Как ранее обещал моим читателям - начинаю небольшую серию статей о крыльях для космоса.
Для начала - где крылья полностью бесполезны? Вероятно там, где нет атмосферы. Например - на Луне
Для небесных тел, которые обладают достаточно плотной атмосферой, крылья и атмосфера (газы) могут использоваться для выхода в космос, для маневров в космосе (как это не парадоксально) и для возвращения обратно.
В этой части рассмотрим, для чего же могут пригодиться крылья во время космического полета, когда космический аппарат уже на орбите, летает практически в пустоте и крылья вроде бы и не причем.
Крылья в космосе
Спутник на низкой околоземной орбите - самый обычный
Наклонение орбиты может быть самое различное - от нуля градусов - экваториальная орбита - до 90 градусов - полярная орбита
Плоскость орбиты спутника, как и всякого гироскопа или волчка или маятника - остается неизменной, во всяком случае на протяжении относительно коротких (относительно периода обращения) промежутков времени - для спутника на НОО это недели и месяцы. Земля - вращается. Поэтому спутник на полярной орбите может постепенно, за много витков, осмотреть всю Землю. Но над одной и той же точкой земной поверхности он будет проходить очень редко (кроме полюсов). Экаториальная орбита позволяет постоянно мониторить полоску Земли вдоль экватора, но остальное ему недоступно.
Оптимально на орбиту с заданным наклонением отправлять спутник с космодрома, расположенного на той же широте.
Изменение орбиты.
Изменить высоту орбиты, форму - из круговой эллиптическую и наоборот, без изменения плоскости орбиты, а так же высоту орбиты - рассматривали в: Гравитационные потери. Часть 3. Для этого необходим запас характеристической скорости - то есть топлива.
А плоскость орбиты?
Казалось бы просто - включили двигатель, направив вектор тяги перпендикулярно плоскости орбиты или вектора скорости - и плоскость орбиты повернулась
Но исходная орбитальная скорость от этого не уменьшится, приращение скорости, направленное под углом 90 градусов к существующей, сложится векторно, и орбитальная скорость поменяет не только направление, но и величину.
После выдачи корректирующего импульса КА окажется в перигее новой, эллиптической орбиты с измененным наклонением.
Поэтому дополнительный корректирующий импульс должен убрать все "лишнее" приращение скорости - V1 должна равняться исходной V. То есть затормозить.
Двойная затрата топлива - в одном направлении затратить топливо для уменьшения скорости, в другом затратить для увеличения.
"Пройти поворот" так. как это делает автомобиль или самолет - не снижая скорости, используя инерцию - не получается, "опереться" не на что.
А если есть крылья?
Тогда становится возможен (только теоретически) такой маневр:
- Выдается небольшой тормозной импульс, орбита становится эллиптической и "зацепляет" атмосферу
- Крылатый аппарат входит в атмосферу носовой частью по полету, с нулевым углом атаки.
- Закладывает крен в 90 градусов - одно крыло в зенит, второе в надир - то есть "встает на нож"
- Дает угол атаки, соответствующий максимальному АД качеству на гиперзвуке
- Выдерживает такой режим в течении времени, необходимого для изменения наклонения орбиты
- Убирает крен
- Включает двигатель и набирает скорость для выхода на ту же орбиту (круговую той же высоты), но с измененным наклонением
В этом случае топливо тратится на первоначальное торможение, для схода с круговой орбиты, последующий разгон, на величину этой потерянной скорости и компенсация потерь скорости на атмосферный маневр.
Первые две величины не слишком большие по величине - уменьшение скорости на 150 - 200 м/с, и такой же набор. Затраты топлива при этом минимальны.
А вот атмосферный маневр может потребовать очень больших затрат скорости. Величина зависит от аэродинамического качества на гиперзвуке.
Про качество мы говорили в статьях про Меркурии:
От "Баллистический спуск... или куда летали Меркурии. Часть 1."
до "Баллистический спуск... или куда летали Меркурии. Часть 6."
Если качество равно 1, то никакого выигрыша нет. Приращение скорости, изменяющей плоскость орбиты, равно по величине уменьшению орбитальной скорости - и это для идеального случая. Реальность всегда хуже, потери больше.
Если качество меньше 1 - тем более.
Данный маневр может быть целесообразен при качестве от 1,5 (а лучше от 2) и выше.
И вот с качеством на гиперзвуке - все печально:
У советской "Спирали" расчетно-экспериментальные данные давали максимальную величину качества космического аппарата 1,5 на гиперзвуке, в то время как на дозвуке эта величина была больше 4.
Здесь "против" играет физика.
На дозвуке сопротивление создается вязкостным трением (профильное) и собственно, созданием подъемной силы - индуктивное.
На сверхзвуке к этому добавляется сопротивление от образования скачков уплотнения - так называемое волновое сопротивление. Оно больше двух предыдущих. И с увеличением скорости эта величина растет.
Минимизировать эту составляющую можно создав остроконечную форму аппарата и крыла с острой передней кромкой.
Но чем меньше радиус закругления - тем выше нагрев передней кромки. Современные материалы не выдерживают, приходится носовые части и передние кромки закруглять значительно бОльшими радиусами, нежели этого хотелось бы по аэродинамике.
Посмотрите на предполагаемый аппарат Зенгера - нагрева тогда еще всерьез не коснулись
и реальный Буран или Шаттл
которому пришлось решать все эти проблемы, нагрева, как первоочередные.
Гиперзвук добавляет к сверхзвуковым потерям (волновому сопротивлению) еще и потери на диссоциацию молекул воздуха.
И американский "X-20 Dyna Soar" (ниобиевый динозавр) и советская "Спираль", и "Спейс-Шаттл" и "Буран" - имели космический самолет, или планер, предназначенный, в основном, для торможения в атмосфере и последующего бокового маневра и приземления. Возможность "нырка в атмосферу" - всего лишь дополнительная возможность. Это одна из причин сравнительно низкого АД качества на сверхзвуке.
Каковы теоретически возможные значения качества на гиперзвуке - я к сожалению, не нашел этой информации.
Попробуем посмотреть на поиск этой величины иначе.
У сверхзвукового Конкорда на 2М качество 7,5, на дозвуке почти 13.
Если предположить возможности решения каким то образом вопросов нагрева, то можно грубо сопоставить уменьшение качества:
от 4,5 до 1,5 у "Спирали", при переходе от дозвука к гиперзвуку
от 12 до 4 у некоего гипотетического аппарата, предназначенного для орбитально-атмосферно-орбитального маневра.
Такая величина качества делает маневр изменения плоскости орбиты с использованием атмосферы привлекательным по затратам топлива.
Вишенка на торте)
Советские специалисты предложили для крылатого космического аппарата еще одну возможность маневра - ну не могли они пройти мимо, не придумав чего то оригинального!
На низкой круговой орбите крылатый космический аппарат дает корректирующий импульс (F), направленный к Земле
Получаем приращение скорости dV и суммарную скорость V1.
Космический аппарат идет в атмосферу, к перигею новой эллиптической орбиты, на скорости большей, нежели была до этого - больше, нежели круговая.
Выполняет в атмосфере маневр изменения плоскости орбиты, как это было описано выше. На это тратится часть орбитальной скорости. Но она была выше круговой! Если изменение плоскости было небольшое, то КА может выйти из атмосферу на скорости, близкой к круговой и потребная коррекция и затраты топлива при этом могут быть минимальны.
При такой схеме маневра можно иметь возможность выигрыша по топливу, в сравнении с обычным, даже при качестве около 1.
К сожалению, "Спираль" и все наработки по ней похоронили из за разработки "Энергия-Буран", которые по факту оказались никому не нужные. И американцы со своим "Спейс-Шаттлом" так же признали тупиковость направления. Но у них есть "Боинг Х-37",
который продолжает тему крылатых космических аппаратов. Использует он крылья только для приземления, или совершает какие то маневры с использованием атмосферы - в ближайшее время мы вряд ли это узнаем - все достаточно засекречено. Как у них, так и у нас.
Выход в космос с использованием крыльев и возврат на землю - в следующих частях.
