Подъёмное тело: Аэродинамическая схема летательных аппаратов.

Введение

Конфигурация самолета, в которой фюзеляж создает значительную подъемную силу.

Подъемный корпус – это конструкция самолета или космического корабля с фиксированным крылом, в которой подъемную силу создает сам корпус. В отличие от летающего крыла, которое представляет собой крыло с минимальным или отсутствующим фюзеляжем, подъемный корпус можно рассматривать как фюзеляж с небольшим или отсутствующим крылом. В то время как летающее крыло стремится максимизировать эффективность крейсерского полета на дозвуковых скоростях за счет устранения неподъемных поверхностей, подъемные корпуса обычно минимизируют сопротивление и конструкцию крыла для дозвукового, сверхзвукового и гиперзвукового полета, а также при повторном входе космического корабля в атмосферу. Все эти режимы полета создают проблемы для обеспечения безопасности полетов. Подъемные корпуса были важной областью исследований в 1960-х и 1970-х годах как способ создания небольшого и легкого пилотируемого космического корабля. США построили ряд самолетов-ракет для испытания этой концепции, а также несколько ракетных аппаратов для повторного входа, которые испытывались над Тихим океаном. Интерес к разработке снизился, когда ВВС США утратили интерес к пилотируемым миссиям, а основные работы были завершены в процессе проектирования космического челнока, когда стало ясно, что обтекаемые фюзеляжи затрудняют размещение топливных баков. В продвинутых концепциях космических самолетов 1990-х и 2000-х годов использовались конструкции подъемного корпуса. Примерами являются система запуска персонала HL-20 (1990) и космический самолет "Прометей" (2010). Космический самолет с подъемным корпусом Dream Chaser, являющийся развитием технологии HL-20, был предложен в качестве одного из трех аппаратов, потенциально способных доставлять американских космонавтов на Международную космическую станцию и обратно, но в конечном итоге был выбран для доставки грузов. В 2015 году экспериментальный аппарат ESA Intermediate eXperimental Vehicle совершил первый в истории успешный повторный вход в атмосферу аппарата с подъемным корпусом.

История

Подъемный корпус был задуман еще в 1917 году, когда Рой Скроггс описал в патенте летательный аппарат с формой крыла, близкой к дельтовидной, и толстым фюзеляжем. Однако на малых скоростях подъемный корпус неэффективен и не получил широкого распространения в авиационной конструкции. Аэрокосмические исследования подъемных тел возникли из идеи о возвращении космического корабля в атмосферу Земли и посадке, подобной посадке обычного самолета. После входа в атмосферу, капсульные космические корабли серий "Меркурий", "Джемини" и "Аполлон" имели ограниченный контроль над местом посадки. Управляемый космический корабль с крыльями мог значительно расширить диапазон посадки. Однако крылья аппарата должны были быть рассчитаны на выдерживание динамических и термических нагрузок как при входе в атмосферу, так и при гиперзвуковом полете. Одно из предложений заключалось в полном отказе от крыльев: конструкция корпуса фюзеляжа должна была сама создавать подъемную силу. Совершенствование концепции подъемного тела в NASA началось в 1962 году благодаря Р. Дейлу Риду из Исследовательского центра полетов NASA имени Армстронга. Позже аппарат буксировали за C-47 и отпускали. Поскольку M2 F1 был планером, для расширения диапазона посадки был добавлен небольшой ракетный двигатель. M2 F1 вскоре получил прозвище "Летающая ванна". В 1963 году NASA начала программы с более тяжелыми ракетопланами с подъемным корпусом, которые запускались из-под правого крыла NB 52B – модификации реактивного бомбардировщика B-52. Первые полеты начались в 1966 году. Из подъемных тел Драйдена все, кроме беспилотного NASA M2 F1, использовали ракетный двигатель XLR11, как и на Bell X-1. Последующая разработка, получившая название Northrop HL-10, была выполнена в Исследовательском центре NASA Лэнгли. Отрыв потока привел к катастрофе Northrop M2 F2. HL-10 попытался решить эту проблему, наклонив левый и правый вертикальные стабилизаторы наружу и увеличив центральный. Начиная с 1965 года разрабатывался советский подъемный корпус МиГ-105 Микояна и Гуревича или ЭПОС (русская аббревиатура от Экспериментального пассажирского орбитального самолета), и было выполнено несколько испытательных полетов. Работы были завершены в 1978 году, когда усилия были перенесены на программу "Буран", в то время как работа над другим небольшим космическим аппаратом частично продолжалась в рамках программы "Бор". IXV – экспериментальный аппарат Европейского космического агентства с подъемным корпусом, предназначенный для проверки европейских многоразовых ракет-носителей, которые могут быть оценены в рамках программы FLPP. IXV совершил свой первый полет в феврале 2015 года, запущенный ракетой Vega. В 2010 году Orbital Sciences предложила коммерческий космический самолет с подъемным корпусом. Разрабатывается космический самолет с подъемным корпусом, способный к вертикальному взлету и горизонтальной посадке (VTHL) компанией Sierra Nevada Corporation (SNC). Проект Dream Chaser планируется использовать для перевозки до семи человек на низкую околоземную орбиту и обратно, а также для доставки грузов на Международную космическую станцию в рамках программы коммерческого обеспечения поставок. Аппарат будет стартовать вертикально на ракете Atlas V и приземляться горизонтально на обычных взлетно-посадочных полосах.

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.

Подъем тела

Некоторые самолеты с крыльями также используют фюзеляжи, создающие подъемную силу. Некоторые из высокопланов компании Bellanca Aircraft Company 1930-х годов, такие как Bellanca Aircruiser, имели фюзеляжи с обтекаемыми формами, способными генерировать некоторую подъемную силу, а на некоторых версиях даже обтекатели крыльевых распорок были расширены для придания им способности создавать подъемную силу. Гоночный самолет Gee Bee R 1 Super Sportster 1930-х годов, как показали более современные аэродинамические исследования, также обладал значительной способностью генерировать подъемную силу за счет конструкции фюзеляжа, что было важно для предполагаемой гоночной роли R 1 при выполнении крутых виражей у пилонов во время гонок. Винсент Бернелли разработал несколько самолетов в период с 1920-х по 1950-е годы, использовавших подъемную силу фюзеляжа. Как и более ранние монопланы Bellanca, Short SC.7 Skyvan создает значительную часть подъемной силы за счет формы своего фюзеляжа, почти равную 35% подъемной силы, создаваемой каждым крылом. Истребители, такие как F-15 Eagle, также создают значительную подъемную силу благодаря широкому фюзеляжу между крыльями. Благодаря высокой эффективности широкого фюзеляжа F-15 Eagle, F-15 способен успешно приземлиться только с одним крылом, хотя и почти на полной мощности, при этом тяга вносит значительный вклад в подъемную силу. Летом 1983 года израильский F-15 провел учебный маневровый бой с самолетами Skyhawk недалеко от Нахаль Цин в пустыне Негев. Во время учений один из Skyhawk ошибочно оценил ситуацию и сильно столкнулся с корневой частью крыла F-15. Пилот F-15 знал, что крыло серьезно повреждено, но решил попытаться приземлиться на ближайшей авиабазе, не зная масштаба повреждений. Он понял, что произошло, только после приземления, когда выбрался из кабины и оглянулся назад: крыло было полностью оторвано от самолета, и он приземлился только с одним крылом. Через несколько месяцев поврежденный F-15 получил новое крыло и вернулся к выполнению боевых задач в составе эскадрильи. Инженеры McDonnell Douglas с трудом поверили в историю об однокрылой посадке: по их расчетам это было невозможно. В 2010 году компания Orbital Sciences предложила космический аппарат "смешанного типа" Prometheus, размером примерно в четверть от размера космического челнока, в качестве коммерческого варианта для перевозки астронавтов на низкую околоземную орбиту в рамках программы коммерческого экипажа. Аппарат с вертикальным взлетом и горизонтальной посадкой (VTHL) должен был быть запущен ракетой-носителем Atlas V, но приземляться на взлетно-посадочную полосу. Первоначальный проект предусматривал экипаж из 4 человек, но он мог перевозить до 6 человек или комбинацию экипажа и груза. Помимо Orbital Sciences, консорциум, стоявший за предложением, включал Northrop Grumman, который должен был построить космический самолет, и United Launch Alliance, которая должна была предоставить ракету-носитель. Не получив награду NASA во второй фазе CCDev, Orbital объявила в апреле 2011 года, что, вероятно, свернет свои усилия по разработке коммерческого космического корабля. Принципы проектирования подъемных корпусов также используются при строительстве гибридных дирижаблей.

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.

Пилоты и полеты

Пилот M2 F1 M2 F2 HL 10 HL 10mod M2 F3 X 24A X 24B Общее количество Милтон О. Томпсон 45 5 50 Брюс Питерсон 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. Хоаг 8 8 Сесил В. Пауэл 3 3 6 Майкл В. Лав 12 12 Энар К. Эневолдсон 2 2 Фрэнсис Скоби 2 2 Томас К. МакМуртри 2 2 ИТОГО 80 16 37 36 27 28 36 224 Вуд, Хейз и Энгл каждый совершили по одному полёту на буксируемом автомобиле M2 F1.

Другие источники

Макфи, Джон (1973), Дельтовидные семена тыквы; (История об Aereon – комбинации аэродинамического аппарата и аэростата, также известного как гибридный дирижабль.)

Введение

История

Подъем тела

Пилоты и полеты

Популярная культура

Другие источники