Часть вторая теоретические основы авиационной техники

Глава 4 принципы полета и классификация летательных аппаратов

4.1. Классификация принципов полета

   Полет основан на преодолении гравитационной силы (силы тяжести) = m , где – сила земного тяготения, Н;m – масса летящего тела, кг; – ускорение свободного падения, м/с².

Рис. 4.1. Классификация ЛА по принципу полета

Сила, преодолевающая силу тяжести, называется подъемной силой. В равномерном горизонтальном установившемся полете подъемная сила уравновешивает силу тяжести (= –).
Принцип полета определяется тем, каким образом и за счет чего создается подъемная сила. В настоящее время техническое значение имеют следующие принципы полета:
-баллистический – здесь сила определяется силой инерции летящего тела за счет начального запаса скорости или высоты, поэтому баллистический полет называют также пассивным;
-ракетодинамический – здесь сила определяется реактивной силой за счет отбрасывания части массы летящего тела. В соответствии с законом сохранения импульса системы возникает движение при отделении от тела с какой-либо скоростью некоторой части его массы;
-аэростатический – здесь сила определяется архимедовой силой, равной силе тяжести вытесненной телом массы воздуха;
-аэродинамический – здесь сила определяется реактивной силой за счет отбрасывания вниз части воздуха, обтекающего тело при его движении, т. е. определяется силовым воздействием воздуха на движущееся тело.
При полете в атмосфере кроме силы тяжести приходится преодолеватьсилу сопротивления внешней среды. Силу, преодолевающую сопротивление внешней среды , называют силой тяги (тягой) .
В равномерном горизонтальном установившемся полете сила тягиуравновешивает силу сопротивления среды (=  –).
Силу тяги, как и подъемную силу, можно создавать различными способами.
В соответствии с реализуемым принципом полета (способом создания подъемной силы) можно провести классификацию летательных аппаратов (рис. 4.1).

4.2. Реализация ракетодинамического и баллистического принципов полета

Рис 4.2. К объяснению принципа полета ракеты и спутника Земли

По решению ООН во всем мире 12 апреля отмечается как День космонавтики. 12 апреля 1961 года ракета-носитель «Восток» вывела на орбиту искусственного спутника Земли первый в мире космический корабль «Восток», пилотируемый гражданином СССР Ю.А. Гагариным.

   Стартовая масса трехступенчатой ракетно-космической системы «Восток» (рис. 4.2) – 287 000 кг. Жидкостные реактивные двигатели (ЖРД) боковых блоков первой ступени 1 совместно с ЖРД второй ступени 2 создавали стартовую тягу 4000 кН. Полная длина системы на старте – 38 360 мм.    Система вывела на околоземную орбиту полезную нагрузку (космический корабль) массой m_п.н = 4725 кг. Третья ступень системы 3 соединена с ракетой-носителем переходной фермой 10. Двигательный отсек третьей ступени включает в себя ЖРД 9, двигатели системы ориентации 8, бак горючего (керосин) 7 и бак окислителя (жидкий кислород) 6. Установленный на вершине комплекса космический корабль «Восток» 5 при полете в плотных слоях атмосферы предохраняется от воздействия набегающего потока воздуха головным обтекателем 4.    При запуске ЖРД ракетно-космической системы, стоящей на стартовой позиции 11, газы, вытекающие из реактивного сопла ЖРД с большой скоростью, создают силу тяги двигателя

Р = m_секW_с + f_с(p_с – p₀),

где

Р	–	сила тяги, Н;
mсек	–	расход массы топлива (горючего и окислителя) в течение секунды, кг/с;
Wс	–	скорость истечения газов из сопла, м/с;
fс	–	площадь выходного отверстия (среза) сопла, м2;
pс	–	давление истекающих газов на срезе сопла, Па;
p0	–	давление окружающей среды, Па.

При достижении силой тяги значения, равного силе тяжести, ракета «отрывается» от земли; с увеличением силы тяги ракета начинает подъем с ускорением. Таким образом реализуется ракетодинамический принцип полета.    После выработки топлива из баков первой ступени ее блоки отделяются (12), и ракета продолжает набирать высоту с ускорением. Далее производится сброс (13) головного обтекателя, включение двигателя третьей ступени и отделение ее (14) от второй ступени ракеты-носителя. После достижения первой космической скорости отделяется двигательный отсек третьей ступени, космический корабль «Восток» выходит на орбиту искусственного спутника Земли (15) и движется по баллистическому принципу только под действием сил всемирного тяготения в состоянии невесомости.    Состояние невесомости не означает отсутствия веса, так как именно этот вес (центростремительную силу) уравновешивает центробежная сила инерции движущегося по круговой орбите тела. Космонавт только не ощущает привычного веса (силы, с которой вследствие тяготения к Земле тело действует на опору, удерживающую его от свободного падения). На Земле ощущение веса возникает именно за счет силы реакции опоры (пола, земли, когда человек стоит; стула, когда он сидит, и т. п.).    Возвращение космического корабля «Восток» и космонавта на Землю происходило после включения (16) тормозной двигательной установки корабля, корабль начинал двигаться к Земле по траектории баллистического спуска (17) с торможением в атмосфере. На высоте порядка 7 км отделялась (отстреливалась) крышка люка возвращаемого аппарата, через 2 с космонавт катапультировался (18), и далее происходил раздельный спуск возвращаемого аппарата и космонавта с последовательным вводом в поток воздуха сначала тормозных, а затем основных парашютов.    Нетрудно заметить, что весовая отдача ракетно-космических систем (отношение массы полезной нагрузки к стартовой массе аппарата) очень мала. Это вызвано колоссальными 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 возможен полет аппарата, реализующего и ракетодинамический, и баллистический принципы полета.    Здесь следует отметить, что движение аппаратов в космическом пространстве возможно не только по ракетодинамическому и баллистическому (под действием сил всемирного тяготения) принципам полета. Реально использование «солнечного паруса» – устройства (например, в виде металлизированной пленки-паруса), обеспечивающего перемещение космического аппарата световым давлением солнечных лучей (солнечного ветра).