Для чего космическому кораблю крылья?

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 ).

Внешний вид спускаемого аппарата

Аэродинамические характеристики

Ближайший аналог — грузовой модуль программы «Constellation»

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.

Траектория спуска без бокового маневра

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.

Боковой маневр в координата «долгота-широта»

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).

Траектории «несущего» КА с маневрами по крену разной продолжительности

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

Поворот относительно произвольного вектора

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

Угол между двумя векторами с сохранением знака

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