Торможение на сверхзвуке. Вопросы по аэродинамике.

[RadioactiveRainbow]

Доброго времени суток.
Вопрос к спецам, адептам и теоретикам сверхзвуковой аэродинамики и просто умным/знающим/опытным людям )

Имеется вот такой пепелац (рис 1):

Прямые крыло (V=+1..3 градуса) и оперение (V=+10..30 градусов).
Осесимметричный фюзеляж, достаточно (но не абсолютно) симметричный относительно поперечной плоскости.
Центр масс на продольной оси фюзеляжа примерно прямо под крылом.

Вопрос в следующем:
Требуется обеспечить поперечную и, особенно, продольную балансировку аппарата
на скоростях М=0,8..4,0 с углом атаки +80..90 градусов.

Есть ли шанс добиться надежной статической балансировки в указанной на рисунке 2 конфигурации?

В чем могут быть проблемы/сложности, и как их можно порешать?

Могут ли помочь в продольной балансировке открывающиеся на требуемый угол щитки по бокам фюзеляжа с разных сторон от ц.м. (показаны зеленым)?

Ну и вообще выскажетесь, если есть что сказать

[mihalchuk]

ИМХО, ничего хорошего. Несмотря на толстый фюзеляж, при сверхзвуке крылья будут испытывать более сильное волновое сопротивление, при уменьшении скорости (всё ещё сверхзвук) доля сопротивления корпуса будет возрастать. Следовательно, нужно пытаться совместить центры давления корпуса и крыльев. Взаимодействие скачков уплотнения от крыла и корпуса также не дадут ничего хорошего. На корпусе под крылом наверняка образуется зона отрыва и циркуляции, что будет мешать устойчивости. Наиболее сложен трансзвук, особенно, когда скачок уплотнения от крыла пройдёт по хвостовому стабилизатору.

[RadioactiveRainbow]

Несмотря на толстый фюзеляж, при сверхзвуке крылья будут испытывать более сильное волновое сопротивление, при уменьшении скорости (всё ещё сверхзвук) доля сопротивления корпуса будет возрастать.

Чем это грозит?
На сверхзвуке тормозное усилие будет распределено по проекции на перпендикулярную вектору скорости плоскость неравномерно и нагрузка на крыло будет выше нагрузки на корпус, что приведет к необходимости увеличивать прочность крыла?
Я правильно понимаю, что волновое соплотивление обтекаемого тела  тем больше, чем более "плоская" и перпендикулярна потоку поверхность тела?

Следовательно, нужно пытаться совместить центры давления корпуса и крыльев. Взаимодействие скачков уплотнения от крыла и корпуса также не дадут ничего хорошего. На корпусе под крылом наверняка образуется зона отрыва и циркуляции, что будет мешать устойчивости.

То есть общая рекомендация - опустить крыло, сделав его заподлицо с плоской нижней поверхностью фюзеляжа?

Не будет ли в этом случае проблем с поперечной стабилизацией?

Наиболее сложен трансзвук, особенно, когда скачок уплотнения от крыла пройдёт по хвостовому стабилизатору.

Можно ли подзабить на это, в надежде проскочить этот режим настолько быстро чтобы аппарат не успело как-нибудь неправильно развернуть?

[mihalchuk]

В силу своих знаний по аэродинамике я могу только обозначить некоторые проблемные места, но не предсказать, что будет.

Чем это грозит?
На сверхзвуке тормозное усилие будет распределено по проекции на перпендикулярную вектору скорости плоскость неравномерно и нагрузка на крыло будет выше нагрузки на корпус, что приведет к необходимости увеличивать прочность крыла?
Я правильно понимаю, что волновое соплотивление обтекаемого тела  тем больше, чем более "плоская" и перпендикулярна потоку поверхность тела?

Скажем так: при таком угле атаки имеем корпус обтекаемой формы и крыло необтекаемой формы. Крыло придётся делать прочным, прочнее, чем для полёта на дозвуке.

То есть общая рекомендация - опустить крыло, сделав его заподлицо с плоской нижней поверхностью фюзеляжа?

Общая рекомендация - иметь взад-вперёд симметричный аппарат, но она невыполнима. Наличие хвоста будет создавать переменный опрокидывающий момент, правда, там - поворотные стабилизаторы, и можно выкрутиться.

Наиболее сложен трансзвук, особенно, когда скачок уплотнения от крыла пройдёт по хвостовому стабилизатору.

Можно ли подзабить на это, в надежде проскочить этот режим настолько быстро чтобы аппарат не успело как-нибудь неправильно развернуть?

Надеяться можно. Но, думаю, на поставленные вопросы точно не ответит ни один аэродинамик. Слишком сложно, да и исходных данных недостаточно. Нужно знать и высоту полёта и массо-габаритные характеристики, чтобы вычислить Рейнольдс и прочие безразмерные параметры. Возможно, на очень больших высотах, где самолёты не летают и вязкость большая (Рейнольдс меньше сотни), лёгкий аппарат затормозится без проблем...

[поверхностный]

За сверхзвук не скажу, а на счет дозвукового полета есть несколько замечаний.

Подъеная сила крыла приложена не к середине хорды, а к первой трети. Если ЦТ сдвинут дальше назад, то аппарат будет продольно неустойчив. Это относится к классической компоновке, где стабилизатор << крыла.

На рисунке, там где аппарат тормозит с углом атаки 80', стабилизатор развернут ребром к потоку. Значит, при любом изменении угла атаки его сопротивление увеличивается. Ну, в лучшем случае устойчивость не ухудшится, в худшем получится кувыркалка вперед.

Поперечная устойчивость (не бейте меня ногами, мне это сообщил аэродинамик, я долго не мог поверить) не зависит от расположения крыла. От поперечного V - да, а от того, сверху оно или снизу - нет.

[RadioactiveRainbow]

На рисунке, там где аппарат тормозит с углом атаки 80', стабилизатор развернут ребром к потоку. Значит, при любом изменении угла атаки его сопротивление увеличивается. Ну, в лучшем случае устойчивость не ухудшится, в худшем получится кувыркалка вперед.

В моем представлении стабилизатор даже с дозвуковым профилем на сверхзвуке работает не как абстрактное тело переменного сечения, а все таки как аэродинамическая поверхность. Соответственно, при уменьшении угла атаки возникнет сила, стремящаяся вернуть аппарат в исходное положение. ПРичем чем больше возвышение точки крепления стабилизатора над центром масс - тем больше значение силы. Нет?

Поперечная устойчивость (не бейте меня ногами, мне это сообщил аэродинамик, я долго не мог поверить) не зависит от расположения крыла. От поперечного V - да, а от того, сверху оно или снизу - нет.

Да, это я знаю. Помнится, в зоопарке на авиабазе долго эту тему обсасывали )))

Может быть имеет смысл сделать открывающиеся аэродинамические поверхности на передней и задней частях фюзеляжа, образующие "продольное V" и обеспечивающие пассивную продольную стабилизацию?

[Петр Зайцев]

То есть общая рекомендация - опустить крыло, сделав его заподлицо с плоской нижней поверхностью фюзеляжа?

Общая рекомендация - иметь взад-вперёд симметричный аппарат, но она невыполнима. Наличие хвоста будет создавать переменный опрокидывающий момент, правда, там - поворотные стабилизаторы, и можно выкрутиться.

Ах вот оно что. А я все никак не мог понять почему у Lynx используется бесхвостка низкоплан. Гризон только всех уверяет, что дескать все продуто в сверхзвуковых трубах, но объяснений никаких.
-- Pete

[Вадим Лукашевич]

Задам наивный вопрос - а крыло-то Вам вообще зачем?
На таком угле атаки оно вообще не работает, Вы гарантированно имеете сначала гиперзвуковой штопор, из которого выхода нет (причина потери одного из Х-15), на сверхзвуке - сверхзвуковой, на дозвуке - плоский штопор с явлениями авторотации.
Стабилизатором (имеющим рабочие углы атаки) еще что-то можно попытаться сделать, но киля-то у Вас тоже нет напрочь.

Второе, что мне с ходу пришло в голову - это ненужность высокоплана и из-за попадания крыла в систему скачков от фюзеляжа, и из-за сложных волновых явлений в зоне сопряжения крыла с фюзеляжем на трансзвуке, но об этом уже было сказано.

[RadioactiveRainbow]

Ковырял сейчас компоновку, пересунул крылья вниз, добавил достаточно плоский (слегка выгнутый) участок фюзеляжа.

На глаз центровка на дозвуке и сверхзвуке расползается.
Надо добавлять спереди площадь, которая работает только на с/з и больших углах.

Все сильнее хочется открывающиеся щитки )))

[RadioactiveRainbow]

Задам наивный вопрос - а крыло-то Вам вообще зачем?
На таком угле атаки оно вообще не работает, Вы гарантированно имеете сначала гиперзвуковой штопор, из которого выхода нет (причина потери одного из Х-15), на сверхзвуке - сверхзвуковой, на дозвуке - плоский штопор с явлениями авторотации.
Стабилизатором (имеющим рабочие углы атаки) еще что-то можно попытаться сделать, но киля у Вас тоже нет напрочь.

Второе, что мне с ходу пришло в голову - это ненужность высокоплана и из-за попадания крыла в систему скачков от фюзеляжа, и из-за сложных волновых явлений в зоне сопряжения крыла с фюзеляжем на трансзвуке, но об этом уже было сказано.

Спасибо. Насчет высокоплана уже понял )

Крыло нужно для дозвуковой планирующей посадки.
Я понимаю и принимаю, что на сверхзвуке оно работает просто как перпендикулярная потоку плоскость.

На киль внимания не обращайте - оно для декорации. Оперение планируется V- или Y-образным.

Можно поподробнее про штопор, особенно сверхзвуковой? В моем представлении его не будет, при достаточно жесткой конструкции и  если не допускать существенной закрутки вокруг вектора скорости. Я ошибаюсь?

Я хочу на сверхзвуке разворачивать оперение вдоль потока, а после торможения расправлять, смещая центр давления назад и опуская нос, так что штопора я не сильно опасаюсь.
Как дополнительное средство - все те же щитки (4 штуки), отклоняемые синхронно для управления по тангажу или диагонально для управления по рысканию.

[Петр Зайцев]

Второе, что мне с ходу пришло в голову - это ненужность высокоплана и из-за попадания крыла в систему скачков от фюзеляжа, и из-за сложных волновых явлений в зоне сопряжения крыла с фюзеляжем на трансзвуке, но об этом уже было сказано.

Ну вот и ответ на ваш вопрос почему МРКС переворачивается брюхом вверх.
-- Pete

[поверхностный]

Соответственно, при уменьшении угла атаки возникнет сила, стремящаяся вернуть аппарат в исходное положение. ПРичем чем больше возвышение точки крепления стабилизатора над центром масс - тем больше значение силы. Нет?

Да. Я просто возвышение проигнорировал, а учел только вынос стабилизатора назад.

[Гусев_А]

Я понимаю, что нужно решать задачу, согласно условию, но у меня возник вопрос к постановке самой задачи.

Допустим, если такой аппарат – орбитальный челнок и он спускается с орбиты, то зачем ему все время тормозить, аж до самого дозвука, тогда дешевле сделать капсулу, а крылатый аппарат должен владеть возможностью маневра, и его аэродинамическое качество должно быть выше чем у кирпича. Его органы управления должны быть действующими уже на гиперзвуке. А максимальное торможение наверно должно кончится уже в верхних слоях атмосферы, а потом уже полет с гораздо меньшим углом атаки, по крайней мере, с которых не должны свалиться в штопор.

Пожалуйста разъясните кто знает. Вот Шаттл и Буран до какой скорости и высоты активно используют реактивные двигатели для управления по курсу при спуске в атмосфере. И с какой высоты и скорости основной вклад в управление вносят уже аэродинамические органы управления?

[RadioactiveRainbow]

Допустим, если такой аппарат – орбитальный челнок и он спускается с орбиты, то зачем ему все время тормозить, аж до самого дозвука, тогда дешевле сделать капсулу, а крылатый аппарат должен владеть возможностью маневра, и его аэродинамическое качество должно быть выше чем у кирпича. Его органы управления должны быть действующими уже на гиперзвуке. А максимальное торможение наверно должно кончится уже в верхних слоях атмосферы, а потом уже полет с гораздо меньшим углом атаки, по крайней мере, с которых не должны свалиться в штопор.

Конкретно этот аппарат - суборбитальник, падающий вертикально со 100 км. Радикально дозвуковая аэродинамика нужна для снижения посадочной скорости и обеспечения большой дальности планирующего полета - все это для повышения безопасности полета после торможения. Соответственно, переводить аппарат на режим планирования на сверхзвуке, имхо, задача сомнительная а местами и опасная. На мой взгляд проще затормозить до требуемой скорости на больших углах.

Пожалуйста разъясните кто знает. Вот Шаттл и Буран до какой скорости и высоты активно используют реактивные двигатели для управления по курсу при спуске в атмосфере. И с какой высоты и скорости основной вклад в управление вносят уже аэродинамические органы управления?

Я не знаю (!), но что-то мне подсказывает, что на высоте 60-80 км и скорости 4-6 км/с аэродинамика уже вовсю рулит. Колумбия когда разрушилась - уже вовсю рулилась аэродинамикой, а не двигателями.

[Гусев_А]

Конкретно этот аппарат - суборбитальник, падающий вертикально со 100 км. Радикально дозвуковая аэродинамика нужна для снижения посадочной скорости и обеспечения большой дальности планирующего полета - все это для повышения безопасности полета после торможения. Соответственно, переводить аппарат на режим планирования на сверхзвуке, имхо, задача сомнительная а местами и опасная. На мой взгляд проще затормозить до требуемой скорости на больших углах.

То есть РН стартует вертикально без набора горизонтальной скорости?

А не сложнее и опаснее удерживать самолет на больших углах атаки?

[RadioactiveRainbow]

То есть РН стартует вертикально без набора горизонтальной скорости?

Практически. Горизонтальная там наверняка будет, но её величина на порядок меньше вертикальной, так что можно принебречь - на картину торможения влияния не окажет.

А не сложнее и опаснее удерживать самолет на больших углах атаки?

Вот это вопрос.
На сверхзвуке, имхо, большие углы атаки безопаснее. Я разумею, тупо сильнее тормозится площадка, повернутая перпендикулярнее к потоку. Соответственно, образовав вокруг центра тяжести выпуклую поверхность можно с достаточной уверенностью расчитывать на пассивную стабилизацию.
На до и трансзвуке - вопрос.

Собственно, опасность больших углов - опасность сваливания в штопор. Учитывая что торможение происходит с повернутыми вдоль потока стабилизаторами - у аппарата остается запас тормозящей площади сзади. Соответственно, просто развернув стабилизаторы в номинальное положение можно опустить нос достаточно низко чтобы выйти из опасного режима. В крайнем случае можно предусмотреть какое-=либо средство последнего шанса, типа противоштопорного парашюта и индивидуальных средств спасения (ну последнее - это, конечно, самый крайний случай).

[Гусев_А]

Вот это вопрос.
На сверхзвуке, имхо, большие углы атаки безопаснее. Я разумею, тупо сильнее тормозится площадка, повернутая перпендикулярнее к потоку. Соответственно, образовав вокруг центра тяжести выпуклую поверхность можно с достаточной уверенностью расчитывать на пассивную стабилизацию.
На до и трансзвуке - вопрос.

Собственно, опасность больших углов - опасность сваливания в штопор. Учитывая что торможение происходит с повернутыми вдоль потока стабилизаторами - у аппарата остается запас тормозящей площади сзади. Соответственно, просто развернув стабилизаторы в номинальное положение можно опустить нос достаточно низко чтобы выйти из опасного режима. В крайнем случае можно предусмотреть какое-=либо средство последнего шанса, типа противоштопорного парашюта и индивидуальных средств спасения (ну последнее - это, конечно, самый крайний случай).

Если верить вашей же картинке, то хвостовое оперение на сверхзвуке так же будет в тени от корпуса. (если я правильно понял, то крыло вы согласились опустить вниз) а стабилизаторы будут находиться в зоне непредсказуемых завихрений и с их помощью чем то управлять будет проблемно.

Да и если прикинуть по времени, то такой полет будет около минуты, а признаков способных обеспечить устойчивость именно такого положения я не вижу, и управлять нечем, так что  это штопор. Да и зачем подвергать самолет большим перегрузкам так долго и за зря, не легче ли набрать поболее горизонтальной скорости, и спокойно прикинуться Шаттлом.

[поверхностный]

У Спирали, как мне кажется, широкая выпуклая "грудь" служит как раз для балансировки и устойчивости на большом угле на сверхзвуке

[Вадим Лукашевич]

У Спирали, как мне кажется, широкая выпуклая "грудь" служит как раз для балансировки и устойчивости на большом угле на сверхзвуке

Балансировка "Спирали" на гиперзвуке обеспечивалась определенным углом раскладки подвижных консолей крыла

[RadioactiveRainbow]

Если верить вашей же картинке, то хвостовое оперение на сверхзвуке так же будет в тени от корпуса. (если я правильно понял, то крыло вы согласились опустить вниз) а стабилизаторы будут находиться в зоне непредсказуемых завихрений и с их помощью чем то управлять будет проблемно.

Да, я уже понял, что все придется опускать. Чем сейчас и занимаюсь.

Да и если прикинуть по времени, то такой полет будет около минуты, а признаков способных обеспечить устойчивость именно такого положения я не вижу, и управлять нечем,

Несколько минут.
Поперечная усточуивость обеспечивается пассивно - поперечным V.
Продольная - аналогично. Принцим аналогичен продольной стабилизации БОРов - "грудь" обеспечивает кабрирующий момент на сверхзвуке, крылья - пикирующий, заведомо недостаточный. Баланс достигается соответствующим положением стабилизаторов или щитков.
На мой взгляд, выпуклый профиль нижней плоской поверхности фюзеляжа позволит обеспечить величину балансировочного угла близко к требуемому.

так что это штопор.

Объясните мне, пожалуйста, про сверхзвуковой штопор. Я всегда был уверен, что штопор - удел исключительно дозвука, и при таком большом соотношении поступательной и тангенциальной скоростей вообще вряд ли возможен.
Или на самом деле разницы между штопором и закруткой вокруг вектора скорости разницы нет?

Балансировка "Спирали" на гиперзвуке обеспечивалась определенным углом раскладки подвижных консолей крыла

Во-во. То есть варьированием площади, формирующий пикирующий момент. В моем случае эта роль отводится стабилизаторам и щиткам.