Подъемное тело - Lifting body

Подъемные кузова X-24A, M2-F3 и HL-10 американского производства

Несущий корпус представляет собой воздушное судно с неподвижным крылом или космическими аппаратами конфигурация , в которой само тело производит подъем . В отличие от летающего крыла , которое представляет собой крыло с минимальным фюзеляжем или без него , подъемное тело можно рассматривать как фюзеляж с небольшим крылом или без него . В то время как летающее крыло стремится максимизировать крейсерскую эффективность на дозвуковых скоростях за счет устранения неподъемных поверхностей, подъемные тела обычно сводят к минимуму сопротивление и структуру крыла для дозвукового, сверхзвукового и гиперзвукового полета или повторного входа космического корабля . Все эти режимы полета создают проблемы для обеспечения надлежащей безопасности полетов.

Подъемные тела были основной областью исследований в 1960-х и 1970-х годах как средство создания небольших и легких пилотируемых космических кораблей. США построили ряд реактивных самолетов с подъемным фюзеляжем для проверки концепции, а также несколько запускаемых ракетами реактивных самолетов, которые были испытаны над Тихим океаном. Интерес снизился, поскольку ВВС США потеряли интерес к пилотируемой миссии, и основные разработки закончились во время процесса проектирования космического шаттла, когда стало ясно, что фюзеляжи высокой формы затрудняют установку топливных баков.

В передовых концепциях космических самолетов 1990-х и 2000-х годов действительно использовалась конструкция подъемного корпуса. Примеры включают систему запуска персонала HL-20 (1990 г.) и космоплан «Прометей» (2010 г.). Космический самолет с подъемным корпусом Dream Chaser , являющийся продолжением технологии HL-20, разрабатывался с 2012 года как один из трех транспортных средств, которые потенциально могут доставить американский экипаж на Международную космическую станцию и обратно . В 2015 году промежуточный экспериментальный корабль ЕКА выполнил первый в истории успешный вход в атмосферу космического корабля с подъемным корпусом.

История

Подъемный корпус был задуман еще в 1917 году, когда что-то вроде формы Delta Wing Plan Form с толстым фюзеляжем было описано в патенте Роя Скроггса . Однако на малых скоростях подъемное тело неэффективно и не входило в стандартную конструкцию самолетов.

Связанные с космосом исследования подъемных тел возникли из идеи космического корабля, который снова войдет в атмосферу Земли и приземлится, как обычный самолет . После возвращения в атмосферу традиционные капсулы из серий « Меркурий» , « Близнецы» и « Аполлон » практически не контролировали место приземления. Управляемый космический корабль с крыльями может значительно расширить зону посадки. Однако крылья корабля должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать динамические и термические нагрузки как при входе в атмосферу, так и при гиперзвуковом полете. Предлагаемое решение полностью исключило крылья: конструкция самого фюзеляжа обеспечивала подъемную силу.

X-24, созданный Martin Aircraft Company в рамках экспериментальной военной программы США с 1963 по 1975 год.

НАСА «s уточнения концепции подъема тела началось в 1962 году с Р. Дейл Рид из НАСА » s исследовательского центра Armstrong полетов . Первой полноразмерной моделью, появившейся в рамках программы Рида, был NASA M2-F1 , аппарат без двигателя, сделанный из дерева. Первоначальные испытания проводились буксировкой M2-F1 по высохшему дну озера на базе ВВС Эдвардс в Калифорнии, за модифицированным Pontiac Catalina . Позже корабль отбуксировали за С-47 и выпустили. Поскольку M2-F1 был планером , для увеличения зоны посадки был добавлен небольшой ракетный двигатель . M2-F1 вскоре получил прозвище «Летающая ванна».

В 1963 году НАСА начало программы с более тяжелыми ракетными подъемными кузовами, которые будут запускаться в воздух из-под правого крыла NB-52B, производного от реактивного бомбардировщика B-52 . Первые полеты начались в 1966 году. Все подъемные тела Драйдена, кроме безмоторного NASA M2-F1, использовали ракетный двигатель XLR11, который использовался на Bell X-1 . Последующий проект, получивший обозначение Northrop HL-10, был разработан в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли . Отрыв воздушного потока вызвал крушение подъемного корпуса Northrop M2-F2 . В HL-10 была предпринята попытка решить часть этой проблемы путем отклонения вертикальных стабилизаторов левого и правого борта наружу и увеличения центрального стабилизатора .

Начиная с 1965 г. был разработан российский подъемно-транспортное средство « Микоян-Гуревич» МиГ-105 или ЭПОС (русское сокращение от «Экспериментальный пассажирский орбитальный самолет») и произведено несколько испытательных полетов. Работа завершилась в 1978 году, когда усилия были переведены на программу « Буран» , в то время как работа над другим маломасштабным космическим кораблем частично продолжалась в рамках программы « Бор ».

IXV является Европейским космическим агентство Фитрель экспериментальный повторного входа транспортного средства , предназначенным для проверки европейских многоразовых пусковых установок, которые могут быть оценены в рамках FLPP программы. IXV совершил свой первый полет в феврале 2015 года с помощью ракеты Vega .

В 2010 году компания Orbital Sciences предложила коммерческий космический самолет с подъемным телом. Более подробно « Прометей» описан ниже.

Аэрокосмические приложения

Подъемные тела создают сложные проблемы управления, конструкции и внутренней конфигурации. Подъемные тела в конечном итоге были отклонены в пользу конструкции треугольного крыла для космического корабля "Шаттл". Данные, полученные в ходе летных испытаний с использованием высокоскоростных заходов на посадку с очень крутыми углами снижения и высокой скоростью снижения, были использованы для моделирования профилей полета и посадки шаттла.

При планировании возвращения в атмосферу место посадки выбирается заранее. Для многоразовых космических аппаратов, как правило, предпочтительна основная площадка, которая находится ближе всего к месту запуска, чтобы снизить затраты и сократить время цикла запуска. Однако погода вблизи места посадки является важным фактором безопасности полетов. В некоторые сезоны погода в местах посадки может быстро меняться относительно времени, необходимого для инициирования и выполнения повторного входа в атмосферу и безопасной посадки. Возможно, из-за погодных условий транспортному средству придется совершить посадку в другом месте. Кроме того, в большинстве аэропортов нет взлетно-посадочных полос достаточной длины для обеспечения скорости захода на посадку и дистанции крена, необходимой космическим кораблям. В мире существует немного аэропортов, которые могут поддерживать или быть модифицированы для поддержки этого типа требований. Поэтому альтернативные места посадки очень широко расположены в США и по всему миру.

Конструкция треугольного крыла Shuttle была обусловлена ​​этими проблемами. Эти требования были еще больше усугублены военными требованиями (ВВС США будут использовать будущий шаттл для полезной нагрузки оборонительных спутников и других задач), которые расширили зону посадки шаттла.

Хотя конфигурация подъемного корпуса не была бы уязвима для отказа передней кромки крыла, вызвавшего потерю второго шаттла , такая конфигурация не могла удовлетворить требования к габаритам полета как НАСА, так и военного ведомства.

Тем не менее, концепция лифтинг тела была реализована в ряде других аэрокосмических программ, ранее упомянутый NASA X-38 , Lockheed Martin X-33 , ДКС «s Мульти Unit Space Transport и восстановление устройства , в Европе EADS Phoenix , а также совместная Россия -Европейский космический корабль Клипер . Из трех основных конструктивных форм, обычно анализируемых для таких программ (капсула, подъемное тело, самолет), подъемное тело может предложить лучший компромисс с точки зрения маневренности и термодинамики, при этом отвечая требованиям миссии своих клиентов.

Еще одно применение подъемного тела - первая ступень ракеты SpaceX Falcon 9 . Во время попытки приземления на первой ступени развертываются решетчатые ребра, которые управляют подъемной силой, создаваемой цилиндрическим корпусом первой ступени. Согласно SpaceX, решетчатые ребра могут наклонять первую ступень примерно на двадцать градусов для создания подъемной силы и направления ступени к плавающей посадочной платформе или наземной посадочной площадке .

Самолет с подъемным кузовом сегодня

Сон Чейзер является Crewed суборбитальным и орбитальным вертикальным взлетом, посадки горизонтальных (VTHL) подъем тело космоплана разрабатываются Sierra Nevada Corporation (SNC). Проект Dream Chaser рассчитан на перевозку до семи человек на околоземную орбиту и обратно . Автомобиль будет стартовать вертикально на Atlas V и приземляться горизонтально на обычных взлетно-посадочных полосах.

Подтяжка тела

Burnelli General Airborne Transport XCG-16, самолет с подъемным кузовом (1944 г.)

В некоторых самолетах с крыльями также используются тела, создающие подъемную силу. Некоторые из конструкций монопланов с высоким крылом начала 1930-х годов, разработанные Bellanca Aircraft Company , такие как Bellanca Aircruiser , имели фюзеляжи неопределенной аэродинамической формы, способные создавать некоторую подъемную силу, причем даже стойки крыла на некоторых версиях имели расширенные обтекатели, чтобы придать им некоторую подъемную силу. -генерирующая способность. Gee Bee R-1 Супер Sportster гоночный самолет 1930 - х годов, также, из более современных аэродинамических исследований, было показано , что имели значительную способность генерировать подъемную с конструкцией фюзеляжа, важным для R-1 намеревалось мчится роль, в то время как в повороты пилона с большим наклоном во время гонок. Винсент Бернелли разработал несколько самолетов между 1920-ми и 1950-ми годами, в которых использовалась подъемная сила фюзеляжа. Как и более ранние монопланы Bellanca, Short SC.7 Skyvan создает значительную подъемную силу своей формы фюзеляжа, почти такую ​​же, как 35% каждого из крыльев. Такие истребители, как F-15 Eagle, также создают значительную подъемную силу благодаря широкому фюзеляжу между крыльями. Поскольку широкий фюзеляж F-15 Eagle настолько эффективен при подъемной силе, F-15 смог успешно приземлиться только с одним крылом, хотя и на почти полной мощности, причем тяга значительно способствовала подъемной силе.

В летний период 1983 года , израильский F-15 имитировали воздушный бой с Скайхоков для целей обучения, около Нахаль Цин в пустыне Негев. Во время учений один из Skyhawk просчитался и сильно столкнулся с корневой частью крыла F-15. Пилот F-15 знал, что крыло было серьезно повреждено, но решил попытаться приземлиться на ближайшей авиабазе, не зная степени повреждения крыла. И только после приземления, когда он вылез из кабины и оглянулся, пилот понял, что произошло: крыло было полностью оторвано от самолета, и он приземлил самолет только с одним крылом. Через несколько месяцев поврежденный F-15 получил новое крыло и вернулся на боевую службу в эскадрилье. Инженеры McDonnell Douglas с трудом поверили в историю о приземлении с одного крыла: с точки зрения их моделей планирования это было невозможно.

В 2010 году Orbital Sciences предложила космический самолет с «смешанным подъемным телом» « Прометей », размер которого составляет примерно четверть космического шаттла , в качестве коммерческого варианта для доставки астронавтов на низкую околоземную орбиту в рамках программы коммерческих экипажей . Аппарат с вертикальным взлетом и горизонтальной посадкой (VTHL) должен был запускаться на управляемой человеком ракете Atlas V, но должен был приземлиться на взлетно-посадочной полосе. Первоначальная конструкция должна была иметь экипаж из 4 человек, но могла перевозить до 6 человек или комбинацию экипажа и груза. Помимо Orbital Sciences, консорциум, стоящий за предложением, включал Northrop Grumman , которая должна была построить космический самолет, и United Launch Alliance , которая предоставила бы ракету-носитель. Не будучи отобранным НАСА для получения награды CCDev Phase 2, Orbital объявила в апреле 2011 года, что они, вероятно, свернут свои усилия по разработке коммерческого транспортного средства для экипажа.

Принципы конструкции подъемных тел используются также при постройке гибридных дирижаблей .

Список транспортных средств с подъемным кузовом Центра летных исследований Армстронга (с 1963 по 1975 год)

С начала 1960-х до середины 1970-х годов в Центре летных исследований Армстронга правительство США разработало различные конструкции подъемных кузовов транспортных средств для проверки концепции и летных испытаний . К ним относятся:

Подъемные тела пилотов и полеты

Пилот M2-F1 M2-F2 HL-10
Мод HL-10
M2-F3 Х-24А Х-24Б Всего
Милтон О. Томпсон 45 5 - - - - - 50
Брюс Петерсон 17 3 1 - - - - 21 год
Чак Йегер 5 - - - - - - 5
Дональд Л. Маллик 2 - - - - - - 2
Джеймс В. Вуд * - - - - - - *
Дональд М. Сорли 5 3 - - - - - 8
Уильям Х. Дана 1 - - 9 19 - 2 31 год
Джераулд Р. Джентри 2 5 - 9 1 13 - 30
Фред Хайз * - - - - - - *
Джо Энгл * - - - - - - *
Джон А. Манк - - - 10 4 12 16 42
Питер К. Хоаг - - - 8 - - - 8
Сесил В. Пауэлл - - - - 3 3 - 6
Майкл В. Лав - - - - - - 12 12
Эйнар К. Эневольдсон - - - - - - 2 2
Фрэнсис Скоби - - - - - - 2 2
Томас К. Макмертри - - - - - - 2 2
ВСЕГО 77 16 37 36 27 28 год 36 221
* Вуд , Хайз и Энгл совершили один наземный полет M2-F1 на буксируемой машине.

Популярная культура

Самолет с подъемным кузовом Wainfan Facetmobile FMX-4 , сфотографирован сверху в полете

Подъемные тела появлялись в некоторых научно-фантастических произведениях, в том числе в фильме « Заброшенный» , а также в космическом корабле Джона Крайтона «Фарскейп-1» в сериале « Фарскейп» . В телесериале Discovery Channel была высказана гипотеза об использовании подъемных тел для доставки зонда к далекой планете, похожей на Землю, на компьютерной анимации Alien Planet . Доппельгангер Джерри Андерсона 1969 года использовал спускаемый / восходящий модуль с вертикальным взлетом и посадкой, чтобы посетить планету, похожую на Землю, но потерпел крушение в обеих попытках. В его сериале « НЛО» был показан подъемный аппарат, визуально похожий на M2-F2 для орбитальных операций («Человек, который вернулся»). В компьютерной игре Базза Олдрина «Гонка в космос» модифицированный X-24A становится альтернативным космическим кораблем, способным работать на Луне, который игрок может выбрать вместо капсулы « Близнецы» или « Аполлон» .

Телевизионная программа 1970-х годов « Человек за шесть миллионов долларов» использовала кадры с поднимающимся корпусом самолета, взятые из реальных учений НАСА, в заголовке шоу . Сцены включали отделение HL-10 от своего самолета-носителя - модифицированного B-52 - и M2-F2, пилотируемого Брюсом Петерсоном , который разбился и резко упал на взлетно-посадочную полосу с высохшим дном озера Эдвардс. Причина аварии была объяснена началом голландского крена из-за нестабильности управления, вызванной отрывом потока.

Смотрите также

использованная литература

использованная литература

Другие источники

внешние ссылки