Спуск с орбиты: крылья без управления

[avmich]

После довольно длительных обсуждений :) решил выложить на форум вопрос.

Существует ли такая форма (трёхмерного жёсткого тела), которая позволяет при спуске с околоземной орбиты иметь устойчивую ориентацию "теплозащитой к потоку", при этом не иметь закрутки и обладать достаточно высоким аэродинамическим совершенством?

Пояснения. Шар с центром масс в геометрическом центре вращается в потоке произвольно. Если центр масс сместить от геометрического центра (Востоки), то шар летит центром масс вперёд (почти), но может вращаться вокруг "продольной" оси. Похожим свойством обладают тела вращения с формой, соответствующей капсулам КК - Союз, Аполлон, Джеминай, ВА ТКС, Меркури...

Вопрос, можно ли построить тело, которое имело бы предпочитаемое положение поворота вокруг этой оси. То есть, которое находилось бы в устойчивом равновесии при малых угловых отклонениях вокруг "продольной" оси. Понятно, что при достаточной устойчивости можно покрыть "наветренную" поверхность этого тела теплозащитой. Интересующее свойство - возможность "безопасного" спуска с орбиты в режиме "неуправляемого кирпича". Вроде бы, кроме воздействия потока (вращение вдоль направления которого должно быть безразличным, в отсутствие прочих сил) имеется ещё гравитация, которая может как раз обеспечить осевую стабилизацию.

Грубо говоря, бумажный самолётик вроде бы обладает предпочитаемой ориентацией вокруг оси, соответствующей направлению полёта. Можно ли организовать такое же свойство для КК?

[serb]

ИМХО нельзя. В отсутствие опоры для гравитационной стабилизации важна не сама гравитация, а ее градиент. А он на несколько порядков меньше, чем аэродинамические флуктуации

[Дмитрий Виницкий]

А почему собственно нельзя учесть все возмущающие моменты для неуправляемого стабилизированного спуска?
Вопрос - зачем?

[avmich]

Во-первых, прошу прощения - ошибся, надо было в "Технических вопросах" тему открыть.

Во-вторых, зачем... Чтобы для крылатого аппарата иметь возможность спуска при отказе системы управления - с пассивной устойчивостью.

Рутан при проектировании SS1 решал задачу "правильной" ориентации тем, что один раз "складывал" крыло, и один раз - раскладывал. Обе операции критичны для безопасности спуска. Если эти операции проходят успешно, то SS1 - как я понимаю - имеет устойчивое положение в потоке во время основного торможения.

Можно ли решить эту задачу без необходимости раскладывать или складывать крыло?

[Андрей Суворов]

Во-первых, прошу прощения - ошибся, надо было в "Технических вопросах" тему открыть.

Во-вторых, зачем... Чтобы для крылатого аппарата иметь возможность спуска при отказе системы управления - с пассивной устойчивостью.

Рутан при проектировании SS1 решал задачу "правильной" ориентации тем, что один раз "складывал" крыло, и один раз - раскладывал. Обе операции критичны для безопасности спуска. Если эти операции проходят успешно, то SS1 - как я понимаю - имеет устойчивое положение в потоке во время основного торможения.

Можно ли решить эту задачу без необходимости раскладывать или складывать крыло?

Раскладывание крыла эту задачу не решает. Раскладываение крыла лишь ориентирует вектор перегрузки так, чтобы пассажирам было удобнее. Тормозится SS1 без качества.

[avmich]

ИМХО нельзя. В отсутствие опоры для гравитационной стабилизации важна не сама гравитация, а ее градиент. А он на несколько порядков меньше, чем аэродинамические флуктуации

Подозреваю, мы немного о разном говорим. У маятника есть уверенная гравитационная стабилизация даже в безградиентном гравитационном поле...

[avmich]

Во-первых, прошу прощения - ошибся, надо было в "Технических вопросах" тему открыть.

Во-вторых, зачем... Чтобы для крылатого аппарата иметь возможность спуска при отказе системы управления - с пассивной устойчивостью.

Рутан при проектировании SS1 решал задачу "правильной" ориентации тем, что один раз "складывал" крыло, и один раз - раскладывал. Обе операции критичны для безопасности спуска. Если эти операции проходят успешно, то SS1 - как я понимаю - имеет устойчивое положение в потоке во время основного торможения.

Можно ли решить эту задачу без необходимости раскладывать или складывать крыло?

Раскладывание крыла эту задачу не решает. Раскладываение крыла лишь ориентирует вектор перегрузки так, чтобы пассажирам было удобнее. Тормозится SS1 без качества.

Речь не о том, с качеством ли SS1 тормозится, а о том, что в "разложенном" состоянии SS1 самостоятельно ориентируется днищем к потоку.

[Дмитрий В.]

Ну, обычно, для обеспечения устойчивости по крену крылу придают некое положительное "поперечное V". Вопрос, удастся ли подобрать угол этого V так, чтобы обеспечить устойчивость во всем диапазоне высот и чисел Маха?

[Андрей Суворов]

Раскладывание крыла эту задачу не решает. Раскладываение крыла лишь ориентирует вектор перегрузки так, чтобы пассажирам было удобнее. Тормозится SS1 без качества.

Речь не о том, с качеством ли SS1 тормозится, а о том, что в "разложенном" состоянии SS1 самостоятельно ориентируется днищем к потоку.

Ровно так же, как СА "Востока".

[Андрей Суворов]

Ну, обычно, для обеспечения устойчивости по крену крылу придают некое положительное "поперечное V". Вопрос, удастся ли подобрать угол этого V так, чтобы обеспечить устойчивость во всем диапазоне высот и чисел Маха?

Речь идёт не об этом. Можно ли добиться, чтобы при торможении без управления подъёмная сила была гарантированно направлена вверх, т.е. против вектора гравитации?
Поперечное V будет восстанавливать положение по отношению к потоку, а не к вектору гравитации.

[Дмитрий Виницкий]

Можно, наерное, теоретически. Только ЦМ должен быть низким и продольным. А остальное - пенопласт :wink:

[serb]

Подозреваю, мы немного о разном говорим. У маятника есть уверенная гравитационная стабилизация даже в безградиентном гравитационном поле...

У маятника есть опора - ВНЕШНЯЯ точка подвеса. А у спускающегося СА такой точки подвеса нет

[Дмитрий В.]

Ну, обычно, для обеспечения устойчивости по крену крылу придают некое положительное "поперечное V". Вопрос, удастся ли подобрать угол этого V так, чтобы обеспечить устойчивость во всем диапазоне высот и чисел Маха?

Речь идёт не об этом. Можно ли добиться, чтобы при торможении без управления подъёмная сила была гарантированно направлена вверх, т.е. против вектора гравитации?
Поперечное V будет восстанавливать положение по отношению к потоку, а не к вектору гравитации.

Если я правильно понял, изначально требовалось обеспечить ориентацию по отношению к потоку, а уже потом, как средство, была предложена гравитационная стабилизация. Которая, естественно, при малых размерах тела и примерно одинаковых моментах инерции работать не будет, да к тому же и в атмосфере.

[Гусев_А]

Я думаю, что изначально эта задача чисто теоретическая.
Зачем отказываться от активного управления, ведь без него не возможна реальная посадка. Да и не какая чудо-форма не удержит аппарат под нужным углом при входе в атмосферу.

Я думаю, что форма при пассивном (аварийном) спуске должна предотвратить вращения, удержать аппарат вперед теплозащитой, чтоб дать затем экипажу возможность катапультироваться.

Мне интереснее такой вопрос: На какой высоте, при входе в атмосферу с первой космической скоростью у аппаратов челнокового типа начинается возможность управления с помощью аэродинамических рулей.

[mihalchuk]

Или я ничего не понял, или задача элементарная. Нужен аппарат с высоким аэродинамическим качеством, при том, что при повороте аппарата вокруг оси направления движения должна возникать сила, приводящая аппарат в исходное положение. Вообще говоря - напрямую пожалуй нет, но после поворота вокруг оси через некоторое время изменится режим обтекания, что, в зависимости от формы аппарата, может привести к возникновению требуемых сил. Возможно, но в самых верхних слоях атмосферы режим самостабилизации будет работать слабо, что может дать существенную промашку.

[hcube]

ХО - нельзя. Т.е. можно, но уже там, где скорости вполне самолетные. А основные проблемы с поддержанием ориентации - там где аппарат только входит в атмосферу.

Однако, можно сделать аппарат, устойчивый по двум остальным координатам - крен и тангаж. А на рысканье поставить подруливающую систему.

[WkWk]

Какой то ход мысли неправильный :wink:
 Вона еропланы неустойчивыми делают ( а все благодаря надежной авионике), а мы все   по заветам дедушки Туполева (и фамилие какое у человека подходящее) - хороший бустер, это который на земле :cry:
 В общем не надежные конструкции делать, а приспособы на случай аварии....

[Lev]

Насколько я понял, неустойчивость-основа управляемости. Или нет?

[WkWk]

Точно, точно...
 А перед первой мировой увлекались строительством автоматически устойчивых аэропланов. Маятники там подвешивали, крылья закручивали. А то вдруг порыв ветра, пилот ручку упустит и привет
 А теперь вот автоматически устойчивый СА....
 Регресс однако.

[hcube]

Ничего подобного. Устойчивость НЕ связана с управляемостью. Ну, не прямо по крайней мере. Планер с V-крылом совершенно устойчив, и при этом отлично управляется.

Дело вот в чем - устойчивость всяческих планеров - это явление второго порядка по сравнению с аэродинамикой. Т.е. планер устойчив постольку, поскольку он гравитационно стабилизирован. Но СА не стабилизирован гравитационно. Поскольку находится в состоянии невесомости. Вот когда он уже забурится в атмосферу и будет лететь на 10М и менее - вот ТОГДА да, возможна конфигурация, которая самобалансируется. А пока он летит по баллистике, нет никакой разницы, вверх или вниз днищем он это делает.