Аэродинамика. Устойчивость и управляемость.
Во время нашего детства не было такого засилья игрушек, как сейчас (капитализм и бизнес) и многое делали сами, своими руками. Например, лук - который стреляет стрелами. Что то вроде такого:
Ветка, шнурок, камышинки в качестве древка стрел, наконечники из жести от консервной банки. Оперения в наших краях не делалось - не было принято. Стрела летела более менее прямо, но покачивалась. Попытка выстрелить стрелой без наконечника давала такой результат - стрела пролетала несколько метров и разворачивалась боком. Почему так - я узнал достаточно быстро, когда начал читать детские книги про авиацию, например Маркуши, в которых разъяснялось про центр тяжести и центр давления.
Если какое то тело, например стрела или древко стрелы движется в воздухе, и имеет некоторое отклонение продольной оси от направления движения - так называемый "угол атаки", который обычно обозначается "альфа", то на нем появляется аэродинамическая сила. Точка приложения этой силы при небольших углах атаки находится примерно на 25% от передней кромки.
"Движущая сила" - сила инерции - приложена в центре тяжести. В случае стрелы без наконечника это на 50% от передней кромки - посередине. Возникает пара сил, которая увеличивает первоначальное отклонение, и стрела без наконечника разворачивается боком.
Что бы это устранить, необходимо каким то образом ЦТ разместить впереди ЦД. Это можно сделать, установив тяжелый наконечник - переместить вперед ЦТ. А можно переместить назад ЦД, установив оперение - как на фото с луком и стрелами. А можно - и то и другое.
Пули гладкоствольного оружия (не все, а те, которые стабилизированы аэродинамикой) сделаны по такому же принципу
Вся авиация, ее устойчивость и управляемость построено на том же - центр тяжести находится примерно на 25% Всах - средней аэродинамической хорды. Если ЦТ сдвинут больше вперед - то самолет очень устойчив, но плохо управляем. И наоборот, сдвинутый назад ЦТ дает хорошие пилотажные качества, но "строг" в управлении - так как это было, например, с И-16.
На сверхзвуке ЦД смещается назад, почти до 50%. Это послужило, в свое время, когда штурмовали звуковой барьер, к затягиванию самолетов в пикирование, и обычной эффективности рулей высоты не хватало. Сегодняшние самолеты, летающие на сверхзвук, имеют цельноповоротные стабилизаторы достаточной эффективности, что бы летать и на дозвуке и на сверхзвуке.
Сверхзвуковое обтекание тела порождает скачки уплотнения. При больших сверхзвуковых скоростях эти скачки сильно отклонены назад - имеют малы угол.
Если на больших сверхзвуковых скоростях тело имеет вид конуса с углом при вершине, близким к углу скачка уплотнения, то происходит нечто подобное "естественной стабилизации" - боковые поверхности "опираются" о скачек уплотнения. В реальности все сложнее, но для понимания этот вариант объяснения подходит.
Для пуль и снарядов сделать их конусными затруднительно в силу ряда причин, а вот боеголовки межконтинентальных ракет имеют классическую конусную форму
И примерная картина обтекания
Про боеголовки была неплохая статья в Популярной Механике, и практически один в один перепечатана здесь. Рекомендую почитать.
Если какое то естественное небесное тело (будущий метеорит) движется в открытом космосе без вращения и имеет не слишком неправильную форму и не имеет больших перепадов плотности. то он получает "естественную стабилизацию", а скоростной напор и нагрев "обдирают" его поверхность. делая конусным
Этот конус летит острым концом вперед.
И еще немного про аэродинамику шара.
Шар - в некотором роде уникум. Вспомним круглые пули и круглые ядра, издавна применявшиеся в гладкоствольном оружии. Точность была не высокая, потому что при выстреле получалось вращение с небольшой скоростью, в различном неконтролируемом направлении. Из за эффекта Магнуса появлялась боковая сила, отклоняющая от прямолинейного направления.
В свободном падении шар практически всегда произвольно закрутится из за не идеальности поверхности и флуктуаций атмосферы. Для обеспечения стабильного положения необходимо так же сместить центр тяжести.
Для свободнопадающего шара даже при дозвуковой скорости нет необходимости смещать ЦТ в значительной мере к передней кромки, ближе 25%, что бы обеспечить стабильное движение - достаточно сместить от исходных 50% на величину порядка 10%. Это зависит от многих факторов, но порядок таков.
Перейдем к реальным космическим кораблям.
Восток
Сферический спускаемы аппарат со смещенным центром тяжести. Покрыт испаряемой теплоизоляцией различной толщины. В зоне максимального нагрева (низ аппарата) толще, по бокам и наверху - тоньше.
Круговая теплоизоляция не только защищает от охватывающего спускаемый аппарат со всех сторон "огненного шара", но и в случае нестабильного спуска, когда аппарат может раскачиваться, поворачиваясь частично боковой поверхностью навстречу потоку. Продувка сферической модели в сверхзвуковой аэродинамической трубе
Максимальное прилегание скачка уплотнения дает зону максимального нагрева и максимальной механической нагрузки. Потому низ аппарата "ободран" и обожжен гораздо сильнее, чем верх
Дальнейшим развитием космического корабля Восток стал Восход - все тот же сферический спускаемый аппарат.
У сферического спускаемого аппарата есть недостатки - высокие перегрузки при спуске по баллистической траектории, и достаточно низкая точность приземления.
Но зато и достоинства то же очень весомые. Самое главное - это надежность при спуске. Баллистическая траектория для сферического аппарата - предельная . То есть перегрузка задана углом входа в атмосферу, а этот угол - величиной тормозного импульса. Все остальное в процессе спуска уже менее существенно. "Сорваться в баллистический спуск" он уже не может - аппарат уже на баллистической траектории. Перелететь далеко вперед или назад, влево или вправо - то же нет, если тормозная установка отработала штатно. Потому как качество ноль. Перевернутся "макушкой" вперед по движению, так, что космонавт повиснет на привязных ремнях - не может, у этого аппарата только одна точна устойчивого равновесия. Может покачиваться и крутиться в процессе снижения, но круговая теплоизоляция в любом случае обеспечивает защиту.
Зона, подвергшаяся максимальному нагреву, предстает перед нами черной обгоревшей эпоксидной или фенольной смолой, из которой проглядывает белая ткань - асбестовая и стеклоткань . Абляционная защита не имеет каких либо характерных следов в виде полос.
Те штрихи, которые видны - это следы погрузки, перегрузки, транспортировки и прочих послеполетных действий.
Чего не скажешь о спускаемых капсулах Джемини и Меркурий, прошедших через аналогичную зону нагрева.
Красивые, как нарисованные радиальные полосы/штрихи, особенно в случае демонстрации того, что спуск был управляемый
Но все это требует более обстоятельного разговора, причем после анализа, в первую очередь, боковой поверхности аппарата. Поговорим об этом далее.
Продолжение в следующей части.
