Лекция № 18 Аэродинамические схемы ракеты. Преимущества и недостатки

Критерии выбора

Понятие запаса статической устойчивости

Согласно теории устойчивости движения рассматривается отдельно устойчивость движения центра масс ракеты по траектории и устойчивость движения центра масс, – а иначе угловая стабилизация ракеты.

Исследуя возмущенное движение центра масс ракеты можно говорить о ее динамической устойчивости, а исследуя угловую стабилизацию ракеты – о ее статической устойчивости.

Устойчивость движения ракеты в значительной мере определяется величиной степени статической устойчивости

.

При полете ракеты в неизменном режиме величину приближенно можно считать постоянной, тогда степень статической устойчивости зависит только от разности, которую принято называть запасом статической устойчивости.

Полной характеристикой статической устойчивости является величина (соответственно величины,).

В частности, в балансировочном режиме полета при если:

–, то ракета статически устойчива;

–, то ракета нейтральна;

–, то ракета неустойчива.

Как правило, все крылатые ракеты продольно статически устойчивы и имеют боковую статическую неустойчивость.

Точка приложения нормальной аэродинамической силы, обусловленной наличием некоторого угла атаки, называется фокусом по углу атаки. ЛА называется статически устойчивым, если фокус по углу атаки лежит за его центром масс:

С увеличением модуля степени статической устойчивости растет частота собственных продольных колебаний относительно поперечной оси OZ. Это в свою очередь приводит к повышению быстродействия схемы и, следовательно, к уменьшению ошибки системы наведения. Но с увеличением модуля степени статической устойчивости растет стабилизирующий момент. В связи с этим для поворота ЛА на угол атаки требуется большее значение нормальной силы действующей на органы управления.

В схемах «Обычная» и «Бесхвостка» направление силы, вызванной углом отклонения рулей, противоположно направлению нормальной силы обусловленной углом атаки (рисунок 17.6.1), т.е. другими словами имеют место потери нормальной силы на балансировку. Поэтому в этих схемах невыгодно использовать увеличение степени статической устойчивости.

Ya×a

Yd×d

a>0

V

ц. м.

Fa

Fd

d

Рисунок 17.6.1 – Схема нагружения ЛА.

Рассмотрим основные преимущества и недостатки рассмотренных выше аэродинамических схем, а также их область применения.

18.1 Схема «нормальная»

Основными положительными свойствами схемы «Обычная» является максимальное аэродинамическое качество, высокая несущая способность, минимальные шарнирные моменты и как следствие минимальная масса привода и минимальная стартовая масса ЛА. К основным недостаткам данной схемы можно отнести низкие динамические свойства (неудовлетворительное быстродействие схемы, маленький момент демпфирования, т.е. рули, могут создать опрокидывающий момент и т.п.), высокая чувствительность к разбежке центра масс.

Для создания положительного угла атаки (скольжения) приходится отклонять рули на отрицательный угол. Поэтому аэродинамическая сила, создаваемая рулями, вычитается из подъемной (боковой) силы крыльев, т. е. происходит потеря подъемной силы. Рули необходимо делать больших размеров, так как они располагаются на небольшом расстоянии от центра тяжести и работают в условиях возмущенного крыльями воздушного потока. От воздействия этого потока они испытывают периодическую ударную нагрузку.

В связи с этим ЛА, имеющие такую аэродинамическую схему применяются на большой дальности и высотности. Низкие динамические свойства этой схемы не позволяют применять ее с лучевыми системами наведения.

18.2 Схема «бесхвостка»

Схема «бесхвостка» близко примыкает к нормальной схеме (рисунок 2.2, в). Стремление сохранить небольшой размах крыльев при их значительной площади приводит к необходимости вытягивать крылья вдоль корпуса. Самостоятельное хвостовое оперение отсутствует. Рули располагаются непосредственно за крыльями и связываются с ними конструктивно.

Основными преимуществами схемы «Бесхвостка» являются максимальная несущая способность. Другие преимущества и недостатки такие же, как у схемы «Обычная».

В «бесхвостке» сохраняются преимущества нормальной схемы, за исключением свободы и выборе конструктивных форм. Кроме того, рули работают в условиях невозмущенного потока, что повышает их эффективность и исключает возможность ударных нагрузок. Недостатком, как и в нормальной схеме, являются потерн в управляющих силах в связи с разными знаками углов атаки (скольжения) и углов отклонения рулей. Кроме того, ракета такой схемы имеет несколько пониженную маневренность и малый демпфирующий момент. Устойчивость и управляемость здесь ухудшаются из-за большой зависимости положения центра давления от скорости.

В схеме «бесхвостка» иногда применяются неподвижные поверхности, помещаемые в головной части корпуса, которые называются дестабилизаторами. Поскольку сильно развитые несущие поверхности помещены в хвостовой части, центр давления отодвигается далеко назад. Ракета получает чрезмерную аэродинамическую устойчивость и становится трудно управляемой. Дестабилизаторы уменьшают устойчивость ракеты и вместе с тем улучшают демпфирующие свойства планера.

Схема «Бесхвостка» применяется в ЛА всех классов. ЛА такой схемы являются особо высотными (воздух – воздух).

18.3 Схема «утка»

Схема «утка» отличается тем, что рули располагаются перед крыльями, впереди центра тяжести (рисунок 2.2 б).

Схема «утка» имеет ряд преимуществ. В отличие от предыдущих схем создаваемый угол атаки (скольжения) имеет одинаковый знак с углом отклонения рулей. Поэтому аэродинамическая сила рулей не вычитается, а складывается с подъемной (боковой) силой. Потерн в управляющих силах при этом отсутствуют, однако большого выигрыша в них нет, так как скос воздушного нотка от рулей уменьшает подъемную (боковую) силу на крыльях. Рули не испытывают влияния возмущенного потока от крыльев и потому оказываются более эффективными. По этой причине, а также потому, что они располагаются на большом расстоянии от центра тяжести, их размеры значительно меньше, чем у предыдущих схем. Ракета имеет лучшие свойства демпфирования. При переднем расположении рулей конструктивно удобнее размешать агрегаты двигателя.

Недостатки схемы «утка» ограничивают возможности ее применения в ЗУР. Скос воздушного потока на отклоненных рулях вызывает момент по углу крена, что заставляет принимать специальные меры для стабилизации ракеты по крену. По этой же причине рули нецелесообразно применять в качестве элеронов, так как возмущающий момент крена от скоса потока противоположен ни знаку полезному моменту от рулей, а по величине он может оказаться даже больше из-за малого плеча рулей. Этот недостаток приходится устранить установкой на крыльях элеронов, управляемых отдельно от рулей, что усложняет и утяжеляет конструкцию. Угол отклонения рулей складывается с углом атаки (скольжения) ракеты. Поэтому ограничения, накладываемые на угол отклонения рулей из-за возможного срыва потока, оказываются более жесткими. Расположение рулей впереди центра тяжести ухудшает стабилизацию. Положение центра давления обнаруживает зависимость от угла отклонения рулей.

Схема «Утка» имеет достаточно высокие динамические свойства, а также хорошие компоновочные возможности. К недостаткам этой схемы можно отнести низкое аэродинамическое качество, ограничения на несущую способность, а также большой шарнирный момент и сложность создания момента крена. В связи с этим схема «Утка» применяется в ЛА преимущественно малой и средней дальности и высотности.

18.4 Схема «поворотное крыло»

Схема с поворотными крыльями получается, если в схеме «утка» значительно увеличить рули, уменьшить крылья и сдвинуть те и другие назад (рисунок 2.2 г). При этом рули, ставшие поворотными крыльями, располагают вблизи центра тяжести, а крылья становятся стабилизаторами.

В отличие от предыдущих схем, в которых для создания управляющих сил необходимо повернуть ракету на некоторый угол атаки (скольжения), здесь подъемная (боковая) сила возникает непосредственно на крыльях, и поворачивать для этого весь корпус планера не требуется. Такой способ создания управляющих сил обеспечивает высокое быстродействие ракеты при кругом маневре, небольшие колебания при изменениях направления движения. Кроме того, малые углы отклонения корпуса от оси ОХ – необходимое условие для надежной работы ПВРД, которые могут применяться в ЗУР.

К основным преимуществам аэродинамической схемы «Поворотное крыло» можно отнести отличные динамические свойства, высокие компоновочные способности, вызванные минимальной разбежкой центра масс, легкость в создании момента крена. Малые углы атаки создают наилучшие условия для работы ПВРД, РПД. При этом большое лобовое сопротивление с избытком компенсирует значение удельной тяги (полный импульс тяги) двигателя. Малые углы атаки создают наилучшие условия для работы ГСН.

В схеме имеются и недостатки. Скос воздушного потока на крыльях при их отклонении создает отрицательную подъемную (боковую) силу, что приводит к значительному уменьшению управляющих сил. Кроме того, управление поворотом крыльев требует гораздо более мощных и тяжелых устройств, чем во всех других аэродинамических схемах.

К основным недостаткам данной схемы можно отнести низкую несущую способность схемы, малое аэродинамическое качество, присутствие больших шарнирных моментов и как следствие – большая стартовая масса ЛА.

Схема с поворотными крыльями находит применение в ЗУР, предназначенных для быстрого маневрирования на траектории, с небольшой дальностью и высотностью, а также в ракетах с ПВРД.

Лекция № 19 Конструктивно-технологические схемы планера

Проектирование конструкций – важнейшая часть общего проектирования ракеты, включающая в себя:

- поиск технических идей, принципиальных решений и физических основ функционирования конструкций;

- выбор рационального технического решения, т.е облика конструкции;

- определение рациональных значений параметров выбранного технического решения; конструирование и выпуск технической документации;

- планирование и проведение натурного эксперимента, и обработку его результата.

На стадии общего конструирования необходимо найти принципиальные решения следующих вопросов:

- выбор конструкционных материалов с учетом аэродинамического нагрева элементов поверхности ракеты;

- обеспечение герметизации, маркировки и покрытий;

- обеспечение условий производства и эксплуатации.

При конструировании необходимо:

- обеспечение минимальной массы конструкции, что приводит к применению тонкостенных оболочек планера;

- обеспечение высокой технологичности конструкции;

- обеспечение эксплуатационного совершенства.

Существенным для конструкции является выбор места установки крыльев на корпусе ракеты. В зависимости от выбранной аэродинамической схемы оперение желательно максимально приблизить либо к срезу сопла, либо к вершине головной части корпуса. После установки оперения отыскивается такое положение крыльев, которое, прежде всего, обеспечивает необходимый запас статической устойчивости в заданном диапазоне чисел М полета. Если крылья экранируют боевую часть или выходят за пределы корпуса, то необходимо заново производить компоновку ракеты.

Узлы крепления крыльев должны приходиться на силовой шпангоут отсека топлива или корпуса РДТТ. Некоторые способы крепления консолей крыльев приведены на рисунке 19.1.

Рисунок 19.1 – Схемы креплений консолей к корпусу ракеты:

а – ушковое крепление; б – фланцевое крепление; в – крепление к валу; г, д, е – варианты креплений гребенками.