Устройство и характеристики МКА ТК «Одуванчик»

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Кафедра «Ракетно-космические композитные конструкции» СМ-13

Домашнее задание по курсу

«Теплофизические процессы в конструкциях
из композиционных материалов»

РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ КРЫЛА ДЛЯ СУБОРБИТАЛЬНОГО МНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ТУРИСТИЧЕСКОГО КЛАССА

	Студент группы СМ13-102 Агеева Т.Г.
	Преподаватель Денисов О.В.

Москва 2010

СОДЕРЖАНИЕ

	стр.
ВВЕДЕНИЕ....................................................................................
1. УСТРОЙСТВО И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КРЫЛА ДЛЯ МНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ТУРИСТИЧЕСКОГО КЛАССА……………………………………………………………...
1.1. Устройство и характеристики МКА ТК «Одуванчик»……….............................................................................
1.2. Условия работы и тепловые режимы конструкции………………….............................................................
2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛООБМЕНА...........................
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛООБМЕНА................
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРЫТУРЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ КРЫЛА…………………………………………...
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................

1. УСТРОЙСТВО И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КРЫЛА ДЛЯ МНОГОРАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ТУРИСТИЧЕСКОГО КЛАССА

Устройство и характеристики МКА ТК «Одуванчик»

«Одуванчик» – крылатый многоразовый космический аппарат туристического класса (МКА ТК), предназначенный для суборбитальных и орбитальных туристических полетов вокруг Земли (рис. 1).

Внешняя конфигурация. МКА ТК «Одуванчик» выполнен по следующей схеме:

· низко расположенное треугольное крыло прямой стреловидности по передней кромке;

· аэродинамические органы управления включают элевоны, балансировочный щиток, расположенный в хвостовой части фюзеляжа, и руль направления, который, выполняет также функции воздушного тормоза;

· посадку «по-самолетному» обеспечивает трехопорное (с носовым колесом) выпускающееся шасси.

Внутренняя компоновка, конструкция. В носовой части «Одуванчика» расположены герметичная вставная кабина объемом около 10 кубических метров для пилота (1 чел.) и пассажиров (2-4 чел.), отсеки бортового оборудования и носовой блок двигателей управления. В средней части расположены агрегаты систем энергоснабжения и обеспечения температурного режима. В хвостовом отсеке установлены агрегаты двигательной установки, топливные баки, агрегаты гидросистемы. В конструкции «Одуванчика» использован в основном КМ на основе пенополиурентана (ППУ), углепластика (УП), органопластика (ОП) и стеклопластика (СП), а также некоторые другие материалы.

Рис. 1 – Общая компоновка МКА ТК

Рис. 1 – МКА ТК «Одуванчик», общая компоновка

Таблица 1

Геометрические и весовые характеристики суборбитального варианта МКА ТК «Одуванчик»

Количество пассажиров и вес, кг	5/600
Вес аппарата без двигателя, кг
Взлетный вес, кг
Размах крыла, мм
Хорда конца крыла, мм
Хорда в середине крыла, мм
Средняя хорда крыла, мм
Площадь крыла, 5кр., м²	33,0
Общая несущая площадь, м²	32,8
Нагрузка на крыло (без двигателя), кг/м²	36,4
Длина фюзеляжа, м	9,4
Площадь стабилизатора S_ст, м²	3,5

Выведение на орбиту.

Запуск "Одуванчика" осуществляется с помощью универсального одноступенчатого ракеты-носителя, к центральному блоку которого крепится пирозамками ОК. Расчетная высота опорной орбиты "Одуванчика" составляет 120 км (при грузе 600 кг).

При отказе на этапе выведения ЖРД РН ЭВМ "выбирает" вариант выведения РН с ОК на траекторию возврата в район старта с последующим отделением ОК и посадкой его на основной аэродром.

Возвращение с орбиты

Для схода с орбиты ОК разворачивается двигателями газодинамического управления на 180º (хвостом вперед), после чего на непродолжительное время включаются основные ЖРД и сообщают ему необходимый тормозной импульс. ОК переходит на траекторию спуска, снова разворачивается на 180º (носом вперед) и выполняет планирование с большим углом атаки. До высоты 20 км осуществляется совместное газодинамическое и аэродинамическое управление, а на заключительном этапе полета используются только аэродинамические органы управления. Аэродинамическая схема "Одуванчика" обеспечивает ему достаточно высокое аэродинамическое качество, позволяющее осуществить управляемый планирующий спуск, выполнить на трассе спуска боковой маневр протяженностью до 2000 км для выхода в зону аэродрома посадки, произвести необходимое предпосадочное маневрирование и совершить посадку на аэродром. В то же время конфигурация ЛА и принятая траектория спуска (крутизна планирования) позволяют аэродинамическим торможением погасить скорость ОК от близкой к орбитальной до посадочной, равной 300 - 360 км/ч. Длина пробега составляет 1100 - 1900 м, на пробеге используется тормозной парашют. Комплекс радиотехнических средств аэродрома создает радионавигационное и радиолокационное поля (радиус последнего около 500 км), обеспечивающие дальнее обнаружение ОК.

Предполагается, что при изготовлении суборбитального МКА используются полимерные КМ.

1.2 Условия работы и тепловые режимы конструкции

МКА ТК «Одуванчик» выполнен по крылатой компоновочной схеме, обеспечивающей комфортные условия полета на этапе спуска и большую маневренность аппарата. Крыло в данной схеме представляет собой одну из наиболее важных частей конструкции (рис. 2).

Рис. 2 – Крыло для МКА ТК

В соответствии с аналитическим расчетом (проведенным в НПО «Молния») рабочая температура кромки крыла МКА ТК не превысит 180ºС (рис. 3), поэтому в ней целесообразно использовать полимерные КМ (стекло- (СП), угле- (УП), органопластики (ОП)). По проекту МКА ТК крыло должно представлять собой гибридную конструкцию, внешние слои которой выполнены из СП, УП и ОП на эпоксидном связующем. Внутренний наполнитель ‑ материал типа пенополиуретана. Силовой элемент крыла, лонжерон, выполнен из углепластика (рис. 4).

Рис. 3 – Программы изменения:

1 – температуры кромки крыла; 2 – угла атаки

Рис. 4 ‑ Схема кессона крыла из гибридного КМ:

1 – лонжерон; 2 – обшивка

Рассматривается момент времени, когда температура кромки крыла максимальна.

В этот момент времени угол атаки α равен 5 град.

Температура по профилю крыла распределяется по закону косинуса и по линейному закону (рис. 5).

Рис. 5 – Распределение температуры по профилю крыла

Возможные причины нарушения работоспособности объекта – превышение допустимых значений температуры.

Максимальная температура на кромке крыла возникает, когда аппарат находится на высоте Н =24750 м, параметры стандартной атмосферы на такой высоте приведены в табл. 2

Наименование параметра	Значение параметра
Н, км	24,750
М, кг/кмоль	28,964420
Т, К	221,354
t, ˚ C	-51,846
Р, Па	2,64956·10³
ρ, кг/м³	4,16942·10^-2
μ, Па·с	1,4476·10^-5
ν, м²/с	3,5253·10^-4
λ, Вт/(м·К)	0,02
С, кДж/(кг·К)	1,005

Таблица 2:

2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛООБМЕНА

На границах исследуемого объекта происходит конвективный теплообмен. Объект исследования, крыло, можно представить в виде бесконечной пластины. Температура окружающей среды – Т =221 К. Диапазон изменения рабочих температур 453-553 К. Материал объекта анизотропный. Оптические свойства материала не зависят от длины волны излучения.

Рассматривается установившийся процесс нагрева обшивки крыла суборбитального корабля. Идеально изолированная стенка, на которую падает конвективный тепловой поток qw₀. Значения характеристик атмосферы по высоте полета известны. Зависимость t(h,V) – задана, где

t, с – время полета,

h, м- высота полета,

V, м/с – скорость полета.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛООБМЕНА

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: