2. Геометрические характеристики корпуса

Разнообразие конструкций ЛА, создаваемых для выполнения различных задач, повлекло за собой большие различия как в обводах корпусов, так и в формах их поперечных сечений. Так как в корпусе ракеты обычно размещается двигатель, то её кормовая часть чаще всего заканчивается удобным для выхода реактивной струи донным срезом, а для ЛА с воздушно-реактивным двигателем в носовой части или в другом месте корпуса располагаются воздухозаборники. Чётко выраженную «талию» в области присоединения несущих поверхностей имеет корпус ЛА, выполненный с соблюдением так называемого «правила площадей». Кроме того, на корпусе также располагаются различные надстройки. Учёт этих конструктивных особенностей является очень трудоёмким и не всегда выполнимым особенно на ранних этапах проектирования. Поэтому далее рассмотрим только наиболее простые формы корпуса и его частей.

К

Рис. 1.3. Корпус летательного аппарата

орпус (фюзеляж) большинства ракет является довольно простым (рис. 1.3), что позволяет его рассматривать как тело вращения, состоящее из носовой (головной), цилиндрической и кормовой частей.

Все аэродинамические характеристики изолированного корпуса обычно относятся к площади миделевого сечения:

, (1.1)

где – диаметр цилиндрической части.

Носовая часть корпуса (рис. 1.4) характеризуется формой образующей, длиной , диаметрами входа и цилиндрической части , что позволяет определить удлинение носовой части , сужение , а также её объём . Последний необходим для определения его центра давления по теории тонкого тела:

. (1.2)

Круговой конус (рис. 1.4, а) является одной из наиболее простых и хорошо исследованных носовых частей. Уравнение образующей имеет вид

, (1.3)

г

а б в г

Рис. 1.4. Некоторые формы носовых частей

де – угол полураствора конуса.

Для головной части в виде усечённого конуса (рис. 1.4, б) сужение, удлинение и определенное по теории тонкого тела положение фокуса этой носовой части выражаются следующими формулами:

; (1.4)

; (1.5)

. (1.6)

Контур оживальной головки (рис. 1.4, в) образован дугой окружности радиусом . Если сопряжение головной части с цилиндрической выполнено по касательной, то рассчитанное по теории тонкого тела положение фокуса может быть определено по формуле [3]

(1.7)

(здесь – угол наклона касательной у острия головной части) или с помощью табл. 1.1 [3].

Таблица 1.1

	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	5,0	10,0
	0,333	0,430	0,450	0,457	0,461	0,462	0,464	0,465	0,466

Следует учесть, что с уменьшением удлинения погрешность значений, определенных по этой теории, увеличивается и в этих случаях желательно использовать более точные данные. Например, центр давления полусферы ( ) при любых числах совпадает с её центром ( ), а теория тонкого тела даёт значение .

Из класса параболических головок наибольшее применение находят формы со следующим уравнением образующей:

, (1.8)

где параметр может изменяться от нуля (коническая головная часть) до единицы, когда сопряжение параболической головки с цилиндрической частью происходит по касательной. Координату положения фокуса, определенного по теории тонкого тела, можно вычислить по формуле

. (1.9)

Угол наклона касательной у острия этой головной части . Носовая часть, выполненная по параболе, относится к классу аффинно-подобных тел, что значительно облегчает исследование её обтекания. Например, вводя соответствующие масштабы по осевой и радиальной координатам, можно полностью совместить контуры любых параболических головок. Следует отметить, что при удлинении больше контуры оживальной и параболических головок практически совпадают, поэтому при таких удлинениях их аэродинамические характеристики мало отличаются.

Наряду с заостренными головными частями довольно часто используют и затупленные. Простейшей затупленной носовой частью, кроме уже упомянутой полусферы, является степенная головка, образующая которой задана уравнением

. (1.10)

При эта носовая часть затуплена. На практике обычно используются степенные головки с показателем , образующая которых вдали от носка незначительно отличается от конуса. Например, на рис. 1.1, г показана степенная головка с .

Носовая часть может иметь и более сложную форму. Например, её контур может состоять из нескольких участков с разными образующими. Стыковка этих участков или носовой части с цилиндрической может быть выполнена как по касательной, если при переходе от одной части к другой угол наклона касательной к контуру не терпит разрыва, так и по секущей, если это условие не выполняется. Для определения аэродинамических характеристик сложных головных частей следует обратиться к специальной литературе.

Средний участок корпуса для рассматриваемого типа ЛА чаще всего выполняется в виде кругового цилиндра (см. рис. 1.3), который характеризуется диаметром d, длиной l_ц и удлинением .

Кормовая часть корпуса (см. рис. 1.3) определяется формой образующей, диаметром донного среза d_д, длиной кормы l_корм, а также безразмерными параметрами: удлинением и сужением . В некоторых формулах используется значение относительной площади донного среза .

Для кормовых частей обычно используют более простые формы образующих, чем для носовых. Возможно, это связано с наличием довольно толстого пограничного слоя в этой части корпуса при полёте ЛА и реактивной струи, вытекающей из донного среза. Всё это значительно усложняет расчёт обтекания этой части корпуса.

Поэтому её обычно выполняют в виде усечённого конуса или участка с простейшей криволинейной образующей. Если диаметр донного среза больше диаметра среднего участка ( ), то эта кормовая часть называется расширяющейся, а если меньше ( ), – то сужающейся. Для некоторых корпусов кормовая часть может отсутствовать ( ).

Характерными основными размерами корпуса (см. рис. 1.3) являются его длина , диаметр миделевого сечения и удлинение

. (1.11)

Для расчёта коэффициента трения корпуса необходимо знать отношение площади боковой («смоченной», «омываемой») поверхности к площади миделя. Это отношение можно приближённо определить по следующей формуле [8]:

. (1.12)

Для заострённых головных частей .

Рассмотренные формы основных частей корпуса, конечно, не исчерпывают их многообразия, но в известной мере являются типичными для исследуемых летательных аппаратов.