Podnoszenie ciała - Lifting body

Zabudowy amerykańskie X-24A, M2-F3 i HL-10

Ciało podnoszenia jest samolot stałopłatowymi lub sonda konfigurację, w której organizm sam produkuje windy . W przeciwieństwie do latającego skrzydła , które jest skrzydłem z minimalnym lub żadnym konwencjonalnym kadłubem , ciało podnoszące może być traktowane jako kadłub z niewielkim lub żadnym konwencjonalnym skrzydłem . Podczas gdy latające skrzydło dąży do maksymalizacji wydajności przelotowej przy prędkościach poddźwiękowych , eliminując powierzchnie niepodnoszące się do góry, ciała podnoszące na ogół minimalizują opór i strukturę skrzydła podczas lotu poddźwiękowego, naddźwiękowego i naddźwiękowego lub ponownego wejścia statku kosmicznego . Wszystkie te reżimy lotu stanowią wyzwania dla właściwego bezpieczeństwa lotu.

Ciała podnoszące były głównym obszarem badań w latach 60. i 70. jako środek do budowy małego i lekkiego załogowego statku kosmicznego. Stany Zjednoczone zbudowały szereg samolotów z rakietami do podnoszenia, aby przetestować koncepcję, a także kilka wystrzeliwanych rakietowo pojazdów do ponownego wejścia, które przetestowano nad Pacyfikiem. Zainteresowanie osłabło, gdy amerykańskie siły powietrzne straciły zainteresowanie misją załogową, a główny rozwój zakończył się podczas procesu projektowania promu kosmicznego, kiedy stało się jasne, że wysoce ukształtowane kadłuby utrudniają dopasowanie zbiornika paliwa.

Zaawansowane koncepcje samolotów kosmicznych w latach 90. i 2000. wykorzystywały konstrukcje z ciałami nośnymi. Przykłady obejmują system wystrzeliwania personelu HL-20 (1990) i samolot kosmiczny Prometheus (2010). Samolot kosmiczny Dream Chaser , będący rozszerzeniem technologii HL-20, był rozwijany od 2012 roku jako jeden z trzech pojazdów, które potencjalnie mogą przewozić amerykańską załogę do iz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej . W 2015 roku ESA Intermediate eXperimental Vehicle wykonał pierwszy w historii udany powrót statku kosmicznego z ciałem podnoszącym.

Historia

Korpus podnoszący został wymyślony już w 1917 roku, kiedy Roy Scroggs opisał coś w rodzaju planu Delta Wing Plan z grubym kadłubem . Jednak przy niskich prędkościach korpus podnoszący jest nieefektywny i nie został wprowadzony do głównego nurtu konstrukcji samolotów.

Badania nad ciałami podnoszącymi związane z lotnictwem zrodziły się z pomysłu, aby statek kosmiczny ponownie wszedł w atmosferę Ziemi i wylądował podobnie jak zwykły samolot . Po ponownym wejściu w atmosferę tradycyjny statek kosmiczny podobny do kapsuły z serii Mercury , Gemini i Apollo miał bardzo małą kontrolę nad miejscem lądowania. Sterowalny statek kosmiczny ze skrzydłami mógłby znacznie rozszerzyć obszar lądowania. Jednak skrzydła pojazdu musiałyby być zaprojektowane tak, aby wytrzymać dynamiczne i termiczne naprężenia zarówno podczas ponownego wejścia w powietrze, jak i lotu naddźwiękowego. Zaproponowane rozwiązanie całkowicie wyeliminowało skrzydła: zaprojektuj sam korpus kadłuba, aby uzyskać siłę nośną.

Martin Aircraft Company X-24 zbudowany w ramach eksperymentalnego programu wojskowego USA w latach 1963-1975

NASA 's udoskonalenia tej koncepcji ciała podnoszenia rozpoczęła się w 1962 roku z R. Dale Reed z NASA ' s Armstrong Flight Research Center . Pierwszym pełnowymiarowym modelem, który wyszedł z programu Reeda, był NASA M2-F1 , czyli pojazd bez napędu wykonany z drewna. Wstępne testy przeprowadzono holując M2-F1 wzdłuż wyschniętego dna jeziora w Edwards Air Force Base California, za zmodyfikowanym Pontiac Catalina . Później statek został odholowany za C-47 i zwolniony. Ponieważ M2-F1 był szybowcem , dodano mały silnik rakietowy w celu wydłużenia obwiedni lądowania. M2-F1 wkrótce zyskał przydomek „Latająca wanna”.

W 1963 r. NASA rozpoczęła programy z cięższymi pojazdami z zabudową nośną o napędzie rakietowym, które miały być wystrzeliwane pod prawym skrzydłem NB-52B, pochodnej bombowca odrzutowego B-52 . Pierwsze loty rozpoczęły się w 1966 roku. Z ciał podnoszących Dryden, wszystkie oprócz nienapędzanej NASA M2-F1 używały silnika rakietowego XLR11, który był używany w Bell X-1 . Kolejny projekt oznaczony jako Northrop HL-10 został opracowany w NASA Langley Research Center . Oddzielenie przepływu powietrza spowodowało awarię nadwozia podnoszącego Northrop M2-F2 . HL-10 próbowano rozwiązać część tego problemu poprzez ustawianie pod kątem do portu i na prawą burtę pionowe stabilizatory na zewnątrz i do powiększenia jedno centrum.

Począwszy od 1965 roku opracowano rosyjski samolot podnoszący Mikojan-Gurewicz MiG-105 lub EPOS (rosyjski skrót od Experimental Passenger Orbital Aircraft) i wykonano kilka lotów testowych. Prace zakończyły się w 1978 r., kiedy wysiłki przeniesiono na program Buran , podczas gdy prace nad innym statkiem kosmicznym na małą skalę częściowo kontynuowano w ramach programu Bor .

IXV jest Europejska Agencja Kosmiczna eksperymentalny ciało podnoszenia ponownego wjazdu pojazd przeznaczony do sprawdzania europejskich wyrzutnie wielokrotnego użytku, które mogą być rozpatrywane w ramie FLPP programu. IXV wykonał swój pierwszy lot w lutym 2015 roku, wystrzelony przez rakietę Vega .

Orbital Sciences zaproponowało komercyjny samolot kosmiczny z ciałem nośnym w 2010 roku. Prometeusz jest dokładniej opisany poniżej.

Zastosowania lotnicze

Korpusy podnoszące stwarzają złożone problemy z kontrolą, strukturą i konfiguracją wewnętrzną. Ciała podnoszące zostały ostatecznie odrzucone na rzecz projektu skrzydła delta dla promu kosmicznego. Dane uzyskane podczas testów w locie z wykorzystaniem szybkich podejść do lądowania przy bardzo stromych kątach opadania i dużych prędkościach opadania wykorzystano do modelowania profili lotu i lądowania wahadłowca.

Planując powrót do atmosfery, miejsce lądowania jest wybierane z wyprzedzeniem. W przypadku pojazdów wielokrotnego użytku do ponownego wejścia zazwyczaj preferowane jest miejsce główne, które znajduje się najbliżej miejsca startu, aby zmniejszyć koszty i skrócić czas realizacji startu. Jednak pogoda w pobliżu miejsca lądowania jest głównym czynnikiem bezpieczeństwa lotu. W niektórych porach roku pogoda w miejscach lądowania może się szybko zmieniać w stosunku do czasu potrzebnego na rozpoczęcie i wykonanie ponownego wejścia i bezpiecznego lądowania. Ze względu na pogodę możliwe, że pojazd będzie musiał wykonać lądowanie w innym miejscu. Co więcej, większość lotnisk nie posiada pasów startowych o długości wystarczającej do obsługi prędkości lądowania przy podejściu i odległości przechyłu wymaganej przez statek kosmiczny. Na świecie istnieje niewiele lotnisk, które mogą obsługiwać lub modyfikować takie wymagania. Dlatego alternatywne miejsca lądowania są bardzo szeroko rozmieszczone w USA i na całym świecie.

Projekt skrzydła w kształcie delty wahadłowca był spowodowany tymi problemami. Wymagania te zostały dodatkowo zaostrzone przez wymagania wojskowe (USAF będą używać przyszłego wahadłowca do satelitów obronnych i innych misji), które rozszerzyły obszar lądowania wahadłowca.

Chociaż konfiguracja korpusu podnoszącego nie byłaby podatna na awarię krawędzi natarcia skrzydła, która spowodowała utratę drugiego wahadłowca , taka konfiguracja nie byłaby w stanie spełnić wymagań obwiedni lotu zarówno NASA, jak i wojska.

Niemniej jednak, pojęcie ciała podnoszenia został wdrożony w wielu innych kosmicznych programów, wspomniane wcześniej NASA X-38 , Lockheed Martin X-33 , BAC „s Wielu Jednostka przestrzeni transportowej i odzyskiwanie urządzeń , Europie EADS Phoenix , a wspólne Rosyjski -Europejski statek kosmiczny Kliper . Spośród trzech podstawowych kształtów konstrukcyjnych zwykle analizowanych dla takich programów (kapsuła, korpus podnoszący, samolot) korpus podnoszący może oferować najlepszy kompromis pod względem zwrotności i termodynamiki, spełniając jednocześnie wymagania misji swoich klientów.

Innym zastosowaniem korpusu podnoszącego jest pierwszy stopień rakiety Falcon 9 firmy SpaceX . Podczas prób lądowania pierwszy stopień rozmieszcza płetwy siatkowe, które sterują uniesieniem wytwarzanym przez cylindryczny korpus pierwszego stopnia. Według SpaceX, płetwy siatki mogą przechylić pierwszy stopień do około dwudziestu stopni, aby wygenerować windę i skierować scenę w kierunku pływającej platformy do lądowania lub lądowiska naziemnego .

Samoloty podnoszące ciało dzisiaj

Dream Chaser to załogą podoczodołowa i orbitalny vertical-start, lądowanie poziomej (VTHL) podnoszący ciała samolot kosmiczny rozwijany przez Sierra Nevada Corporation (SNC). Projekt Dream Chaser ma przewozić do i z orbity okołoziemskiej do siedmiu osób . Pojazd startowałby pionowo na Atlasie V i lądował poziomo na konwencjonalnych pasach startowych.

Podnoszenie ciała

Burnelli General Airborne Transport XCG-16, samolot podnoszący ciało (1944)

Niektóre samoloty ze skrzydłami mają również ciała generujące siłę nośną. Niektóre z wczesnych jednopłatowych górnopłatów z lat 30. XX wieku firmy Bellanca Aircraft Company , takie jak Bellanca Aircruiser , miały kadłuby o niejasnym kształcie płata, które były w stanie generować pewną siłę nośną, a nawet rozpórki skrzydeł w niektórych wersjach miały poszerzone owiewki, aby zapewnić im pewną siłę nośną -zdolność do generowania. Gee Bee R-1 Super Sportster wyścigi samolot z 1930 roku, podobnie, z bardziej nowoczesnych badań aerodynamicznych, wykazano, że miał znaczną zdolność do generowania wyciągu z jego konstrukcji kadłuba, ważne dla badawczo-1 przeznaczonych wyścigi rolę, podczas gdy w mocno przechylony pylon podczas wyścigu. Vincent Burnelli opracował kilka samolotów w latach 1920-1950, które wykorzystywały windę kadłuba. Podobnie jak wcześniejsze jednopłatowce Bellanca, Short SC.7 Skyvan zapewnia znaczną siłę nośną ze swojego kształtu kadłuba, prawie tak samo, jak 35% każde ze skrzydeł. Myśliwce takie jak F-15 Eagle również wytwarzają znaczną siłę nośną dzięki szerokiemu kadłubowi między skrzydłami. Ponieważ szeroki kadłub F-15 Eagle jest tak wydajny w nośności, F-15 był w stanie wylądować z powodzeniem tylko jednym skrzydłem, aczkolwiek przy prawie pełnej mocy, z ciągiem znacząco przyczyniającym się do wznoszenia.

W lecie 1983 roku , izraelski F-15 wystawił makiety Dogfight z Skyhawks dla celów szkoleniowych, w pobliżu Nahal Tzin na pustyni Negew. Podczas ćwiczeń jeden ze Skyhawków przeliczył się i zderzył się mocno z korzeniem skrzydła F-15. Pilot F-15 wiedział, że skrzydło zostało poważnie uszkodzone, ale postanowił spróbować wylądować w pobliskiej bazie lotniczej, nie znając rozmiarów jego uszkodzenia. Dopiero po wylądowaniu, kiedy wyszedł z kokpitu i spojrzał do tyłu, pilot zdał sobie sprawę, co się stało: skrzydło zostało całkowicie oderwane od samolotu i wylądował z tylko jednym skrzydłem. Kilka miesięcy później uszkodzony F-15 otrzymał nowe skrzydło i powrócił do służby w eskadrze. Inżynierom z McDonnell Douglas trudno było uwierzyć w historię jednoskrzydłowego lądowania: jeśli chodzi o ich modele planowania, było to niemożliwe.

W 2010 r. Orbital Sciences zaproponowało pojazd kosmiczny Prometheus z „mieszanym ciałem podnoszącym” , wielkości około jednej czwartej promu kosmicznego , jako komercyjną opcję transportu astronautów na niską orbitę okołoziemską w ramach programu załogi komercyjnej . Pionowego startu, Poziomy Landing (VTHL) pojazd miał być uruchomiony na ludzkiej oceniane Atlas V rakiety ale wylądować na pasie startowym. Pierwotny projekt miał pomieścić załogę 4 osób, ale mógł przewozić do 6 osób lub kombinację załogi i ładunku. Oprócz Orbital Sciences, konsorcjum stojące za propozycją obejmowało Northrop Grumman , który miałby zbudować kosmolot, oraz United Launch Alliance , który dostarczyłby pojazd nośny. Nie wytypowany do nagrody CCDev 2 fazy przez NASA, Orbital ogłosił w kwietniu 2011 r., że prawdopodobnie zrezygnuje z wysiłków na rzecz opracowania komercyjnego pojazdu załogowego.

Zasady projektowania korpusów podnoszących stosuje się również przy budowie sterowców hybrydowych .

Lista Armstrong Flight Research Center podnoszenia ciała pojazdów (1963 do 1975)

Rząd USA opracowali szereg proof-of-concept i lot testu pojazdu wzorów ustrojowych podnoszenia od początku 1960 roku przez połowie 1970 w Armstrong Flight Research Center . Należą do nich:

Podnoszenie ciała pilotów i lotów

Pilot M2-F1 M2-F2 HL-10 HL-10
mod 		M2-F3 X-24A X-24B Całkowity
Milton O. Thompson 45 5 - - - - - 50
Bruce Peterson 17 3 1 - - - - 21
Chuck Yeager 5 - - - - - - 5
Donald L. Mallick 2 - - - - - - 2
James W. Wood * - - - - - - *
Donald M. Sorlie 5 3 - - - - - 8
William H. Dana 1 - - 9 19 - 2 31
Jerauld R. Gentry 2 5 - 9 1 13 - 30
Fred Haise * - - - - - - *
Joe Engle * - - - - - - *
John A. Manke - - - 10 4 12 16 42
Peter C. Hoag - - - 8 - - - 8
Cecil W. Powell - - - - 3 3 - 6
Michael V. Miłość - - - - - - 12 12
Einar K. Enevoldson - - - - - - 2 2
Franciszek Scobee - - - - - - 2 2
Thomas C. McMurtry - - - - - - 2 2
CAŁKOWITY 77 16 37 36 27 28 36 221
* Wood , Haise i Engle wykonali pojedynczy, holowany samochód, naziemny lot M2-F1.

Kultura popularna

Wainfan Facetmobile FMX-4 domowej roboty samolot z podnoszonym kadłubem , sfotografowany z góry w locie

Podnoszące ciała pojawiły się w niektórych dziełach science fiction , w tym w filmie Marooned oraz jako statek kosmiczny Johna Crichtona Farscape-1 w serialu telewizyjnym Farscape . Discovery Channel serial conjectured użyciu ciał podnoszenia dostarczyć sondę do odległej planety podobnej do Ziemi w animacji komputerowej na obcej planecie . Doppelgänger Gerry'ego Andersona z 1969 roku użył lądownika/wyciągacza VTOL, aby odwiedzić planetę podobną do Ziemi, ale rozbił się w obu próbach. Jego seria UFO przedstawiała podnoszący ciało statek wizualnie podobny do M2-F2 do operacji orbitalnych ("Człowiek, który wrócił"). W grze komputerowej Buzz Aldrin’s Race Into Space zmodyfikowany X-24A staje się alternatywnym statkiem kosmicznym zdolnym do obsługi księżyca, który gracz może wybrać zamiast kapsuły Gemini lub Apollo .

Program telewizyjny The Six Million Dollar Man z lat 70. wykorzystał w sekwencji tytułowej nagranie samolotu podnoszącego ciało, zaczerpnięte z rzeczywistych ćwiczeń NASA . Sceny obejmowały oddzielenie HL-10 od jego samolotu nośnego — zmodyfikowanego B-52 — oraz M2-F2 pilotowanego przez Bruce'a Petersona , które rozbiły się i gwałtownie przewróciły wzdłuż pasa startowego wyschniętego dna jeziora Edwards. Przyczyną katastrofy był początek holenderskiego kołysania wynikający z niestabilności sterowania wywołanej separacją przepływu.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Innych źródeł

Linki zewnętrzne