Подъемное тело - Lifting body

А подъемное тело это самолет или космический корабль конфигурация, в которой сам корпус производит поднимать. В отличие от летающее крыло, который представляет собой крыло с минимальным или никаким обычным фюзеляж, подъемное тело можно рассматривать как фюзеляж с небольшим количеством обычных крыло. В то время как летающее крыло стремится максимизировать крейсерскую эффективность на дозвуковой скорости за счет исключения неподъемных поверхностей, подъемные тела обычно минимизируют сопротивление и структуру крыла для дозвуковых, сверхзвуковой и гиперзвуковой полет, или космический корабль возвращение. 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 ракетных самолетов с подъемным фюзеляжем для проверки концепции, а также несколько ракетных самолетов для повторного входа, которые были испытаны над Тихим океаном. Интерес угас, поскольку ВВС США потеряли интерес к пилотируемой миссии, и основные разработки закончились во время Процесс проектирования космического челнока когда стало ясно, что фюзеляжи высокой формы затрудняют размещение топливных баков.

Продвинутый космоплан В концепциях 1990-х и 2000-х годов действительно использовались конструкции подъемных кузовов. Примеры включают Система запуска персонала HL-20 (1990) и Космический самолет Прометей (2010). В Стремящийся к мечте Космический самолет с подъемным корпусом, продолжение технологии HL-20, находился в разработке с 2012 г. в качестве одного из трех транспортных средств для перевозки НАС экипаж в и из Международная космическая станция. В 2015 г. ЕКА Промежуточный экспериментальный автомобиль осуществил первый в истории успешный спуск космического корабля с подъемным корпусом.[1]

Авиакомпания Мартин Х-24 построен как часть экспериментальной военной программы США с 1963 по 1975 год
Подъемные кузова X-24A, M2-F3 и HL-10

История

Подъемное тело было задумано еще в 1917 году, когда оно было описано в патенте Рой Скроггс.[2] Однако на малых скоростях подъемное тело неэффективно и не входило в стандартную конструкцию самолетов.[нужна цитата ]

Аэрокосмическая промышленность связанные с лифтингом исследования тела возникли из идеи космический корабль повторный вход атмосферы Земли и посадка во многом похожа на обычную самолет. После возвращения в атмосферу традиционный капсульный космический корабль из Меркурий, Близнецы, и Аполлон series очень мало контролировали, где они приземлились. Управляемый космический корабль с крыльями может значительно расширить зону посадки. Однако крылья аппарата 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.

НАСА доработка концепции подъемного тела началась в 1962 г. Р. Дейл Рид из НАСА с Центр летных исследований Армстронга.[3] Первой полноразмерной моделью, вышедшей из программы Рида, была НАСА M2-F1, безмоторная поделка из дерева. Первоначальные испытания проводились буксировкой M2-F1 по высохшему дну озера на База ВВС Эдвардс Калифорния, за модифицированный Понтиак Каталина.[4] Позже корабль буксировали за С-47 и отпустили. Поскольку M2-F1 был планер, маленький ракетный двигатель был добавлен, чтобы расширить зону посадки. M2-F1 вскоре получил прозвище «Летающая ванна».

В 1963 году НАСА начало программы с более тяжелыми ракетными подъемными тележками, которые будут запускаться в воздух из-под правого крыла NB-52B, производного от самолета. В-52 реактивный бомбардировщик. Первые полеты начались в 1966 году. Из подъемных тел Драйдена все, кроме безмоторного NASA M2-F1, использовали XLR11 ракетный двигатель, который использовался на Колокол X-1.[5] Последующий дизайн обозначил Нортроп HL-10 был разработан в НАСА Исследовательский центр Лэнгли. Отрыв воздушного потока вызвал крушение Нортроп М2-Ф2 подъемное тело.[нужна цитата ]HL-10 попытался частично решить эту проблему, наклонив порт и правый борт вертикальные стабилизаторы наружу и увеличивая центральную.[нужна цитата ]

С 1965 года российский подъемник. Микоян-Гуревич МиГ-105 или ЭПОС (русское сокращение от экспериментального пассажирского орбитального самолета) и совершено несколько испытательных полетов. Работа закончилась в 1978 году, когда усилия переместились на Программа Буран, а работа над другим малым космическим кораблем частично продолжалась в Бор программа.

В IXV это Европейское космическое агентство подъемное тело экспериментальное возвращение автомобиль, предназначенный для проверки европейских многоразовых пусковых установок, которые могут быть оценены в рамках ФЛПП программа. IXV совершил свой первый полет в феврале 2015 года. Вега ракета.[6]

Orbital Sciences предложила коммерческий космический самолет с подъемным корпусом в 2010 году.[7] В Прометей более подробно описано ниже.

Аэрокосмические приложения

Подъемные кузова создают сложные проблемы управления, конструкции и внутренней конфигурации. Подъемные тела в конечном итоге были отклонены в пользу конструкции треугольного крыла для космического челнока. Данные, полученные в ходе летных испытаний с использованием высокоскоростных заходов на посадку при очень крутых углах снижения и высокой скорости 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, чтобы обеспечить скорость захода на посадку и расстояние крена, необходимые космическим кораблям. В мире существует несколько аэропортов, которые могут поддерживать или быть модифицированы для поддержки этого типа требований. Таким образом, 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 оборонных спутников и других задач), которые расширили зону посадки шаттла.

Хотя конфигурация подъемного корпуса не была бы уязвима для отказа передней кромки крыла, вызвавшего потеря второго шаттла, такая конфигурация не могла удовлетворить конверт для полета требования как НАСА, так и военных.[нужна цитата ]

Тем не менее, концепция подъемного тела была реализована в ряде других аэрокосмический программы, ранее упомянутые НАСА Х-38, Локхид Мартин Х-33, BAC с Многоэлементное космическое устройство для транспортировки и восстановления, Европы EADS Phoenix, и совместное российско-европейское Клипер космический корабль. Из трех основных конструктивных форм, обычно анализируемых для таких программ (капсула, подъемное тело, самолет), подъемное тело может предложить наилучший компромисс с точки зрения маневренности и термодинамики, при этом отвечая требованиям миссии своих клиентов.

Еще одно применение подъемного тела - это SpaceX. Сокол 9 первая ступень ракеты. В течение попытки приземления, на первом этапе развертывается решетчатые плавники рулевой подъемник, производимый цилиндрическим корпусом первой ступени.[8] Согласно SpaceX, ребра решетки могут наклонять первую ступень примерно на двадцать градусов, чтобы создать подъемную силу и направить сцену в сторону плавучая посадочная платформа или наземная посадочная площадка.[9]

Подъемный корпус самолета сегодня

В Стремящийся к мечте это экипаж суборбитальный и орбитальный[10] с вертикальным взлетом, с горизонтальной посадкой (VTHL) подъемное тело космоплан разрабатывается Sierra Nevada Corporation (SNC). Конструкция Dream Chaser рассчитана на перевозку до семи человек на и обратно. низкая околоземная орбита. Транспортное средство запускалось бы вертикально на Атлас V и приземлиться горизонтально на обычных взлетно-посадочных полосах.[11]

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 гг. Bellanca Aircraft Company, такой как Bellanca Aircruiser, имели фюзеляжи неопределенно аэродинамической формы, способные создавать некоторую подъемную силу, при этом даже стойки крыла на некоторых версиях имели расширенные обтекатели, чтобы дать им некоторую подъемную способность. В Джи Би Р-1 Супер Спортстер Аналогичным образом, на основе более современных аэродинамических исследований было показано, что гоночный самолет 1930-х годов благодаря своей конструкции фюзеляжа обладал значительной способностью генерировать подъемную силу, что важно для предполагаемой гоночной роли R-1, при выполнении поворотов пилона с большим наклоном во время гонок.[12] Винсент Бернелли между 1920-ми и 1950-ми годами разработал несколько самолетов, в которых использовался подъемник фюзеляжа. Как и более ранние монопланы Bellanca, Короткий SC.7 Skyvan создает значительную подъемную силу своей формы фюзеляжа, почти такую ​​же, как 35% каждого из крыльев. Бойцы любят F-15 Eagle также производят значительную подъемную силу за счет широкого фюзеляжа 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.

Основная статья: 1983 г., столкновение в воздухе с Негевом

Летом 1983 года израильский F-15 устроил имитацию воздушного боя с Skyhawks в учебных целях возле 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 назад, пилот понял, что произошло: крыло было полностью оторвано от самолета, и он приземлил самолет только с одним крылом. Спустя несколько месяцев поврежденный F-15 получил новое крыло и вернулся к боевой работе в эскадрилье. Инженеры McDonnell Douglas с трудом поверили в историю о приземлении с одного крыла: с точки зрения их моделей планирования это было невозможно.[13]

В 2010, Орбитальные науки предложил Прометей «смешанное лифтовое тело» космоплан автомобиль, примерно четверть размера Космический шатл, как коммерческий вариант для перевозки космонавтов в низкая околоземная орбита под коммерческая программа экипажа.[7]В Вертикальный взлет, горизонтальная посадка (VTHL) должен был быть запущен на пилотируемом Атлас V ракета, но приземлится на взлетно-посадочную полосу.[14]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, который построил бы космоплан, а United Launch Alliance, который обеспечил бы ракету-носитель.[15]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.[16]

Принципы конструкции подъемных кузовов используются также при строительстве гибридные дирижабли.

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

В Правительство США разработал множество доказательство концепции и летные испытания конструкции подъемных кузовов автомобилей с начала 1960-х до середины 1970-х на Центр летных исследований Армстронга.[3] К ним относятся:

Подъемные тела пилотов и полеты

ПилотM2-F1M2-F2HL-10HL-10
мод		M2-F3Х-24АХ-24БВсего
Милтон О. Томпсон455-----50
Брюс Петерсон1731----21[нужна цитата ]
Чак Йегер5------5
Дональд Л. Маллик2------2[нужна цитата ]
Джеймс В. Вуд*------*
Дональд М. Сорли53-----8
Уильям Х. Дана1--919-231[нужна цитата ]
Джераулд Р. Джентри25-9113-30[нужна цитата ]
Фред Хайз*------*
Джо Энгл*------*
Джон А. Манк---104121642
Питер К. Хоаг---8---8
Сесил В. Пауэлл----33-6
Майкл В. Лав------1212
Эйнар К. Эневольдсон------22
Фрэнсис Скоби------22
Томас С. Макмертри------22
ВСЕГО771637[17]36272836221[нужна цитата ]
* Дерево, Haise и Engle каждый совершил одиночный буксируемый наземный полет M2-F1.

Популярная культура

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

Подъемные тела появились в некоторых научная фантастика Работы, в том числе фильм Оставленный, и как космический корабль Джона Крайтона Farscape-1 в сериале Farscape. В Канал Дискавери Сериал, в котором использовались подъемные тела, чтобы доставить зонд к далекой планете, похожей на Землю, в компьютерной анимации. Чужая планета. Джерри Андерсон 1969 год Доппельгангер использовал СВВП подъем посадочного модуля / восходящего устройства для посещения планеты, похожей на Землю, только чтобы потерпеть неудачу в обеих попытках. Его серия НЛО имел подъемный корпус, визуально похожий на M2-F2 для орбитальных операций («Человек, который вернулся»). в Гонка Базза Олдрина в космос компьютерная игра, модифицированная Х-24А становится альтернативным лунным космическим кораблем, который игрок может выбрать из Близнецы или Аполлон капсула.

1970-е годы телевизионная программа Человек за шесть миллионов долларов использовал кадры с поднимающимся корпусом самолета, взятые из реальных учений НАСА, в шоу последовательность заголовков. Сцены включали отделение HL-10 от его самолета-носителя - модифицированного B-52 - и M2-F2, пилотируемого Брюс Петерсон, разбиваясь и резко падая на взлетно-посадочную полосу с высохшим дном озера Эдвардс. Причина крушения была связана с наступлением Голландский ролл возникает из-за нестабильности управления, вызванной отрывом потока.[нужна цитата ]

Смотрите также

использованная литература

использованная литература

  1. ^ «Бюллетень ЕКА 161 (1 квартал 2015 г.)» (PDF). ЕКА. 2015. стр. 23. ISSN  0376-4265. Получено 30 мая 2015.
  2. ^ Патент США 1,250,033.
  3. ^ а б "Бескрылый полет: история подъемного тела". НАСА. 1997-01-01. Получено 2014-12-13.
  4. ^ Классический Понтиак и НАСА
  5. ^ Информационный бюллетень NASA Dryden - подъемные тела
  6. ^ "Европейский космический шаттл возвращается". Новости BBC. 11 февраля 2015 г.. Получено 12 февраля 2015.
  7. ^ а б «Облик будущего - космический самолет Orbital Prometheus ™, готовый к участию в Инициативе НАСА по созданию коммерческих экипажей» (PDF).
  8. ^ «Почему и как приземляются ракеты». SpaceX. 25 июня 2015 г.. Получено 14 января 2016.
  9. ^ «Решетка ласт». SpaceX. 31 августа 2015 г.. Получено 14 января 2016.
  10. ^ «Новаторы в области частных космических полетов привлекают внимание НАСА». 7 февраля 2011 г.. Получено 2012-09-05. Dream Chaser станет полноценным суборбитальным аппаратом на пути к достижению орбитальных возможностей.
  11. ^ «Модель Dream Chaser появляется в NASA Dryden - NASA.gov». НАСА. 17 декабря 2010 г.. Получено 29 августа 2012.
  12. ^ "Гранвиль Джи Би (сериал) Гоночный самолет". Militayrfactory.com. 8 июня 2009 г.. Получено 20 декабря 2011.
  13. ^ История Channel-Heavy Metal F-15
  14. ^ Orbital предлагает космический план для космонавтов, Wall Street Journal, 14 декабря 2010 г., по состоянию на 15 декабря 2010 г.
  15. ^ Вступая в новую космическую гонку, Orbital Sciences представляет дизайн космического самолета мини-шаттла, Популярная наука, 2010-12-16, по состоянию на 18 декабря 2010 г. «Orbital Sciences не является независимым, частным,« новым космическим »предприятием, как, скажем, SpaceX. Это консорциум сил обороны и авиации: самолет будет строить Northrop, а ракеты предоставит United Launch. Альянс (читай: Боинг и Локхид) ».
  16. ^ "Orbital может свернуть коммерческий экипаж". NewSpace Journal. 2011-04-22. Получено 2011-04-25. Генеральный директор Дэйв Томпсон сказал ... «В настоящее время я не ожидаю, что мы продолжим реализацию нашего собственного проекта в этой гонке. Мы будем следить за ним, и, если появится возможность, мы можем пересмотреть свое решение. Но на данном этапе , Я бы не ожидал большой активности с нашей стороны на рынке коммерческих экипажей ".
  17. ^ «Прошлые проекты NASA Dryden: подъемные тела, HL-10». НАСА. 2009-08-14. Получено 2014-12-13.

Другие источники

внешняя ссылка