Основа КА Лекции Пузин

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Сумма сил Рi, воздействующих на ЛА и в конечном итоге обеспечивающих преодоление силы тяжести,

создаются в зависимости от принципа, положенного в основу полета того или иного типа ЛА.

В настоящее время техническое значение имеют следующие физические принципы полета ЛА:

- Аэростатический принцип полета. Этот принцип полета пожалуй самый экономичный в энергетическом смысле создания подъемной силы.

При полете дирижабля аэростатическая подъемная сила Ра уравновешивает силу тяжести дирижабля , а сила тяги двигателей Рду – силу лобового сопротивления Ха (и силу инерции при полете дирижабля с

ускорением).

Подъемная (архимедова, выталкивающая) сила аэростатических ЛА, которые принято называть аппаратами легче воздуха, в соответствии с законом Архимеда

Ра = W · ρ(h) · g, где W – объем газонаполненной оболочки аппарата, м3; ρ(h) – плотность воздуха, вытесняемого дирижаблем на высоте h, кг/ м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Для того, чтобы дирижабль с массой mла смог совершать полет, необходимо, чтобы плотность газа ρг,

заполняющего оболочку W, была меньше плотности воздуха на высоте полета ЛА. При этом необходимый

для полета объем газонаполненной оболочки равен

W= mла / [ρ(h)- ρг].

Вкачестве газа в оболочке ЛА такого типа используют: водород (ρг= 0,09 кг/м3), гелий (ρг = 0,179 кг/м3)

или горячий воздух.

Интерес к ЛА легче воздуха не пропал, а есть некоторые транспортные задачи, которые могут эффективно решаться именно таким типом ЛА.

- Аэродинамического принципа полета основан на создании подъемной силы (отбрасывание вниз

массы воздуха) можно технически реализовать либо за счет движения всего аппарата, снабженного неподвижной несущей поверхностью (крыло), либо за счет движения отдельных несущих частей аппарата (несущий винт, вентилятор и т. д.) относительно воздушной среды.

3

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В случае движения крыла в потоке воздуха за счет трения воздуха в пограничном слое и распределения давления по профилю крыла возникает подъемная сила Yа = Сy(α) · Fm× ρ(h)×v/ 2. Сила

аэродинамического торможения КА Хa = Сx(α) · Fm× ρ(h)×v2/2. На носике профиля образуется зона повышенного давления, отмеченная на эпюре знаком "плюс"; на верхней и нижней поверхности профиля образуются зоны пониженного давления, которые отмечены на эпюре знаком "минус".

Такой принцип создания подъемной силы реализован для ЛА движущихся в атмосфере планеты за счет энергии силовой установки. К крылатым ЛА в первую очередь относятся самолеты и планеры.

Профиль крыла может быть использован и в случае непосредственного создания подъемной силы Pап на основе закона механики о количестве движения (второй закон И. Ньютона) путем отбрасывания массы воздуха mв со скоростью V2, например, воздушным винтом:

Pап = mла g = mв(V2 – V1) / t, где mла – масса ЛА, mв – масса воздуха, отбрасываемая со скоростью V2, V1 – вертикальная скорость ЛА, t - время действия единичного импульса подъемной силы.

К ЛА такого типа относятся вертолеты.

Принцип создания подъемной силы автожира (изучить самостоятельно).

- Ракетодинамический и баллистический принцип полета. Данный принцип полета рассмотрим на примере трехступенчатой ракетно-космической системы (РКС) типа «Восток».

Стартовая масса РКС – 287 000 кг. Жидкостные реактивные двигатели (ЖРД) боковых блоков первой ступени совместно с ЖРД второй ступени создают стартовую тягу 4000 кН. Полная длина системы на старте – 38 360 мм.

Система вывела на околоземную орбиту полезную нагрузку (космический аппарат) массой mка = 4725 кг. Третья ступень РКС соединена с ракетой-носителем (РН) переходной фермой. Двигательный отсек третьей ступени включает в себя ЖРД, двигатели системы ориентации, бак горючего (керосин) и бак окислителя (жидкий кислород). Установленный на вершине комплекса космический корабль «Восток» при полете в плотных слоях атмосферы предохраняется от воздействия набегающего потока воздуха

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

СА других транспортных систем, например, КА «Союз» или «Апполон» имеют геометрическую форму, которая позволяет осуществлять управляемый спуск с аэродинамическим качеством, что снижает величину перегрузки до величины 3-4 ед.

Необходимо отметить, что весовая отдача одноразовых РКС (отношение массы полезной нагрузки к стартовой массе аппарата) очень мала. Это вызвано значительными расходами топлива для создания подъемной силы. Ракетодинамический принцип, единственно возможный для выведения ЛА на орбиту, является весьма неэкономичным для обеспечения полетов в атмосфере Земли, хотя в плотных слоях атмосферы возможно реализовать ракетодинамический и баллистический принципы полета ЛА.

При решении широкого комплекса задач по доставке грузов на орбиту ИСЗ и с орбиты на Землю рентабельными могут быть как способы, ставшие уже традиционными с использованием одноразовых РН и СА, так и способы, основанные на применении многоразовых ЛА, имеющих частично или полностью сохраняемые компоненты (элементы ЛА), пригодные для использования их в последующих полетах.

В общем случае многоразовый транспортный космический корабль можно представить как ЛА, состоящий из разгонной ступени и воздушно-космического самолета (ВКС). Разгонная ступень, например, РН обеспечивает вывод ВКС на орбиту ИСЗ. ВКС (орбитальная ступень) производит все необходимые операции в космосе и возвращается на Землю «по-самолетному». Первыми в этом классе ЛА стали «Спейс Шаттл» (космический челнок, США) и комплекс «Энергия» – «Буран» (СССР).

- Гравитационный принцип полета. Данный принцип основан на движении ЛА в поле тяготения Земли и других небесных тел по инерции за счёт скорости, сообщённой им на активных участках траектории ракетными двигателями РН, разгонными блоками и двигателями самого ЛА, а также возможно использование возмущений гравитационного характера от системы небесных тел (гравитационный маневр). Здесь следует отметить, что движение ЛА в космическом пространстве солнечной системы возможно не только по ракетодинамическому и баллистическому (под действием сил всемирного тяготения) принципам полета, но и возможно использование «солнечного паруса» – устройства (например, в виде металлизированной пленки-паруса), обеспечивающего перемещение КА от светового давления солнечных лучей (солнечного ветра).

6