22 қыркүйегінде көрсетілді) HL 10-ды оқиғаның реквизиті ретінде көрсетеді.
Lifting bodies have appeared in some science fiction works, including the movie Marooned, and as John Crichton's spacecraft Farscape 1 in the TV series Farscape. The Discovery Channel TV series conjectured using lifting bodies to deliver a probe to a distant earth like planet in the computer animated Alien Planet. Gerry Anderson's 1969 Doppelgänger used a VTOL lifting body lander / ascender to visit an Earth like planet, only to crash in both attempts. His series UFO featured a lifting body craft visually similar to the M2 F2 for orbital operations ("The Man Who Came Back"). In the Buzz Aldrin's Race Into Space computer game, a modified X 24A becomes an alternative lunar capable spacecraft that the player can choose over the Gemini or Apollo capsule. The 1970s television program The Six Million Dollar Man used footage of a lifting body aircraft, culled from actual NASA exercises, in the show's title sequence. The scenes included an HL 10's separation from its carrier plane—a modified B 52—and an M2 F2 piloted by Bruce Peterson, crashing and tumbling violently along the Edwards dry lakebed runway. The cause of the crash was attributed to the onset of Dutch roll stemming from control instability as induced by flow separation. The episode "The Deadly Replay" (season 2 episode 8 aired 9/22/1974) features the HL 10 as a prop of the story.
Басқа дереккөздер
Макфи, Джон (1973), Дельтоидты қабақ тұқымы; (Аэреон тарихы, аэродинамикалық және аэростаттың үйлесімі, яғни гибридтік дирижабль.)
McPhee, John (1973), The Deltoid Pumpkin Seed; (Story of the Aereon, a combination aerodyne/aerostat, a. k. a. hybrid airship.)