Спускний космічний апарат

Реферат: Винахід належить до аеродинаміки спускного космічного апарата і може бути використаним при розробці космічних транспортних засобів. Спускний космічний апарат має фюзеляж, шасі, крила й систему управління польотом апарата. Фюзеляж виконано хвилеподібним у вигляді двох однакових порожнистих куль, встановлених послідовно (тандемом) уздовж подовжньої осі фюзеляжу, і перехідника між ними, а також переднього (носового) і заднього (кормового) обтічника цих куль. Поверхня спускного космічного апарата запропонованої форми має менший у 2,5-÷3 рази коефіцієнт лобового опору у порівнянні з прототипом, наслідком чого є зниження температури аеродинамічної поверхні, що контактує з потоком повітря. UA 103076 C2 (12) UA 103076 C2 UA 103076 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до аеродинаміки і може бути використаним при розробці космічних транспортних засобів. Відомий пілотований, частково багаторазовий, космічний корабель "Спейс шатл" [1], розроблений Космічним агентством США. "Спейс шатл" включає ракетоносій першого ступеня, а також другий ступінь ракети, виконаний у вигляді пілотованого транспортного засобу, і паливний бак другого ступеня, що скидається після відпрацювання. Пілотований транспортний засіб, призначений для повернення космонавтів на Землю, виконано в стандартному варіанті, прийнятому в літакобудуванні, основними елементами якого є фюзеляж сигароподібної форми й крила. Недоліками цього спускного космічного корабля є: - наявність значної турбулентної течії потоку повітря по його поверхні, яка характеризується тертям ковзання повітря об поверхню; - висока температура його поверхні, що виникає в результаті тертя повітря об поверхню; - трудність створення надійного теплозахисту його поверхні; - велика вага теплозахисного покриття, виконаного у вигляді керамічних плит; - високий лобовий опір спускного космічного корабля, що виникає при русі його в повітряному середовищі; - висока стартова й польотна вага космічного корабля, пов'язана з вагою теплозахисного покриття; - підвищений аварійний ризик експлуатації космічного корабля при запуску й поверненні його на Землю. Найбільш близьким за технічною суттю й результатом, що досягається, є спускний апарат кулястої форми [2], розроблений Космічним агентством Російської Федерації. Спускний апарат [2] є кабіною кулястої форми, в якій знаходиться екіпаж. Кабіна має систему гальмування у вигляді парашута. Зовнішня поверхня кабіни має теплоізоляційне покриття. Основними недоліками спускного космічного апарата [2] є: - відносно низька аеродинамічна ефективність зовнішньої поверхні у вигляді кулі через високий лобовий опір руху кулі в повітряному середовищі; - висока температура нагріву поверхні через тертя ковзання повітря об поверхню. Крім того, у спускному космічному апараті [2] відсутня система управління польотом і посадки апарата в заданому районі. В основу винаходу поставлено задачу підвищення ефективності аеродинамічної поверхні спускного космічного апарата, поліпшення його експлуатаційних характеристик і надійності роботи, пов'язаної з високою температурою нагріву його зовнішньої поверхні. Підґрунтям пропонованого винаходу є так званий парадокс обтікання тіл у повздовжньому ряду [3]. Парадокс полягає в тому, що сумарний коефіцієнт лобового опору, наприклад, пари циліндрів, установлених у потоці один за другим (тандемом) у певних межах відносної відстані ( I  l / d , де d - діаметр циліндрів, I - відстань між ними), виявляється істотно меншим, приблизно у три рази, коефіцієнта лобового опору одиночного циліндра. Поставлену задачу вирішено таким чином, при якому в спускному космічному апараті, який має фюзеляж, шасі, крила й систему управління польотом апарата, новим є те, що фюзеляж виконано хвилеподібним у вигляді двох однакових порожнистих куль, встановлених послідовно (тандемом) уздовж подовжньої осі фюзеляжу, і перехідника між ними, а також переднього (носового) і заднього (кормового) обтічника цих куль. Крім того, новими істотними відмітними ознаками є: - хвилеподібна зовнішня поверхня фюзеляжу має два кільцеві гребені, сформовані зовнішніми сферами радіуса Rсф цих порожнистих куль, кільцеву западину спряження радіуса RВП=0,8 Rсф цих сфер, а також дві відкриті кільцеві западини радіуса RВП=0,8 Rсф, які спряжені, відповідно, з переднім і заднім гребенем, оптимальна відстань між вершинами гребенів d=3Rсф, передня відкрита кільцева западина переходить у сферичне закруглення радіуса R0=0,2 Rсф; - верхні фронтальні поверхні крил виконані хвилеподібними по розмаху крил, мають два гребені радіуса Rгк і западину спряження радіуса RВПК=0,8 Rгк між гребенями, оптимальна відстань між вершинами гребенів dK=3Rrк, де Rrк визначається конструктором з урахуванням товщини крила Н. Виконання фюзеляжу спускного космічного апарата у вигляді двох однакових порожнистих куль, перехідника між ними, а також переднього й заднього обтічника цих куль, при запропонованих взаємозалежних геометричних параметрах знижує коефіцієнт лобового опору руху спускного космічного апарата в повітряному середовищі приблизно в 3 рази. Запропонована хвилеподібна поверхня фюзеляжу структурує потік, що набігає на нього, у тороїдальні вихори, при цьому тороїдальні вихори перекочуються по поверхні фюзеляжу. Таким 1 UA 103076 C2 5 10 15 20 25 30 чином, тертя ковзання повітря замінюється тертям кочення по обтічній поверхні фюзеляжу; останнє знижує його коефіцієнт лобового опору С х. Запропонована хвилеподібна поверхня крил структурує потік, що набігає на них, у розімкнуті шнурові вихори, при цьому шнурові вихори перекочуються поперек верхніх поверхонь крил. Тертя ковзання повітря замінюється тертям кочення; останнє знижує коефіцієнт лобового опору Сх крила приблизно в 2÷2,5 разу, а також збільшує несучу спроможність крила. Спускний космічний апарат зображено на кресленнях, де на фіг. 1 показано його загальний вигляд, на фіг. 2 - вигляд у плані, на фіг. 3 -подовжній переріз А-А фюзеляжу, на фіг. 4 поперечний переріз Б-Б крила. Відповідно до фіг. 1 апарат включає дві порожнисті кулі 1, 2 радіуса зовнішньої сфери Rсф, із центрами О1 О2. До кулі 1 примикає передній обтічник 3 (радіус спряження RВП=0,8 Rсф, центр О3, радіус закруглення Ro=0,2 Rсф). До кулі 2 примикає задній обтічник 4 (радіус спряження RВП=0,8 Rсф, , центр О4). На кулі 2 закріплено крила 5, що мають хвилеподібні поверхні 6, 7, а також закріплено стабілізатор 8 і двигун 9. Кулі 1, 2 з'єднано перехідником 10 (радіус спряження RВП=0,8 Rсф, центр О5) з утворенням двох кільцевих гребенів і кільцевої западини. Подовжній переріз А-А фюзеляжу вказує на його хвилеподібну поверхню з кільцевими гребенями 11,1 2 і кільцевими западинами 13, 14, 15. Поперечний переріз Б-Б зображає геометрію хвилеподібної поверхні крила та її взаємозалежні параметри, де В - ширина крила, В1 -ділянка крила, що зв'язана із задньою поверхнею кулі 2, Rгк - радіус гребенів крила, RВПК=0,8 Rгк - радіус западини крила, dK=3Rгк оптимальна відстань між вершинами гребенів, де Rгк визначається конструктором, по можливості максимальним, з урахуванням товщини крила Н. Структуризація набігаючого потоку повітря на поверхні фюзеляжу й крил відбувається таким чином. При русі з деякою швидкістю V спускного космічного апарата запропонована хвилеподібна поверхня його фюзеляжу впливає на пограничні шари повітря, приводячи їх в обертальний рух, і формує тороїдальні вихори, а хвилеподібна поверхня його крил формує шнурові вихори, які, відповідно, перекочуючись, сходять із поверхні фюзеляжу й крил. В результаті знижується лобовий опір спускного космічного апарата, і, як наслідок, знижується температура аеродинамічної поверхні, що контактує з потоком повітря. Джерела інформації: 1. Советский энциклопедический словарь. - Москва: "Советская энциклопедия".-1982.-С. 1251. 2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Cпускаемый аппарат. 3. Идельчик И. Е. Некоторые интересные эффекты и парадоксы в аэродинамике и гидравлике. - Москва: "Машиностроение". - 1982. - С. 35. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 1. Спускний космічний апарат, який має фюзеляж, шасі, крила й систему управління польотом апарата, який відрізняється тим, що фюзеляж виконано хвилеподібним у вигляді двох однакових порожнистих куль, встановлених послідовно (тандемом) уздовж подовжньої осі фюзеляжу, і перехідника між ними, а також переднього (носового) і заднього (кормового) обтічника цих куль. 2. Спускний космічний апарат за п. 1, який відрізняється тим, що хвилеподібна зовнішня поверхня фюзеляжу має два кільцеві гребені, сформовані зовнішніми сферами радіуса R сф , цих порожнистих куль, кільцеву западину спряження радіуса RВП  0,8Rсф цих сфер, а також дві відкриті кільцеві западини радіуса RВП  0,8Rсф , які спряжені, відповідно, з переднім і заднім гребенем, оптимальна відстань між вершинами гребенів d  3Rсф , передня відкрита кільцева западина переходить у сферичне закруглення радіуса R0  0,2Rсф . 50 3. Спускний космічний апарат за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що верхні фронтальні поверхні крил виконані хвилеподібними по розмаху крил, мають два гребені радіуса Rгк і западину спряження радіуса RВПК  0,8Rгк між гребенями, оптимальна відстань між вершинами гребенів dк  3Rгк , де Rгк визначається конструктором з урахуванням товщини крила Н. 2 UA 103076 C2 3 UA 103076 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4