РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ
АГРАРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Агроинженерный департамент
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Основы АКС»
«Обзор современных аэрокосмических
систем»
120700 - Землеустройство и кадастры
Шифр и наименование направление подготовки
Бакалавр землеустройства
Квалификация в соответствии с ФГОС
Выполнил
Студент гр. СОБ+ З - 1 Горобец О.С.
Руководитель
Доц. Лимонов А.И.
Москва, 2016
Содержание
Введение
. Одноступенчатая аэрокосмическая система
. Двухступенчатая аэрокосмическая система
. «Двуглавый орел» ЦАГИ
Заключение
Список использованной литературы
Учитывая особый статус задач анализа, синтеза и управления аэрокосмическими системами, развитие данной отрасли невозможно представить без использования современных методов и технологий, ориентированных на создание надежных и функциональных ракетно-космических систем. Гарантоспособность систем (надежность в более широком смысле) - это способность предоставлять требуемые услуги, которым можно оправданно доверять. Это свойство является комплексным и состоит из следующих составляющих: безотказность, готовность, достоверность, функциональная безопасность, целостность, живучесть и т.д.
Очевидно, что готовность, живучесть, функциональная безопасность и
безотказность аэрокосмических систем во многом определяются способностью
предотвратить переход объекта управления в потенциально опасное состояние,
например, обеспечить функциональную безопасность летательного аппарата в
условиях упругих колебаний. Все механические стержневые конструкции, в том
числе и корпуса аэрокосмических систем, являются не абсолютно жесткими
конструкциями, то есть осуществляют колебания. Основной причиной, которая
вызывает изгиб и колебания корпуса является управляющий момент, который
создается рулевыми органами. Данное обстоятельство становиться особо
существенным для аэрокосмических систем с насосной подачей топлива, так как для
них характерна тенденция создания конструкций с наименьшим весом. Это приводит
к тому, что несущие баки имеют небольшую жесткость.
Одноступенчатая аэрокосмическая система (англ. "single-stage-to-orbit" (также называемая SSTO) - это любой аппарат, который способен достичь орбиты не используя множество ступеней или отделяемых частей. Обычная одноступенчатая аэрокосмическая система взлетает с ВПП или Стартового стола и достигает орбиты только с тем топливом, которое содержится в топливных баках аппарата. Одноступенчатые аэрокосмические системы не требуют исключительно схода с орбиты и входа в атмосферу для посадки, поскольку они могут заправляться на орбите. Сборка одноступенчатой аэрокосмической системы, в основном, требует устойчивой конструкции космического корабля такой же, как и конструкция самолета, для создания аппарата, который может работать как внутри, так и за пределами атмосферы не меняя своего аэродинамического профиля и размера.
Орбитальные самолеты были введены в Космическую Программу Кербала только когда C7 выпустил свой пакет "spaceplane" к версии 0.12;
Орбитальные самолеты были официально включены в Космическую Программу Кербала в последующей версии0.15 вместе с добавлением Ангара.
Конструкция Одноступенчатой Аэрокосмической Системы
Одноступенчатые Аэрокосмические Системы могут быть сконструированы с использованием различных двигателей подобно своим родственникам многоступенчатым ракетам, однако, следует рассмотреть множество проблем, когда дело доходит до построения орбитального самолета.
Существуют два основных вида одноступенчатых аэрокосмических систем, которые можно создать. Первый вид - это одноступенчатая аэрокосмическая система - орбитальный самолет, который взлетает горизонтально со взлетно-посадочной полосы и приземляется так же горизонтально. Другой - одноступенчатая ракета, которая стартует вертикально и приземляется также вертикально.
Когда дело доходит до выбора двигателей для одноступенчатых аэрокосмических систем, существуют две основных особенности, на которые стоит обратить внимание: соотношение тяги к весу и эффективность.
Твердотопливные одноступенчатые аэрокосмические системы с ракетным двигателем - хуже идеальной: начиная с того, что тягой нельзя управлять или направить каким-либо доступным способом и заканчивая неспособностью использования топлива, расположенного на других частях космического корабля.
Воздушно-реактивные двигатели, хотя и бесполезны в космосе, являются довольно популярными пусковыми двигателями для одноступенчатых аэрокосмических систем из-за своей крайней топливной эффективности, которая позволяет одноступенчатой аэрокосмической системе сохранять драгоценное ракетное топливо до высоты, на которой воздушно-реактивные двигатели больше не эффективны.
Ракеты на жидком топливе идеальны для одноступенчатых аэрокосмических систем из-за способности управлять силой тяги, а также способностью управлять вектором тяги. Множество одноступенчатых аэрокосмических систем используют двигателей "Аэрошип" из-за его превосходных соотношения тяги к весу и эффективности. Неспособность присоединения отдельных ступеней на двигатели "Аэрошип" никак не влияет на конструкцию одноступенчатой аэрокосмической системы.
И с ракетным двигателем, и с воздушно-реактивным двигателем, повторно используемый аппарат должен быть достаточно прочным, чтобы пережить многократные путешествия в космос и обратно без дополнительного чрезмерного веса или обслуживания. Кроме того, повторно используемое транспортное средство должно быть в состоянии повторно войти в слои атмосферы без повреждения и безопасно приземлиться.
Пример в шаблонах, который является работающим экземпляром одноступенчатой аэрокосмической системы, орбитальным самолетом - это "Aeris 4A".
Проблемы внешней конструкции
Внешняя конструкция орбитального самолета намного важней и сложней конструкции ракеты. Принимая во внимание, что при разработке ракет необходимо обратить внимание только на устойчивость конструкции, центр масс и центр тяги, при разработке орбитального самолета нужно обеспокоится также о центре подъемной силы, угле атаки и аэродинамическом сопротивлении из-за вертикальной асимметричности конструкции самолета.
Особенности и Достоинства
- Может быть более эффективным на доступной орбите, чем многоступенчатые ракеты, из-за использования воздушно-реактивных двигателей. Это вызвано тем, что они используют потребление воздуха вместо окислителя в атмосфере, уменьшая требование топлива и вес;
- Не выбрасывает за борт дорогие двигатели и другие конструкции;
- Предотвращает необходимость возврата и обновления выброшенных за борт компонентов;
- Может работать как самолет в пределах атмосферы.
Недостатки
- Одноступенчатые аэрокосмические системы из разряда космопланов не могут быть такими же тяжелыми, как и вертикальные ракеты из-за конструкционных ограничений;
- Одноступенчатые аэрокосмические системы из разряда космопланов требуют выполнения жестких требований по аэродинамике;
- Недостаточное количество топлива для доставки тяжелых грузов на орбиту;
- Обычно не может вмещать достаточно топлива для межпланетного перелета;
- Тяжелее проектировать, чем многоступенчатые ракеты.
Двухступенчатая аэрокосмическая система относится к многоразовым космическим системам и касается аэрокосмической системы горизонтального взлета продольной компановки. Двухступенчатая аэрокосмическая система содержит первую и вторую ступень с крыльями, воздушно-реактивные двигатели на первой ступени. Первая и вторая ступени соединены последовательно. Фюзеляж второй ступени находится в миделе первой ступени. Крыло на первой ступени или на обеих ступенях изменяемой стреловидности. На первой и второй ступенях может быть расположено заднее горизонтальное оперение (ЗГО). Причем оперение второй ступени работает как «утка», когда центр масс находится позади него, и как заднее, когда центр масс становится впереди него, и занимает положение с оптимальным углом атаки, когда центр масс совпадает с ним. Все ЗГО и крылья имеют положительный угол атаки и создают подъемную силу. Достигается возможность аэродинамического управления всей системой на взлете, управление порознь обеими ступенями при посадке на землю, увеличение процента выводимой на орбиту массы от стартовой массы всей системы.
Известны подобные системы, см., например, «Битва за звезды», Первушин Антон, М., 2004, стр.203 или пат. RU 2087389. Их условно можно разделить на вертикально взлетающие и горизонтально взлетающие. И те и другие имеют свои преимущества и недостатки. Горизонтально взлетающие системы имеют те преимущества, что не требуют специального оборудования для старта, взлетают и приземляются на обычные аэродромы, не требуют мощных турбореактивных, двухконтурных или прямоточных воздушно-еактивных двигателей (далее ТРД, ДТРД и ПВРД) и от места изготовления до места старта могут долететь самостоятельно.
Все известные горизонтально взлетающие системы были построены по параллельной схеме, которая имеет существенный недостаток, - примерно вдвое повышенное аэродинамическое сопротивление на атмосферном участке полета из-за наличия в потоке двух параллельных фюзеляжей и интерференции между ними на сверхзвуковых скоростях. Или же горизонтально взлетающие системы были построены по контейнерной схеме, являющейся разновидностью параллельной, когда космическая часть системы (далее «вторая ступень») полностью или частично располагалась внутри раскрывающегося отсека атмосферного аппарата (далее «первая ступень»), что также, как и в параллельной схеме, повышает аэродинамическое сопротивление атмосферного аппарата, снижает его прочность и надежность, увеличивает его массу.
Невозможность применения на горизонтально взлетающей аэрокосмической системе гораздо более аэродинамически целесообразной продольной схемы объяснятся тем, что в процессе полета топливо расходуется только из первой ступени аэрокосмической системы, и поэтому при применении последовательной схемы аэрокосмической системы, когда вторая ступень находится впереди и в миделе первой ступени, центровка нарушилась бы настолько, что аэродинамическое управление аппаратом на атмосферном участке полета стало бы невозможным или стало бы невозможным управление первой и второй ступенью порознь на спускаемом участке траектории.
Задача и технический результат изобретения - использование преимуществ аэрокосмической системы горизонтального взлета продольной компоновки и устранение ее недостатков, то есть возможность аэродинамического управления всей системой на взлете и управление порознь обеими ступенями при их посадке на землю. Конечный результат - больший процент выводимой на орбиту массы от стартовой массы всей системы.
ВАРИАНТ 1. Данная аэрокосмическая система содержит первую и вторую ступень, имеющие крылья, и имеет воздушно-реактивные (ТРД, ДТРД, ПВРД) двигатели на первой ступени, причем первая и вторая ступени соединены последовательно, то есть фюзеляж второй ступени находится в миделе первой ступени.
Как указывалась выше, это позволит минимизировать аэродинамическое сопротивление, позволит придать второй ступени гиперзвуковую скорость и вывести ее на большую высоту прежде, чем произойдет разделение ступеней.
ВАРИАНТ 2. Но, чтобы иметь возможность устойчивого полета и аэродинамического управления на атмосферном участке полета, данная система имеет на первой ступени крыло изменяемой стреловидности. Это позволит изменять в широких пределах положение аэродинамического фокуса всей системы по мере расходования топлива из первой ступени.
Причем следует иметь ввиду, что центр масс системы по мере расходования топлива из первой ступени сдвигается вперед. Поэтому для сохранения допустимого диапазона центровок и для оптимизации аэродинамического качества на взлетном и гиперзвуковом режимах полета желательно применить крыло обратной стреловидности. Точнее - крыло на взлетном режиме, когда баки первой ступени еще полные, должно быть прямым или иметь небольшую прямую стреловидность, а на гиперзвуковом режиме, когда центр масс значительно сместился вперед, крыло должно иметь обратную стреловидность (современные материалы позволяют достичь нужной прочности и жесткости). Если попытаться на больших скоростях увеличить прямую стреловидность крыла, то аэродинамический фокус, наоборот, сместится назад и аэродинамическое управление системой станет невозможным.