Максимальное аэродинамическое качество

[kopiev]

Изначально разместил это сообщение в ПТК НП[/u], получился оффтоп. Таким образом, удалил оттуда и в отдельный топик:

... В общем да, но для капсул вроде СА "Союза" или СА "Аполлона" это всегда сантиметры, по этой причине они склонны к довольно большим колебаниям возле балансировочного угла.

Скорее всего, амплитуда угла возможных колебаний определяется аэродинамическим качеством (специально). Если качество повышается, то соответствующего угла будет невозможно достичь формой теплового щита, что потребует смещения массы для компенсирования момента силы на гиперзвуке. Для этого может пригодиться горючее с окислителем, которое можно использовать для ракетной посадки. То есть в данном случае использование такого типа посадки выглядит оправданным в силу экономии на теплозащите. Тем более, что затормозится она очень сильно при плоском штопоре в конце траектории. Вот такое впечатление. Поправьте если ошибаюсь.

ЗЫ: по всей видимости, предельное аэродинамическое качество для капсул вполне определенное число. Интересно только, чему оно равно.

Собственно сабж: Максимальное аэродинамическое качество капсул[/u][/i] или Минимальный угол атаки на гиперзвуке[/u][/i].

[mistermuscle]

На гиперзвуке максимальное качество около 2-3 достижимо, если не меньше!

[kopiev]

ВА ТКС: 0.25
Аполлон: 0.30
Орион: 0.32

То есть у Ориона получается угол атаки приблизительно 58 град (у челнока 30-40). Есть подозрение, что "0.32" соответствует минимальному углу атаки[/u][/i] или минимальной "теплозащищенной" площади[/u] капсулы от всей ее площади поверхности. Все остальное будет хуже. На окончательный выбор оптимального решения может оказывать влияние также испольуемые конструкционные материалы, доступный диаметр контейнера ПН и тп.

В данном случае хотелось бы услышать Ваше мнение на счет величины минимальномого угла атаки[/u][/i], которое можно обеспечить формой теплового щита без возникновения моментов сил, "заваливающих" к баллистической траектории. Скорее всего, это теоретическое аэродинамическое свойство, которое где-нибудь опубликовано.

[Peter]

Из тех графиков, что я видел, получается 3-4. Но это с крылышком.

[kopiev]

По всей видимости, небольшая цилиндрическая цасть с теплозащитой должна позволить увеличение до 0,45. Но не более того.

[Бродяга]

По всей видимости, небольшая цилиндрическая цасть с теплозащитой должна позволить увеличение до 0,45. Но не более того.

На гиперзвуке качество зависит практически только от угла атаки.

 Оно примерно равно котангенсу угла атаки, если считать таковым угол между направлением набегающего потока и плоскостью теплозащиты.

 В принципе, можно получить любое качество и на гиперзвуке, только аппарат сгорит.

[kopiev]

Да, по всей видимости вопрос можно считать закрытым.

Дело не в достижимом угле атаки - можно использовать часть верхней плоскости и достичь любого угла. Просто не сообразил. В случае капсулы, подъемная сила будет меньше по сравнению с планером и необходимый угол скорее всего определяется выбранной теплозащитой или необходимым температурным режимом при спуске. Что-нибудь вроде этого.

[Бродяга]

Да, по всей видимости вопрос можно считать закрытым.

Дело не в достижимом угле атаки - можно использовать часть верхней плоскости и достичь любого угла. Просто не сообразил. В случае капсулы, подъемная сила будет меньше по сравнению с планером и необходимый угол скорее всего определяется выбранной теплозащитой или необходимым температурным режимом при спуске. Что-нибудь вроде этого.

Ещё и устойчивостью.

 "Блин" имеет два положения равновесия, одно из них "люком вперёд", другое правильное — "теплозащитой вперёд".

[kopiev]

Мы это уже обсуждали.

[Fakir]

Из тех графиков, что я видел, получается 3-4. Но это с крылышком.

Обычно рисуют до 2,5-3 (речь о скоростях порядка 20 М), это для "хорошо крылатых аппаратов", причём с острыми кромками крыльев. Что само по себе создаёт существенную тепловую проблему (затупленные кромки - менее напряжены, именно такие на шаттлах).

Для "плохих "несущих тел (нечто среднее между капсулой и нормальным, англ. biconocs) - порядка 1, может, до 1,5, "хорошие" несущие тела и несущие тела с маленькими крылышками - что-то до 2, ЕМНИС.

Капсулы разных типов - в принципе возможно и до 0,6, может даже и 0,8.
Видимо, максимальные достижимы для асимметричных капсул.
Конфигурация "фара" в принципе может обеспечить до 0,5 при угле атаки около 25.

[Fakir]

или минимальной "теплозащищенной" площади[/u] капсулы от всей ее площади поверхности.

Это совершенно не является критерием.

Макс. угол атаки определяется как центровкой и возможностями управления, так и тем, чтобы "боковые стенки" не вылезли из аэродинамической тени днища. Но это важно не по причине тепловых проблем, это бы как раз решаемо, а банально потому, что качество резко рухнет - добавочное сопротивление.

Это ограничение (по "затенению") можно обойти за сч. асимметрии капсулы, и увеличить допустимый угол атаки. Предложению полвека как.
Так что как минимум с газодинамической точки зрения тут всё нормально. Может, проблемы какие с центровкой-компоновкой.

[Fakir]

В принципе, можно получить любое качество и на гиперзвуке,

Нельзя.

[Бродяга]

В принципе, можно получить любое качество и на гиперзвуке,

Нельзя.

Почему это, если не учитывать, что аппарат банально сгорит?

[Бродяга]

Конфигурация "фара" в принципе может обеспечить до 0,5 при угле атаки около 25.

При угле атаки 25 градусов качество будет 0,5?
 Меньше, чем у Шаттла, у которого 1,3 при угле атаки 34 градуса?

 Качество 0,5 будет при угле атаки 60—65 градусов.

[kopiev]

В принципе, можно получить любое качество и на гиперзвуке,

Нельзя.

Я не думаю, что у челнока на гиперзвуке качество больше единицы. Это не полет, а маневр торможения "в рамках теплового режима". То есть здесь под качеством видимо понимается отношение силы торможения/подъемной на гиперзвуке.

В контексте топика, меня интересовал прежде всего минимальный "стабильный" угол атаки, который можно достичь не задействуя боковые стенки капсулы. Смысл - если это делать за счет формы "до нуля", то эта форма должна будет стремиться к полусфере. Видимо понятно, что от такой капсулы не будет никакой пользы.

[ngl]

...В контексте топика, меня интересовал прежде всего минимальный "стабильный" угол атаки, который можно достичь не задействуя боковые стенки капсулы...

В контексте вопроса - это явный нуль.

[SpaceR]

Имхо для осесимметричных тел максимальное качество достижимо для диска нулевой толщины, поставленного под углом ~45 градусов к набегающему потоку. Нет, даже не совсем: поскольку в верхних слоях влияние верхней части ВА, находящейся "в тени" днища, пренебрежимо, то это может быть конус с углом менее 45 градусов.

Однако такое днище достаточно неустойчиво и подвержено повышенным тепловым нагрузкам. Чтобы снизить эти влияния, нижней плоской подошве можно придать сферичность и скругления по краям подошвы (чтобы не перегревались). Это, устати, удобнее и в плане повышения жёсткости и устойчивости к внутреннему давлению.
Таким образом, вышел ВА "Аполло" (Ориона). ЕМНИП, качество не более 0,4.

Однако чтобы снизить перегрузки до приемлемых можно обойтись и меньшей подъёмной силой, и угол 45 град. не нужен. Уменьшение угла позволяет обеспечить приемлемые перегрузки и при этом повысить массовое совершенство ВА, что и было успешно реализовано на "Союзе" (и ШэньЧжоу). Недостатки такого решения - меньше допустимые углы атаки и соответственно подъёмная сила, но её вполне достаточно для приемлемых перегрузок, конечно если угол входа в атмосферу достаточно мал. Так что требуется вдобавок более высокая точность (особенно при возвращении с Луны или дальше), ну и больше масса ТЗП на боковых стенках.
ВА ТКС и большинство современных проектов ВА (Драгон, ПТК НП, японский, европейский, индийский) лежат между этими двумя решениями, ища компромисс.


Гм. Забыл ещё один большой класс - с передним конусом (подобно боеголовкам и индийскому экспериментальному ВА). Вот у этих действительно можно при достаточно малом угле конусности обеспечить высокие величины качества (выше 0,5).
Общий недостаток таких ВА - низкое массовое совершенство, как за счёт не совсем удобной формы, так и из-за значительно большей площади корпуса, "омываемой" потоком (что соответственно ведёт к росту массы теплозащиты).
Из-за этого, несмотря на проработки и экспериментальные пуски, никто ВА с людьми с формой переднего конуса не делает - хотя проработки и были.

В общем, если брать по-крупному, большинство предлагаемых асимметричных ВА (шаттлы, клиперы и т.п.) - это попытки оптимизировать конструкцию с острым передним конусом за счёт снижения массы ТЗП (одностороннего его расположения и меньшей плотности - что снижает максимально допустимые температуры и требует более высокого аэродин. качества. Вот в этом случае оно действительно нужно).

Во всех остальных случаях потребности в высоком аэр. качестве нет.

[kopiev]

...В контексте топика, меня интересовал прежде всего минимальный "стабильный" угол атаки, который можно достичь не задействуя боковые стенки капсулы...

В контексте вопроса - это явный нуль.

.... то есть аэродинамическое качество равно 1 и без постороннего вмешательства, то есть более-менее устойчивое? Как-то не верится.
На мой взгляд, после какого-то значения начнется уменьшение качества и при угле 0 опять будет баллистический спуск.

+
спасибо SpaceR за содержательный пост.

[Бродяга]

В принципе, можно получить любое качество и на гиперзвуке,

Нельзя.

Я не думаю, что у челнока на гиперзвуке качество больше единицы. Это не полет, а маневр торможения "в рамках теплового режима". То есть здесь под качеством видимо понимается отношение силы торможения/подъемной на гиперзвуке.

Любопытно, а что это такое "другое" понимается под качеством для самолёта?

 Чем вообще смущает качество больше 1 или даже больше 2—3?
 Да, таких аппаратов, кроме Шаттла нет, по той причине, что у них возникают проблемы с теплозащитой — чем больше качество, тем меньше перегрузки, дольше торможение и время прогрева теплозащиты.
 Для эффективного торможения, в смысле теплового режима, качество вредно.

В контексте топика, меня интересовал прежде всего минимальный "стабильный" угол атаки, который можно достичь не задействуя боковые стенки капсулы. Смысл - если это делать за счет формы "до нуля", то эта форма должна будет стремиться к полусфере. Видимо понятно, что от такой капсулы не будет никакой пользы.

Такого угла вообще нет.

 Да, угол атаки СА стабилен, но СА совершает вокруг него колебательные движения и боковые стенки задействованы в процессе возникновения силы возвращающей к балансировочному углу.

[Бродяга]

Имхо для осесимметричных тел максимальное качество достижимо для диска нулевой толщины, поставленного под углом ~45 градусов к набегающему потоку. Нет, даже не совсем: поскольку в верхних слоях влияние верхней части ВА, находящейся "в тени" днища, пренебрежимо, то это может быть конус с углом менее 45 градусов.

У плоского диска, как вообще у чего угодно, максимальное качество на гиперзвуке будет при угле атаки НОЛЬ.

 При этом подъёмная сила и сила сопротивления тоже будет равны НУЛЮ.

 Вы просто путаете качество и величину аэродинамической силы.