АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ - нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или др.газе. А. н. неразрывно связан с аэродинамическим сопротивлением , к-рое испытывают тела при полёте в атмосфере. Энергия, затрачиваемая на преодоление сопротивления, частично передаётся телу в виде А. н. Рассмотрение физ. процессов, обусловливающих А. н., удобно провести с точки зрения наблюдателя, находящегося на движущемся теле. В этом случае можно заметить, что набегающий на тело газ тормозится вблизи поверхности тела. Сначала торможение происходит в ударной волне , образующейся перед телом, если полёт происходит со сверхзвуковой скоростью. Дальнейшее торможение газа происходит, как и при дозвуковых скоростях полёта, непосредственно у самой поверхности тела, где оно вызывается силами вязкости, заставляющими молекулы "прилипать" к поверхности с образованием пограничного слоя .

При торможении потока газа его кинетич. энергия уменьшается, что в соответствии с законом сохранения энергии приводит к увеличению внутр. энергии газа и его темп-ры. Макс. теплосодержание (энтальпия )газа при его торможении у поверхности тела близко к энтальпии торможения: , где - энтальпия набегающего потока, а - скорость полёта. Если скорость полёта не слишком высока (1000 м/с), то уд. теплоёмкость при пост. давлении с р может считаться постоянной и соответствующая темп-pa торможения газа может быть определена из выражения

где Т е - равновесная темп-pa (предельная темп-ра, до к-рой могла бы нагреться поверхность тела, если бы не было отвода энергии), - коэф. конвективного теплообмена, индексом отмечаются параметры на поверхности. T е близка к темп-ре торможения и может быть определена из выражения

где r -коэфф. восстановления темп-ры (для ламинарного , для турбулентного- ), T 1 и М 1 - темп-pa и Маха число на внеш. границе пограничного слоя, -отношение уд. теплоёмкостей газа при пост. давлении и объёме, Pr - число Прандтля.

Величина зависит от скорости и высоты полёта, формы и размеров тела, а также от нек-рых др. факторов. Подобия теория позволяет представить законы теплообмена в виде соотношений между основными безразмерными критериями - Нуссельта числом , Рейнольдса числом , Прандтля числом и температурным фактором , учитывающим переменность теплофиз. свойств газа поперек пограничного слоя. Здесь и - и скорость газа, и - коэфф. вязкости и теплопроводности, L - характерный размер тела. Наиб. влияние на конвективный А. н. оказывает число Рейнольдса. В простейшем случае продольного обтекания плоской пластины закон конвективного теплообмена для ламинарного пограничного слоя имеет вид

где и вычисляются при темп-ре а для турбулентного пограничного слоя

На носовой части тела с затуплением сферич. формы ламинарный теплообмен описывается соотношением:

где r e и m е вычисляются при темп-ре T е . Эти ф-лы могут быть обобщены и на случай расчёта теплообмена при безотрывном обтекании тел более сложной формы с произвольным распределением давления. При турбулентном течении в пограничном слое происходит интенсификация конвективного А. н., связанная с тем, что, помимо молекулярной теплопроводности, существ. роль в переносе энергии нагретого газа к поверхности тела начинают играть турбулентные пульсации.

При теоретич. расчёте А. н. аппарата, летящего в плотных слоях атмосферы, течение около тела можно разбить на две области - невязкую и вязкую (пограничный слой). Из расчёта течения невязкого газа во внеш. области определяется распределение давления по поверхности тела. Течение в вязкой области при известном распределении давления вдоль тела может быть найдено путём численного интегрирования ур-ний пограничного слоя или для расчёта А. н. могут быть использованы разл. приближённые методы.

А. н. играет существ. роль и при сверхзвуковом течении газа в каналах, в первую очередь в соплах ракетных двигателей. В пограничном слое на стенках сопла темп-pa газа может быть близкой к темп-ре в камере сгорания ракетного двигателя (до 4000 К). При этом действуют те же механизмы переноса энергии к стенке, что и в пограничном слое на летящем теле, в результате чего и возникает А. н. стенок сопла ракетных двигателей.

Для получения данных по А. н., особенно для тел сложной формы, в т. ч. тел, обтекаемых с образованием отрывных областей, проводят эксперим. исследования на маломасштабных, геометрически подобных моделях в аэродинамических трубах с воспроизведением определяющих безразмерных параметров (чисел M, Re и температурного фактора).

С повышением скорости полёта темп-pa газа за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходит диссоциация и молекул набегающего газа. Образующиеся при этом атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область - к поверхности тела. Там происходит обратная хим. реакция - рекомбинация, идущая с выделением тепла. Это даёт дополнит. вклад в конвективный А. н. В случае диссоциации и ионизации удобно перейти от темп-р к энтальпиям:

где -равновесная энтальпия, и - энтальпия и скорость газа на внеш. границе пограничного слоя, а - энтальпия набегающего газа при темп-ре поверхности. В этом случае для определения могут быть использованы те же критич. соотношения, что и при относительно невысоких скоростях полёта.

При полёте на больших высотах на конвективный нагрев может оказать влияние неравновесность физико-хим. превращений. Это явление становится существенным, когда характерные времена диссоциации, ионизации и др. хим. реакций становятся равными (по порядку величины) времени пребывания частиц газа в области с повышенной темп-рой вблизи тела. Влияние физико-хим. неравновесности на А. н. проявляется в том, что продукты диссоциации и ионизации, образовавшиеся за ударной волной и в высокотемпературной части пограничного слоя, не успевают рекомбинировать в пристеночной, относительно холодной части пограничного слоя, теплота реакции рекомбинации не выделяется и А. н. уменьшается. В этом случае важную роль приобретают каталитич. свойства материала поверхности тела. Применяя материалы или покрытия с низкой каталитич. активностью по отношению к реакциям рекомбинации (напр., двуокись кремния), можно заметно снизить величину конвективного А. н.

Если через проницаемую поверхность тела происходит подача ("вдув") газообразного охладителя внутрь пограничного слоя, то интенсивность конвективного А. н. снижается. Это происходит гл. обр. в результате дополнит. затрат тепла на нагрев вдуваемых в пограничный слой газов. Эффект снижения конвективного теплового потока при вдуве инородных газов тем сильнее, чем меньше их молекулярный вес, поскольку при этом возрастает уд. теплоёмкость вдуваемого газа. При ламинарном режиме течения в пограничном слое эффект вдува проявляется сильнее, чем при турбулентном. При умеренных уд. расходах вдуваемого газа снижение конвективного теплового потока можно определить по формуле

где - конвективный тепловой поток к эквивалентной непроницаемой поверхности, G - уд. массовый расход вдуваемого газа через поверхность, а - коэф. вдува, зависящий от режима течения в пограничном слое, а также свойств набегающего и вдуваемого газов. Радиационный нагрев происходит вследствие переноса лучистой энергии из областей с повышенной темп-рой к поверхности тела. При этом наибольшую роль играет в УФ- и видимой областях спектра. Для теоретич. расчёта радиац. нагрева необходимо решать систему интегродифференциальных ур-ний радиац. газовой , учитывающих собств. излучение газа, поглощение излучения средой и перенос лучистой энергии по всем направлениям в окружающей тело высокотемпературной области течения. Интегральный по спектру радиац. поток q Р0 к поверхности тела может быть рассчитан с помощью Стефана-Болъцмана закона излучения:

где T 2 - темп-pa газа между ударной волной и телом, = 5,67*10 -8 Вт/(м 2 *К 4) - постоянная Стефана, - эфф. степень черноты излучающего объёма газа, к-рый в первом приближении может рассматриваться как плоский изотермич. слой. Величина е определяется совокупностью элементарных процессов, вызывающих излучение газов при высоких темп-pax. Она зависит от скорости и высоты полёта, а также от расстояния между ударной волной и телом.

Если относит. величина радиац. А. н. велика, то существ. роль начинает играть радиац. охлаждение газа за ударной волной, связанное с выносом энергии из излучающего объёма в окружающую среду и понижением его темп-ры. В этом случае при расчёте радиац. А. н. должна быть введена поправка, величина к-рой определяется параметром высвечивания:

где - скорость полёта, - плотность атмосферы. При полёте в атмосфере Земли со скоростями ниже первой космической радиац. А. н. мал по сравнению с конвективным. При второй космич. скорости они сравниваются по порядку величины, а при скоростях полёта 13-15 км/с, соответствующих возвращению на Землю после полёта к др. планетам, осн. вклад даёт радиационный А. н.

Частный случай А. н.- нагрев тел, движущихся в верх. слоях атмосферы, где режим обтекания является свободномолекулярным, т. е. молекул газа соизмерима или даже превышает размеры тела. В этом случае образования ударной волны не происходит и при больших скоростях полёта (порядка первой космической) для расчёта А. н. может быть использована простая ф-ла

где - угол между нормалью к поверхности тела и вектором скорости набегающего потока, а - коэф. аккомодации, к-рый зависит от свойств набегающего газа и материала поверхности и, как правило, близок к единице.

С А. н. связана проблема "теплового барьера", возникающая при создании сверхзвуковых самолётов и ракет-носителей. Важную роль А. н. играет при возвращении космич. аппаратов в атмосферу Земли, а также при входе в атмосферу планет со скоростями порядка второй космической и выше. Для борьбы с А. н. применяются спец. системы теплозащиты .

Лит.: Радиационные свойства газов при высоких температурах, M., 1971; Основы теории полета космических аппаратов, M., 1972; Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике, M., 1975. И. А. Анфимов .

Аэродинамический расчет является важнейшим элементом аэродинамического исследования ЛА или его отдельных частей (корпуса, крыльев, оперения, управляющих устройств). Результаты такого расчета используются при траекторных вычислениях, при решении задач, связанных с прочностью движущихся объектов, при определении летно-технических характеристик ЛА.

При рассмотрении аэродинамических характеристик можно использовать принцип расчленения характеристик на отдельные компоненты для изолированных корпусов и несущих поверхностей (крылья и оперение), а также их комбинации. В последнем случае аэродинамические силы и моменты определяются в виде суммы соответствующих характеристик (для изолированных корпуса, крыльев и оперения) и интерференционных поправок, обусловленных эффектами взаимодействия.

Аэродинамические силы и моменты можно определить с использованием аэродинамических коэффициентов.

По представлению полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента в проекциях на оси соответственно скоростной и связанной систем координат приняты следующие названия аэродинамических коэффициентов: - аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления, подъемной боковой силы; аэродинамические коэффициенты моментов крена, рысканья и тангажа.

Приведенная методика определения аэродинамических характеристик является приближенной. На рисунке приведена схема ракеты, здесь L - длина ЛА, dм - диаметр корпуса ЛА, - длины носовой части, l-размах крыла с подфюзеляжной частью (Рис.1).

двигатель рулевой ракета летательный

Подъемная сила

Подъемная сила определяется по формуле

где - скоростной напор, - плотность воздуха, S - характерная площадь, (например, площадь поперечного сечения фюзеляжа), - коэффициент подъемной силы.

Коэффициент принято определять в скоростной системе координат 0xyz. Наряду с коэффициентом далее рассматривается и коэффициент нормальной силы, определяется в связанной системе координат.

Эти коэффициенты связаны между собой соотношением

Представляем ЛА в виде совокупности следующих основных частей: корпуса (фюзеляжа), передних (I) и задних (II) несущих поверхностей. При небольших углах атаки и углах отклонения несущих поверхностей зависимости и близки к линейным, т. е. могут быть представлены в виде

здесь и - углы отклонения передних и задних несущих поверхностей соответственно; и - значения и при; , - частные производные коэффициентов и по углам, и, взятые при.

Значения и у беспилотных ЛА в большинстве случаев близки к нулю, поэтому в дальнейшем они не рассматриваются. В качестве органов управления принимаются задние несущие поверхности.

Определение коэффициента

найдем производную:

При малых углах атаки и при, можно положить, тогда равенство (2) принимает вид. Представим нормальную силу ЛА в виде суммы трех слагаемых

каждое из которых выразим через соответствующий коэффициент нормальной силы:

Поделив равенство (3) почленно на и изъяв производную по, получим в точке 0

где; - коэффициенты торможения потока;

; ; - относительные площади частей ЛА.

Рассмотрим подробнее величины, входящие в правую часть равенства (4).

Первое слагаемое учитывает собственную нормальную силу фюзеляжа, и при малых углах атаки оно равно нормальной силе изолированного фюзеляжа (без учета влияния несущих поверхностей)

Если нагрев снарядов и ракет при малых скоростях полета невелик, то на больших скоростях он становится серьезным препятствием на пути развития летательных аппаратов. Эти аппараты нагреваются теплом, излучаемым Солнцем, и теплом, выделяемым при работе двигателей и аппаратуры управления. Кроме того, они нагреваются при движении в воздушной среде.

Нагрев от движения в воздушной среде играет наиболее существенную роль, особенно при возврате баллистических ракет в атмосферу. При движении летательного аппарата в воздушной среде тепло возникает вследствие трения воздуха о поверхность ракеты и главным образом сжатия воздуха впереди летящего тела.

Как известно, советская ракета, запущенная в Тихий океан, развила скорость более 7200 м/сек. Если бы при ее возвращении в атмосферу эта скорость сохранилась и было обеспечено полное торможение воздуха впереди ракеты, то, как показывает элементарный подсчет на основании уравнения сохранения энергии для сжимаемых газов, температура воздуха перед ракетой могла увеличиться почти на 26 000°.

Однако зададим себе ряд вопросов. Во-первых, действительно ли воздух впереди летящей ракеты в результате сжатия нагревается до подсчитанной температуры? Ответ будет отрицательным. Теоретически полное торможение воздуху впереди обтекаемого тела, каким является снаряд или ракета, должно происходить только в одной точке, а именно: перед острием носовой части. На остальной части поверхности происходит только частичное торможение воздуха. Поэтому общий нагрев воздуха вблизи летательного аппарата значительно меньше. Кроме того, по мере нагрева и повышения плотности воздуха впереди ракеты меняются его термодинамические свойства, в частности увеличивается удельная теплоемкость, и нагрев воздуха оказывается меньшим. Наконец молекулы воздуха, нагретого до абсолютной температуры в 2 500 - 3 000°, начинают "раскалываться" на атомы. Атомы превращаются в ионы, т. е. теряют электроны. Эти процессы (диссоциация и ионизация) также берут часть тепла, снижая температуру воздуха.

Во-вторых, все ли тепло, которым обладает воздух, передается снаряду или ракете при их полете? Оказывается, нет. Нагретый воздух отдает много тепла окружающим массам воздуха путем теплопередачи и теплового излучения.

В-третьих, если воздух впереди летящего тела нагрет до определенной температуры, значит ли это, что и ракета нагревается до той же степени? Тоже нет. Обшивка всегда будет иметь температуру ниже, чем воздух около нее.

Летательный аппарат одновременно с получением тепла будет отдавать тепло окружающему воздуху и охлаждаться вследствие лучеиспускания. В целом аппарат нагреется до такой температуры, при которой установится некоторый сложный тепловой баланс.

Чтобы оценить вероятный нагрев снаряда или ракеты в полете, надо прежде всего знать, с какой скоростью и сколько времени она будет лететь через воздушные слои той или иной плотности и температуры. При пробивании атмосферы вверх пребывание баллистической ракеты в относительно плотной атмосфере очень кратковременно и измеряется секундами. Большую скорость она развивает по сути дела уже на выходе из атмосферы, т. е. там, где воздух очень разрежен.

Все эти обстоятельства, вместе взятые, приводят к тому, что интенсивность нагрева ракеты при полете вверх хотя и значительна, но вполне приемлема без принятия особых конструктивных мер.

Значительно большие трудности ожидают ракету (ее головную часть) при обратном возвращении в атмосферу. Помимо больших аэродинамических нагрузок, здесь может возникнуть так называемый "тепловой удар", связанный с быстрым повышением температуры ракеты.

Перечислим коротко некоторые способы борьбы с нагревом летательных аппаратов, приводимые в иностранной литературе * . Во-первых, уменьшение скорости их вынужденного движения в атмосфере (например, при возвращении ракеты) путем применения воздушных тормозов, парашютов, тормозных двигателей и т. д. Во-вторых, применение для постройки обшивки тугоплавких и жаропрочных материалов. В-третьих, использование для оболочки материалов или покрытий, которым свойственна высокая излучательная способность, т. е. способность отводить больше тепла в пространство. В-четвертых, тщательная полировка поверхности, что улучшает ее отражательную способность. В-пятых, теплоизоляция основных узлов конструкций, т. е. уменьшение скорости нагрева путем нанесения на поверхность слоя вещества с малой теплопроводностью или путем создания между внешней и внутренней обшивками слоисто-пористого теплоизолирующего набора.

* ("Эйроплейн" № 2478. )

И все же при очень высоких скоростях развиваются температуры, при которых непригодны ни металлические, ни какие-либо другие материалы без принятия мер по принудительному охлаждению обшивки. Поэтому шестой путь состоит в создании принудительного охлаждения, которое может быть создано различными способами, в зависимости от назначения летательного аппарата.

Головные части ракет иногда покрывают так называемыми обгорающими покрытиями. Снижение температуры в этом случае достигается созданием таких слоев защитной обшивки, которые предназначены расплавляться и обгорать. Тем самым они поглощают тепло, не допуская его до основных элементов конструкции. При расплавлении или испарении слоя обшивки одновременно образуется защитный слой, который уменьшает передачу тепла к остальной части конструкции.

Эффективность летательных аппаратов на современном уровне их развития непосредственно связана с разрешением тепловой проблемы. Вершиной достижений в этой области были полеты по круговой орбите с возвращением на Землю советских космонавтов Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова.

Основные данные иностранных управляемых снарядов и ракет *

Название и страна

Максимальная дальность полета, км

Максимальная высота полета, км

Максимальная скорость

Стартовый вес

Двигатели (тяга)

Примерные геометрические размеры, м

Тип старта

Система наведения

Органы управления

Заряд боевой головки (тротиловый эквивалент)

Другие данные

длина

размах

максим. диаметр корпуса

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Баллистические ракеты

"Атлас" (США)

10 000

до 1 300

порядка 7 км/сек

115 - 118 т

Первая ступень - 2 ЖРД (по 75 т), вторая ступень - ЖРД (27 т)

24

3

Стационарные наземные позиции

Комбинированная (инерциальная и радиокомандная)

Отклоняемые шарнирно закрепленные камеры ЖРД и 2 верньерных двигателя

Ядерный

"Титан" (США)

10 000

до 1 300

порядка 7 км/сек

93 - 99 т

Первая ступень - двухкамерный ЖРД (136 т), вторая ступень - ЖРД (36,6 т)

27,6

3

Стационарные подземные позиции

Инерциальная

Отклоняемые шарнирно зарепленные камеры ЖРД и 4 верньерных двигателя

Ядерный (7 мгт)

На вооружение не поступала

"Минитмэн" (США)

10 000

до 1 300

порядка 7 км/сек

34 - 36 т

Первая, вторая и третья ступени - РДТТ

17

1,5

Стационарные подземные позиции или подвижные ж.-д платформы

Инерциальная

Дефлекторы в четырех соплах двигателя первой ступени (возможно и в остальных ступенях)

Ядерный (1 мгт)

На вооружение не поступала

"Тор" (США)

2 775

до 600

порядка 4,5км/сек

50 т

Одна ступень - ЖРД (68 т)

19,8

2,4

Инерциальная

Отклоняемые камеры сгорания ЖРД и 2 верньерных двигатели (для управления на конечном участке и стабилизации корпуса против вращения)

Ядерный (4 мгт)

Носовой конус снижается с дозвуковой скоростью, стабилизируется шестью соплами

"Юпитер" (США)

2 775

до 600

порядка 4,5 км/сек

50 т

Одна ступень - ЖРД (68 т)

18

2,6

Стационарные наземные установки

Инерциальная

Отклоняемые камеры сгорания ЖРД. Сопло, питаемое выхлопными газами газогенератора турбонасоса, выполняет функции верньерного двигателя и стабилизирует корпус против вращения

Ядерный (1 мгт)

Носовой конус стабилизируется четырьмя соплами

"Поларис" (США)

2200

до 5500

порядка 4 км/сек

12,6 т

Первая ступень - РДТТ (45 т), вторая ступень - РДТТ (9 т)

8,4

1,37

С подводных лодок в надводном и подводном положении и со стационарных баз

Инерциальная система наведения снаряда и система инерциальной навигации подводной лодки

Дефлекторы в четырех соплах первой ступени. Во второй ступени возможно такое же устройство или 4 верньерных двигателя

Ядерный (1 мгт)

В топливо добавлен порошкообразный алюминий

"Блю Стрик" (Англия)

4 500

до 800

порядка 5,2 км/сек

80 т

Одна ступень - 2 ЖРД (135 т)

24

3

Стационарные подземные установки

Инерциальная

Отклонение обоих шарнирно-закрепленных ЖРД и два патрубка отвода газов от турбонасоса

Ядерный

На вооружение не поступала

"Першинг" (США)

480

до 160

порядка 2 км/сек

16 т

Первая и вторая ступени - РДТТ

12

Подвижные установки

Инерциальная

Ядерный (1 мгт)

Ракета предназначена заменить "Редстоун". На вооружение не поступала

Редстоун" США)

320

до 130

порядка 1,7 км/сек

27,7 т

Одна ступень - ЖРД (34 т)

19,2

3,6

1,8

Подвижные установки

Инерциальная

Аэродинамические и газовые рули

Ядерный или обычный

"Капрал" (США)

110

до 50

порядка 1 км/ сек

5 т

Одна ступень - ЖРД (9 т)

14

2,13

0,76

Подвижные установки

Инерциальная и радиокомандная

Аэродинамические и газовые рули

Ядерный или обычный

"Сержант" (США)

120

до 50

порядка 1 км/сек

5 т

Одна ступень - РДТТ (22,7 т)

10,4

1,8

0,7

Подвижные установки

Инерциальная

Аэродинамические и газовые рули

Ядерный или обычный

Ракета предназначена заменить "Капрал". На вооружение не поступала

"Онест Джон" (США)

27

до 10

порядка 0,55 км/ сек

2,7 т

Одна ступень - РДТТ

8,3

2,77

0,584

Самоходная пусковая установка, перевозимая вертолетом

Установка пусковой рамы по азимуту и возвышению. Стабилизация вращением

Вращение посредством четырех небольших двигателей и скошенных килей

Ядерный или обычный

"Литтл Джон" (США)

16

Сверхзвуковая

0,36 т

Одна ступень - РДТТ

4,422

0,584

0,318

Легкая пусковая установка, перевозимая вертолетом

Отклоняемые крестообразные поверхности управления

Установка пусковой рамы по азимуту и возвышению. Гиростабилизация

Ядерный или обычный

"GAM - 87 А" (США)

1600

до 250 - 300

порядка 4 км/сек

9 т

Один РДТТ

С самолетов типа В-47, В-52 и Б-58А

Инерциальная

Дефлектор реактивной струи

Ядерный (4 мгт)

Авиационная баллистическая ракета. На вооружение не поступала

II. Крылатые ракеты

"Снарк" (США)

10 000

от 300 до 15 200 м

990 км/час

28,2 т

Два стартовых РДТТ (по 59 т), один маршевый ТРД (5,9 т)

21

12,9

Подвижная пусковая установка

Инерциальная с астрономическим корректором гиростабилизированной платформы

Дефлекторы струй стартовых двигателей (при разгоне), элевоны (в полете)

Ядерный (до 20 мгт)

"Матадор" (США)

800 (ограничена возможностями наведения)

11 000 м

965 км/час

5,44 т (без стартового двигателя)

Один стартовый РДТТ (23 т), один маршевый ТРД (2 т)

12,1

8,87

1,37

Подвижная пусковая установка

На модификации ТМ-61А - радиокомандная. На ТМ-61С - дополнительная гиперболическая радионавигационная система "Шаникл"

Управляемый стабилизатор, отклоняющиеся пластины на верхней поверхности крыла

Ядерный или обычный

"Мейс" (США)

1000

от 300 до 12 200 м

1050 км/час

6,36 т (без стартового двигателя)

Один стартовый РДТТ (45,4 т), один маршевый ТРД (2,36 т)

13,42

7,09

Подвижная пусковая установка

На модификации ТМ-76А - система наведения "Атран", воспроизводящая радиолокационную карту местности, которая сравнивается с имеющейся на борту картой. На ТМ-76В - инерциальная

Управляемый стабилизатор, руль

Поворота, элероны

Ядерный

"Лакросс" (США)

32 (ограничена радиусом действия системы наведения)

Околозвуковая

1 т

Один РДТТ

5,86

2,7

0,52

Радиокомандная

Подвижное крестообразное хвостовое оперение

Ядерный или обычный

"Кэссер" (Франция)

90

В зависимости от местности

970 км/сек

1 т

Два стартовых РДТТ, один маршевый ПВРД

3,5

3

Самоходная пусковая установка

Радиокомандная

Элероны, элевоны и крыльевые кили с рулями направления

Обычный

III. Зенитные ракеты

"Бомарк" (США)

400

20

М = 2,5**

6,8 т

Один стартовый ЖРД или РДТТ (15,9 т), два маршевых ПВРД (10,4 т)

15

5,54

0,88

Стационарные базы ПВО

На начальном этапе - по командам системы "Сейдж". На последнем этапе-активное радиолокационное самонаведение

Отклонение шарнирно закрепленного стартового двигателя, руль высоты, руль поворотов и элероны

Ядерный или обычный

Стартует вертикально

"Ника-Аякс" (США)

40

20

М = 2,5 1

040 кг, 500 кг без стартового двигателя

Один стартовый РДТТ, один маршевый ЖРД (1,18 т)

10,8; 6,4 без стартового двигателя

1,6

0,305

Стационарные базы ПВО

Командная радиолокационная

Три боевые головки с осколками

"Ника-Геркулес" (США)

120

30

М = 3,3 4

500 кг, 2 250 кг без стартового двигателя

Один стартовый четырехкамерный ЖРД (или РДТТ), один маршевый РДТТ

12,124; 8,159 без стартового двигателя

2,286

0,8

Стационарные базы ПВО

Командная радиолокационная

Поверхности управления на задних кромках крестообразного крыла

Обычный или ядерный

"Ника-Зевс" (США)

до 320

М = 5 - 7

9,1 т

Один стартовый РДТТ (200 т), один маршевый РДТТ

15; 9 без старт, двигателя

Подземные стационарные базы ПВО

Командная радиолокационная и самонаведение у цели

Ядерный

В стадии разработки

"Тартар" (США)

16

М = 2,5

680 кг

4,6

1,04

С надводных судов

По лучу радиолокатора и полуактивная система самонаведения на последнем этапе

Обычный

На вооружение не поступала

"Талос" (США)

100

М = 2,5

3 175 кг, 1 400 кг без стартового двигателя

Один стартовый РДТТ, один маршевый ПВРД

9,3; 6,25 (без стартового двигателя)

2,84

0,76

С крейсеров

По лучу радиолокатора и полуактивная радиолокационная система самонаведения на последнем этапе (для ракет с обычным ВВ)

Обычный или ядерный

В случае ядерного заряда самонаведение отсутствует. Ракетами "Талос" вооружен один крейсер "Гальвестон"

"Террьер" (США)

16

М = 2,5

1 300 кг, 500 кг без стартового двигателя

Один стартовый РДТТ, один маршевый РДТТ

8,05; 4,5 (без стартового двигателя)

1,17

0,33

С крейсеров, эсминцев и береговых установок

По лучу радиолокатора

Подвижное крестообразное крыло

Обычный

"Хоук" (США)

35

от 30 до 115 00 м

М = 2

579 кг

Один РДТТ со стартовой и маршевой ступенями тяги

5,11

1,245

0,356

С подвижных установок, транспортируемых самолетами и вертолетами

Командная радиолокационная и полуактивная радиолокационная система самонаведения

Рули на задних кромках крестообразного крыла

Обычный

Ракета предназначена для борьбы с низко летящими самолетами

"Бладхаунд" Мк-1 (Англия)

Несколько десятков километров

М = 2

2 000 кг, 1135 кг без стартовых двигателей

Четыре стартовых РДТТ, два маршевых ПВРД

7,7; 6,77 (без стартовых двигателей)

2,869

0,546

Стационарная база ПВО

Поворот стартовой установки по азимуту и возвышению и полуактивная система радиолокационного самонаведения

Раздельное или одновременное отклонение подвижных крыльев

Обычный

"Ред Ай" (США)

3

5 кг

1,14

0,075

Инфракрасное самонаведение

Обычный

Предназначен для обороны войск на поле боя от низко летящих самолетов

IV. Противотанковые снаряды

"Виджилент" (Англия)

1,6

560 км/час

12 кг

Один РДТТ с двумя ступенями тяги

0,9

0,279

0,114

Переносная установка

Управление по проводам

Поверхности управления на задних кромках крестообразного крыла. Снаряд в полете медленно вращается

Бронебойный заряд

На вооружение не поступал

"Пай" Р. V. (Англия)

1,6

Один РДТТ с двумя ступенями тяги

1,524

0,71

0,152

С автомобильных установок или с земли

Управление по проводам

Отклонение реактивной струи

Бронебойный заряд

На вооружение не поступал

S. S. 10 "Норд" (Франция)

1,6

290 км/час

15 кг

Один РДТТ с двумя ступенями тяги

0,86

0,75

0,165

С автомобильных установок, вертолетов и самолетов

Управление по проводам

Вибрирующие интерцепторы на задних кромках крестообразного крыла

Бронебойный заряд (для брони до 400 мм)

S. S. 11 "Норд" {Франция)

3,5

до 700 км/час

29 кг

Один РДТТ с двумя ступенями тяги

1,16

0,5

0,165

С земли, автомобилей, вертолетов и самолетов

Управление по проводам

Вибрирующий дефлектор выхлопной струи второй ступени, создающий асимметрию тяги в желательном направлении. Снаряд в полете медленно вращается

Бронебойный заряд (для брони до 510 мм)

"Дэви Крокет" (США)

3,2

Один РДТТ

1,5

0,15

С ручной установки типа "базука"

Ядерный (менее 1 кт)

На вооружение не поступал

V. Самолеты-снаряды

"Хаунд Дог" (США)

порядка 500 км

18 000 м

2125 км/час

4500 кг

Один ТРД (3,4 т)

12,8

3,66

Со стратегических бомбардировщиков В-52С и В-52Н

Инерциальная

Управляющие поверхности в носовой части (схема "утка"), элероны и руль поворота

Ядерный (2 мгт)

"Булпап" (США)

8 (зависит от видимости снаряда и цели)

2 250 км/час

260 кг

3,4

1,1

0,3

С палубных или тактических самолетов

По радиокомандам с самолета при визуальном наблюдении за снарядом по трассерам

Управляющие поверхности в носовой части (схема "утка")

Обычный

"Куэйл" (США)

320

Высота равна высоте полета самолета-носителя

966 км/час

500 кг

Один ТРД (1,1 т)

4,04

1,68

Со стратегических бомбарди ровщиков В-47 и В-52

По радиокомандам с самолета или с помощью автопилота с предварительной программой

Рули поворота и элевоны

Нет

Снаряд является носителем оборудования для создания помех. На вооружение не поступал

"Блю Стил" (Англия)

порядка 600

От малых до 27 км

1 700 км/час (при пикировании М-2 и более)

6 800 кг

Один двухкамерный ЖРД (8 т)

11

4,1

С бомбардировщиков типа "Виктор" и "Вулкан"

Инерциальная

Управляющие поверхности в носовой части, элероны и руль поворота

Ядерный

На вооружение не поступал

VI. Снаряды воздушного боя

"Игл" (США)

50 - 160 (по другим источникам - 320)

М = 3

900 кг

Один ЖРД или РДТТ

4,5

0,35

С дозвукового самолета истребителя (типа "Миссайлир")

Радиолокационное телеуправление с самолета-носителя или земли. На последнем этапе (с 16 км) - активное радиолокационное самонаведение

Ядерный

На вооружение не поступал

"Фолкон" (США)

8

М = 2,5

68 кг

Один РДТТ

2,17

0,66

0,164

С самолетов-истребителей

Модификация GAR-3 -полуактивная радиолокационная система самонаведения. GAR-4-

Поверхности управления у задней кромки крестообразного крыла

Обычный

"Сайдуиндер" (США)

5 (зависит от метеоусловий)

М = 2,5

70 кг

Один РДТТ

2,87

0,508

0,122

С самолетов-истребителей

Инфракрасная система самонаведения

Крестообразные поверхности управления в носовой части (схема "утка")

Обычный

"Спэрроу" (США)

8

М = 2,3

172 кг

Один ЖРД (заранее снаряжаемый)

3,6

1,0

0,228

С палубных истребителей

Полуактивная радиолокационная система самонаведения

Крестообразное оперение

Обычный

"Файрстрик" (Англия)

6,4

15 000

М = 2

136 кг

Один РДТТ

3,182

0,747

0,22

С самолетов-истребителей

Инфракрасная система самонаведения

Крестообразные поверхности управления В хвостовой части

Обычный

"А. А. 20" (Франция)

4

М = 1,7

134 кг, 144 кг (снаряд против наземных целей)

Один РДТТ с двумя ступенями тяги

2,6

0,8

0,25

С самолетов-истребителей

Радиокомандная система наведения (летчик видит снаряд по трассерам)

Вибрирующие дефлекторы реактивной струн,создающие асимметрию тяги

Обычный

В полете снаряд вращается

* (Приведенные данные заимствованы из иностранной печати (в основном из "Flight" № 2602 и 2643). Незаполненные графы означают отсутствие опубликованных сведений. )

Нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или другом газе

Анимация

Описание

Аэродинамический нагрев - нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или другом газе.Аэродинамический нагрев - результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха (газа) тормозятся вблизи тела. Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью, торможение происходит прежде всего в ударной волне, возникающей перед телом. При торможении молекул воздуха в пограничном слое, непосредственно у поверхности тела, энергия их хаотического движения возрастает, что ведет к росту температуры газа в этом слое и аэродинамическому нагреву тела. Например, при полете сверхзвукового самолета со скоростью 1 км/с температура торможения составляет около 700 К, а при входе космического аппарата в атмосферу Земли с первой космической скоростью (~7,6 км/с) температура торможения достигает 8300 К. Если в первом случае температура обшивки самолета может быть близка к температуре торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо начнет разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие температуры.

Максимальная температура, до которой может нагреваться газ в окрестности движущегося тела, близка к так называемой температуре торможения Т 0 :

,

где - температура набегающего воздуха;

V - cкорость полета тела;

c р - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении.

С увеличением скорости движения тела температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает.

Степень аэродинамического нагрева существенно зависит от формы тела, которая учитывается путем введения аэродинамического коэффициента сопротивления Сх . Различают два вида аэродинамического нагрева: конвективный и радиационный. Конвективный нагрев - это перенос тепла из области пограничного слоя к поверхности движущегося объекта путем теплопроводности и диффузии. Радиационный нагрев - это перенос тепла за счет излучения молекул газа. Соотношение между тепловыми потоками конвекционными и радиационными зависят от скорости движения объекта. До значений первой космической скорости преобладает конвективный нагрев, при второй космической скорости (~11200м/с) конвективные и радиационные потоки примерно равны, а при скоростях более 13000 м/с преобладающим тепловым потоком становится радиационный.

Характеристики аэродинамического нагрева газов изучаются на установках, носящих название ударные трубы. Ударную волну можно создать путем взрыва, электрического разряда и т.д.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -1 до 2);

Время существования (log tc от 13 до 15);

Время деградации (log td от -1 до 2);

Время оптимального проявления (log tk от 1 до 2).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

С аэродинамическим нагревом связана проблема «теплового барьера», возникающая при создании сверхзвуковых самолетов и ракет-носителей. Важную роль аэродинамический нагрев играет при возращении космических аппаратов в атмосферу Земли, а также при входе в атмосферу планет со скоростями порядка второй космической и выше. Для борьбы аэродинамическим нагревом применяются специальные системы теплозащиты.

Аэродинамический нагрев обычно играет роль отрицательного фактора. Для борьбы с аэродинамическим нагревом летательные аппараты оснащают специальными системами теплозащиты. Существуют активные и пассивные методы теплозащиты. При активных методах газообразный или жидкий охладитель подается принудительно к защищаемой поверхности. Газообразный охладитель как бы загораживает поверхность от воздействия высокотемпературной внешней среды, а жидкий охладитель, образующий на поверхности защитную пленку, поглощает подходящую к поверхности теплоту в результате нагрева и испарения пленки, а также последующего нагрева паров. При пассивных методах теплозащиты воздействие теплового потока принимает на себя специальным образом сконструированная внешняя оболочка или специальное покрытие, наносимое на основную конструкцию. Наибольшее распространение получила теплозащита с помощью разрушающихся поверхностей, в которой тепловой поток расходуется на процессы плавления, испарения, сублимации ихимических реакций. Материалы таких покрытий - стеклопластики и другие пластмассы на органических и кремнийорганических связующих. Перспективны также углерод и углеродные композиции.

Курсовой проект

Расчет аэродинамических коэффициентов крылатой ракеты типа Tомагавк

Введение

тангаж ракета летательный аэродинамический

Проектирование летательного аппарата должно обязательно включать в себя расчёт его аэродинамических характеристик. Полученные результаты в дальнейшем позволяют оценить правильность выбора аэродинамической схемы, рассчитать траекторию ЛА.

Для расчётов вводится очень важное допущение: следует считать ЛА неподвижным, а набегающий поток воздуха, напротив, движущимся (т.н. «принцип обращения движения»).

Второе используемое допущение подразумевает расчленение ЛА на отдельные составляющие: корпус, оперение (крылья и рули), а также их комбинации. В таком случае характеристики вычисляются по отдельности для всех компонент, а их суммы вместе с интерференционными поправками, обуславливающими эффекты взаимодействия, определяют аэродинамические коэффициенты и моменты.

1. Крылатые ракеты

1.1 Общие сведения

Процесс создания современных КР является сложнейшей научно-технической задачей, которая решается совместно рядом научно-исследовательских, проектно-конструкторских и производственных коллективов. Можно выделить следующие основные этапы формирования КР: тактико-техническое задание, технические предложения, эскизное проектирование, рабочий проект, экспериментальная отработка, стендовые и натуральные испытания.

Работы по созданию современных образцов КР ведутся по следующим направлениям:

· увеличению дальности и скорости полёта до сверхзвуковой;

· использованию для наведения ракет комбинированных многоканальных систем обнаружения и самонаведения;

· снижению заметности ракет за счёт применения технологии «стелс»;

· повышению скрытности ракет путём уменьшения высоты полёта до предельных границ и усложнения траектории полёта на её конечном участке;

· оснащению бортовой аппаратуры ракет системой спутниковой навигации, которая определяет место нахождения ракеты с точностью до 10…..20 м;

· интегрированию ракет различного предназначения в единую ракетную систему морского, воздушного и наземного базирования.

Реализация перечисленных направлений достигается главным образом за счёт применения современных высоких технологий.

Технологический прорыв в авиастроении и ракетостроении, микроэлектроники и вычислительной техники, в разработке бортовых автоматических систем управления и искусственного интеллекта, двигательных установок и топлив, средств радиоэлектронной защиты и т.д. создал реальные разработки нового поколения КР и их комплексов. Стало возможным значительное увеличение дальности полёта как дозвуковых, так и сверхзвуковых КР, повышение избирательности и помехозащищённости бортовых систем автоматического управления с одновременным уменьшением (более чем в два раза) массогабаритных характеристик.

Крылатые ракеты подразделяются на две группы:

· наземного базирования;

· морского базирования.

К этой группе относятся ракеты стратегического и оперативно-тактического назначения с дальностью полёта от нескольких сот до нескольких тысяч километров, которые в отличие от баллистических ракет летят к цели в плотных слоях атмосферы и имеют для этого аэродинамические поверхности, создающие подъёмную силу. Такие ракеты предназначены для поражения важных стратегических.

Крылатые ракеты, способные запускаться с подводных лодок, надводных кораблей, наземных комплексов, самолётов, обеспечивают морским, наземным и воздушным силам исключительную гибкость.

Их основными преимуществами по сравнению с БР, являются:

· почти полная неуязвимость при внезапном ракетно-ядерном нападении противника благодаря мобильности базирования, тогда как места расположения пусковых шахт с БР часто заранее известны противнику;

· снижение по сравнению с БР затрат на выполнение боевой операции по поражению цели с заданной вероятностью;

· принципиальная возможность создания для КР усовершенствованной системы наведения, функционирующей автономно или использующей спутниковую навигационную систему. Эта система может обеспечить 100%-ную вероятность поражения цели, т.е. промах, близкий к нулю, что позволит сократить необходимое число ракет, а следовательно, и эксплуатационные затраты;

· возможность создания системы оружия, которая сможет решать как стратегические, так и тактические задачи;

· перспектива создания крылатых стратегических ракет нового поколения, имеющих ещё большую дальность, сверхзвуковые и гиперзвуковые скорости, допускающих перенацеливание в полёте.

На стратегических крылатых ракетах применяют, как правило, ядерные БЧ. На тактических вариантах этих ракет устанавливаются обычные БЧ. Например, на противокорабельных ракетах могут быть установлены БЧ проникающего, фугасного или фугасно-кумулятивного типа.

Система управления крылатых ракет существенно зависит от дальности полёта, траектории ракеты и радиолокационного контраста целей. Дальние ракеты обычно имеют комбинированные системы управления, например автономную (инерциальную, астроинерциальную) плюс самонаведение на конечном участке траектории. Пуск с наземной установки, подводной лодки, корабля требует применения ракетного ускорителя, который целесообразно отделять после выгорания топлива, поэтому крылатые ракеты наземного и морского базирования делаются двухступенчатыми. При пуске с самолёта-носителя ускоритель не требуется, так как имеется достаточная начальная скорость. В качестве ускорителя обычно применяют РДТТ. Выбор маршевого двигателя определяется требованиями малого удельного расхода топлива и большого времени полёта (десятки минут или даже несколько часов). Для ракет, скорость полёта которых сравнительно невелика (М<2), целесообразно применять ТРД как наиболее экономичные. Для дозвуковых скоростей () используют ТРДД малых тяг (до 3000 Н). При М>2 удельные расходы топлива ТРД и ПВРД становятся соизмеримыми и основную роль при выборе двигателя играют другие факторы: простота конструкции, малая масса и стоимость. В качестве топлива маршевых двигателей используются углеводородные топлива.

В данном курсовом проекте для дальнейших исследований в качестве прототипа ЛА будет рассмотрена крылатая ракета типа «Tомагавк».

1.2 Крылатая ракета «Томагавк»

КР «Томагавк» в ядерном снаряжении имеет мощность ядерного заряда 200 кг. Её трудно обнаружить радиолокационными станциями. Длина КР - 6.25 м, а вес - 1450 кг. В обычном снаряжении эта ракета предназначается для нанесения ударов по надводным кораблям на дальностях до 550 км от места запуска и по береговым объектам - на дальностях до 1500 км.

Крылатая ракета «Томагавк» (BGM - 109A) морского базирования предназначена для нанесения ударов по важным военным и промышленным объектам. Дальность стрельбы - 2500 км. Точность стрельбы - не более 200 м. Система наведения ракеты - комбинированная, включает в состав инерциальную систему и систему коррекции траектории по контуру рельефа местности. Стартовая масса - 1225 кг, длина 5,5 м, диаметр корпуса - 530 мм, масса боевой части - 110 кг. Ракета оснащена ядерной боевой частью мощностью 200 кг. Ракета поступила на вооружение в 1984 году. Её боевое применение предусматривается как с подводных лодок, так и с надводных кораблей.

Рис. 1 Крылатая ракета «Томагавк» (BGM - 109A)

Траектория полета ракеты «Tомагавк» BGM-109С/D

Рис. 2 Траектория полета ракеты «Томагавк» BGM-109С/D:

2-район первой коррекции по системе TERCOM;

3-маршевый участок коррекция TERCOM с использованием системы NAVSTAR

4-коррекция траектории по системе DSMAC;

Тактико-технические характеристики

Дальность стрельбы, км
BGM-109A при пуске с надводного корабля
BGM-109С/D при пуске с надводного корабля
BGM-109С/D при пуске с подводной лодки
Скорость полета максимальная, км/час
Скорость полета средняя, км/час
Длина ракеты, м
Диаметр корпуса ракеты, м
Размах крыльев, м
Стартовый вес, кг
Боевая часть
	полубронебойная - 120 кг
	кассетная - 120 кг
Маршевый двигатель F-107
Масса топлива, кг
Вес сухого двигателя, кг
Длина, мм
Диаметр, мм

2. Расчет аэродинамических характеристик аналитическим методом Лебедева-Чернобровкина

Аэродинамический расчет является важнейшим элементом аэродинамического исследования ЛА или его отдельных частей (корпуса, крыльев, оперения, управляющих устройств). Результаты такого расчета используются при траекторных вычислениях, при решении задач, связанных с прочностью движущихся объектов, при определении летно-технических характеристик ЛА.

При рассмотрении аэродинамических характеристик можно использовать принцип расчленения характеристик на отдельные компоненты для изолированных корпусов и несущих поверхностей (крылья и оперение), а также их комбинации. В последнем случае аэродинамические силы и моменты определяются в виде суммы соответствующих характеристик (для изолированных корпуса, крыльев и оперения) и интерференционных поправок, обусловленных эффектами взаимодействия.

Аэродинамические силы и моменты можно определить с использованием аэродинамических коэффициентов.

По представлению полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента в проекциях на оси соответственно скоростной и связанной систем координат приняты следующие названия аэродинамических коэффициентов: - аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления, подъем боковой силы;

Для исследования динамики ЛА необходимо учесть действующие силы и моменты, в том числе и аэродинамические. Полную аэродинамическую силу, зависящую от ряда факторов можно представить составляющими по скоростным осям координат (x, y, z) или по связанным (), а полный аэродинамический момент М - разложенным по осям (). В случае симметричного ЛА подъемная сила Y и боковая сила Z имеют одинаковую зависимости соответственно от углов атаки и скольжения, от углов отклонения рулей и.

Таблица геометрических характеристик

Название, размерность	Величина	Значение
		Консоль I	Консоль II
Диаметр корпуса, м
Площадь миделя, м 2
Площадь донного среза, м 2
Длина носовой части, м
Длина цилиндрической части, м
Удлинение корпуса
Объём носовой части корпуса, м 3
Удлинение носовой части корпуса
Удлинение цилиндрической части корпуса
Сужение кормовой части корпуса
Полный размах несущей поверхности, м
Размах несущей поверхности без учёта диаметра корпуса, м
Длина бортовой хорды консоли, м
Длина корневой хорды консоли, м
Длина концевой хорды консоли, м
Площадь двух консолей, м 2
Удлинение консолей
Сужение консолей
Угол стреловидности консолей по передней кромке
Тангенс угла стреловидности консолей по линии середины хорд
Угол стреловидности консолей по линии середины хорд
Относительная толщина профиля
Длина средней аэродинамической хорды, м
Координата z а.к. средней аэродинамической хорды, м
Координата x а.к. средней аэродинамической хорды относительно
Расстояние от передней точки корпуса до консоли, м

2.1 Подъемная сила

Подъемная сила определяется по формуле

где - скоростной напор, - плотность воздуха, - характерная площадь, (например, площадь поперечного сечения фюзеляжа), - коэффициент подъемной силы.

Коэффициент принято определять в скоростной системе координат 0xyz. Наряду с коэффициентом далее рассматривается и коэффициент нормальной силы, определяется в связанной системе координат.

Эти коэффициенты связаны между собой соотношением

Представляем ЛА в виде совокупности следующих основных частей: корпуса (фюзеляжа), передних (I) и задних (II) несущих поверхностей. При небольших углах атаки и углах отклонения несущих поверхностей зависимости и близки к линейным, т.е. могут быть представлены в виде

здесь и - углы отклонения передних и задних несущих поверхностей соответственно; и - значения и при; , - частные производные коэффициентов и по углам, и, взятые при.

Значения и у беспилотных ЛА в большинстве случаев близки к нулю, поэтому в дальнейшем они не рассматриваются. В качестве органов управления принимаются задние несущие поверхности.

При малых углах атаки и при можно положить, тогда равенство (2) принимает вид. Представим нормальную силу ЛА в виде суммы трех слагаемых

каждое из которых выразим через соответствующий коэффициент нормальной силы:

Поделив равенство (3) почленно на и изъяв производную по, получим в точке 0

где; - коэффициенты торможения потока;; ; - относительные площади частей ЛА. Рассмотрим подробнее величины, входящие в правую часть равенства (4).

Первое слагаемое учитывает собственную нормальную силу фюзеляжа, и при малых углах атаки оно равно нормальной силе изолированного фюзеляжа (без учета влияния несущих поверхностей) .

Второе слагаемое характеризует нормальную силу, создаваемую передней несущей поверхностью и приложенную частично к консолям, а частично к корпусу в зоне их влияния.

Величина этой силы выражается через нормальную силу изолированных крыльев (т.е. крыльев, составленных из двух консолей) с помощью коэффициента интерференции k: . Величины и kI подсчитываются при числе Маха.

Третье слагаемое в выражении (4) аналогично второму. Единственное отличие состоит в том, что при определении угла атаки задней несущей поверхности надо учитывать средний угол скоса потока, вызываемого передней несущей поверхностью: . При малых углах атаки зависимость близка к линейной. В том случае и производную можно выразить в виде

Все величины, входящие в (5), подсчитываются при числе Маха.

2.2 Производная коэффициента подъемной силы ЛА по углу отклонения органов управления

продифференцируем выражение (1) по углу II:

При малых углах и это выражение принимает следующий вид:

Поделив равенство (3) почленно на qS и взяв производную по, получим

характеризует нормальную силу задней поверхности, приложенную частично к консолям, а частично к корпусу в зоне их влияния. Величина этой силы выражается через коэффициент интерференции и относительную эффективность органов управления n:

Расчет представлен в табл. 3.3, где - угол стреловидности оперения;- коэффициент снижения подъёмной силы из-за щели между рулём и корпусом при отклонении рулей.

Таблица расчетов

Величина

Таблица расчетов

Величина

2.3 Лобовое сопротивление

Сила лобового сопротивления подсчитывается по формуле

Коэффициент лобового сопротивления ЛА представим в виде суммы двух слагаемых, где - коэффициент сопротивления при; - коэффициент индуктивного сопротивления, под которым понимается сопротивление, зависящее от углов, и. Коэффициент ЛА может быть выражен в виде

где 1.05 - поправка на неучтенные детали; - отношение суммарной площади всех консолей передней несущей поверхности к характерной площади; - то же для задней несущей поверхности; ,- коэффициенты изолированных частей ЛА.

2.4 Коэффициент лобового сопротивления при

По физической природе лобовое сопротивление корпуса при можно разделить на сопротивления трения и давления. В соответствии с таким давлением можно выразить коэффициент лобового сопротивления корпуса при (отнесенный к площади миделя) в следующем виде:

где последние три слагаемых представляют собой сопротивление давления.

2.5 Коэффициент лобового сопротивления несущих поверхностей при

Методы расчета коэффициента передних и задних несущих поверхностей почти идентичны. Единственное отличие состоит в том, что расчет следует вести при числе Маха, а расчет при.

Лобовое сопротивление несущей поверхности с заостренными задними кромками при складывается из профильного и волнового сопротивления. В соответствии с этим можно написать

Профильное сопротивление обусловлено вязкостью воздуха. Оно определяется в основном силами трения и в незначительной степени - разностью давлений в носовой и хвостовой частях профиля.

Волновое сопротивление - сопротивление давления, обусловленное сжимаемостью воздуха. Оно возникает при, когда обтекание крыльев сопровождается появлением скачков уплотнения.

У ЛА с крестообразным расположением крыльев (++) сила лобового сопротивления создается двумя парами передних и задних несущих поверхностей, поэтому коэффициенты и должны перемножаться на соответствующие удвоенные безразмерные площади.

Таблица расчетов и

Величина

Таблица расчетов

Величина

2.6 Момент тангажа

При изучении моментов сил, действующих на ЛА, в частности моментов тангажа, будем пользоваться связанной системой координат 0x1y1z1 Момент тангажа или продольный момент вызывается аэродинамическими и реактивными силами. Рассматривая момент аэродинамических сил, удобно ввести понятие безразмерного коэффициента

Величина аэродинамического момента при данной скорости и высоте полета зависит от ряда факторов и прежде всего от угла атаки и углов отклонения органов управления. Кроме того, на величину момента влияет угловая скорость вращения ЛА, а также скорости изменения угла атаки и отклонения рулей, характеризуемые производными и. Таким образом,

При малых значениях аргументов выражение (6) можно представить в виде линейной функции

где и т.д. - частные производные момента тангажа по соответствующим параметрам.

Безразмерный коэффициент момента является функцией только безразмерных параметров. Так как величины, и имеют размерность I/с, то вместо них вводят безразмерную угловую скорость и безразмерные производные, . Общее выражение коэффициента продольного момента при малых значениях параметров, и и т.д. имеет вид

Для упрощения записи величин, входящих в выражения (6) и (7), индекс «I» будем в дальнейшем опускать. Кроме того, будем опускать черточки в обозначениях частных производных

2.7 Момент тангажа при

Рассмотрим величину аэродинамического продольного момента, действующего на ЛА, при условии, что угловая скорость, а угол атаки и углы отклонения органов управления остаются неизменными по времени.

Введем понятие центра давления ЛА. Центр давления - это точка на продольной оси 0x1, через которую проходит равнодействующая - аэродинамических сил.

Момент аэродинамических сил относительно центра давления можно выразить в виде, а коэффициент момента

здесь - координата центра тяжести ЛА, - координата центра давления (отчет производится от носа корпуса).

По аналогии с понятием центра давления всего ЛА введем также понятие центров давления его частей как точек приложения нормальных сил, создаваемых этими частями.

Из условия равновесия имеем

Отсюда находим выражение для:

При малых углах атаки и углах отклонения рулей удобно пользоваться понятием аэродинамических фокусов ЛА. Фокусом ЛА по углу атаки называется точка приложения той части нормальной силы, которая пропорциональна углу атаки (т.е.). Тогда при закрепленных органах управления момент аэродинамических сил относительно оси 0z1, проходящей через точку фокуса, не зависит от угла атаки. Аналогично можно показать, что момент относительно фокуса по не зависит от, а момент относительно фокуса по не зависит от.

Пользуясь понятием аэродинамических фокусов, можно записать следующее выражение коэффициента момента тангажа ЛА при малых углах, и:

В этих выражениях, - координаты фокусов по, и.

2.8 Момент тангажа, вызванный вращением ЛА вокруг оси Z

Рассмотрим ЛА, летящий со скоростью v и одновременно вращающийся вокруг своей оси (поперечной) с угловой скоростью.

При вращении ЛА каждая точка его поверхности приобретает дополнительную скорость, равную. Вследствие этого углы встречи потока с отдельными элементами поверхности получаются отличными от углов встречи при чисто поступательном движении. Изменение углов встречи приводит к появлению дополнительных аэродинамических сил, которые можно свести к равнодействующей, приложенной в центре тяжести, и моменту относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести.

Величина очень мала и в расчётах подъёмной силы ею обычно пренебрегают.

Момент существенно влияет на динамические свойства ЛА. Он называется демпфирующим моментом тангажа или продольным демпфирующим моментом.

Величина демпфирующего момента пропорциональна угловой скорости. Поэтому.

Выразим производную через безразмерный коэффициент момента и безразмерную угловую скорость. Так как и, то, где - вращательная производной коэффициента момента.

Представим продольный демпфирующий момент как сумму моментов, создаваемых частями ЛА: . Это выражение можно переписать в соответствии с равенством (9):

Сокращая на, получаем:

Таблица расчетов и

Величина

Таблица расчетов

Величина

2.9 Сводная таблица аэродинамических коэффициентов

3. Расчет аэродинамических характеристик с помощью пакета SolidWorks 2014

SolidWorks - это система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения. Разработчиком САПР SolidWorks является SolidWorks Corp. (США), независимое подразделение компании Dassault Systemes (Франция) - мирового лидера в области высокотехнологичного программного обеспечения. Разработки SolidWorks Corp. характеризуются высокими показателями качества, надежности и производительности, что в сочетании с квалифицированной поддержкой делает SolidWorks лучшим решением для промышленности и персонального использования. Программное обеспечение функционирует на платформе Windows, имеет поддержку русского языка, и, соответственно, поддерживает ГОСТ и ЕСКД.

Данный пакет позволяет построить модель ЛА и произвести расчёт аэродинамики с помощью Flow Simulation, являющегося модулем гидрогазодинамического анализа в среде SolidWorks, минимизируя ошибки, зависящие от человеческого фактора.

В данном курсовом проекте было произведено построение модели КР «Томагавк» и расчёт аэродинамики при помощи SolidWorks 2014 и SolidWorks Flow Simulation 2012.

Построенная с помощью САПР SolidWorks 2014 модель ЛА представлена на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 - Вид модели сбоку

Рисунок 4 - Вид модели спереди

3.2 Выбор углов атаки и скорости потока

Расчёт аэродинамических коэффициентов будет произведен для Маха: M=0.7, 1.2 и для угла атаки б= 0 градусов.

Аэродинамические силы и моменты можно определить, зная аэродинамические коэффициенты.

По представлению полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента в проекциях на оси соответственно скоростной и связанной систем координат приняты следующие названия аэродинамических коэффициентов: - аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления, подъемной и боковой силы; - аэродинамические коэффициенты моментов крена, рысканья и тангажа.

3.3 Результаты расчета

Результаты расчёта приведены для скорости потока М=0.7 и М=1.2 при б= 0 градусов. Результаты выведены на рисунках 5-14 и в таблице 10.

Для б=0 и М=1.2

Рисунок 5 - Результаты изменения скорости

Рисунок 6 - Результаты изменения давления

Рисунок 7 - Результаты изменения плотности

Рисунок 8 - Результаты изменения температуры

Для б=0 и М=0.7

Рисунок 9 - Результаты изменения скорости

Рисунок 10 - Результаты изменения давления

Рисунок 11 - Результаты изменения плотности

Рисунок 12 - Результаты изменения температуры

Рисунок 13-основные параметры для М=1.2

Рисунок 14-основные параметры для М=0.7

Так как нам известны значения подъёмной силы и силы лобового сопротивления, то можем из выражений Y=c y qS и X=c x qS выразить с у и с х

Таблица расчетов

Заключение

В данном курсовом проекте был рассмотрен ЛА типа КР «Томагавк» и произведён расчёт его аэродинамических коэффициентов.

В результате произведенных расчетов были получены значения коэффициентов лобового сопротивления, коэффициентов подъемной силы и коэффициентов аэродинамических моментов. При рассмотрении аэродинамических характеристик можно использовать принцип расчленения характеристик на отдельные компоненты для изолированных корпусов и несущих поверхностей (крылья и оперение), а также их комбинации. В последнем случае аэродинамические силы и моменты определяются в виде суммы соответствующих характеристик (для изолированных корпуса, крыльев, и оперения) и интерференционных поправок, обусловленных эффектами взаимодействия. Аэродинамические силы и моменты можно определить с использованием аэродинамических коэффициентов.

Результаты расчёта аэродинамических коэффициентов и сравнительный анализ аналитического метода Лебедева-Чернобровкина и численного моделирования приведены в таблице.

Сравнительный анализ результатов расчёта

Была создана модель исследуемого ЛА при помощи САПР SolidWorks 2014 SP5.0 и исследована его аэродинамика при помощи SolidWorks Flow Simulation. В результате проделанных расчётов следует считать, что методика численного моделирования позволяет избежать ошибок вычислений вызванных различием расчетной и реальной форм обдуваемого объекта. Методика также даёт возможность оценить степень влияния неточностей в изготовлении моделей на результаты их продувок в аэродинамических трубах.

Аналитический метод Лебедева-Чернобровкина основывается на полуэмпирических закономерностях, полученных из анализа многочисленных экспериментальных данных. Этот метод не подходит для точных научных расчетов, но может быть использован для учебных целей и для расчета аэродинамических коэффициентов в первом приближении

Библиографический список

1. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полёта. - М.: Машиностроение, 1973. - 615 с.: ил.

2. Шалыгин А.С. - Аэродинамические характеристики летательных аппаратов. - СПб: БГТУ, 2003. - 119 с.

3. SolidWorks - мировой стандарт автоматизированного проектирования [Электронный ресурс] - http://www.solidworks.ru/products/ - дата обращения 15 ноября 2014 г.

4. David Salomon. Curves and Surfaces for Computer Graphics. - Springer, 2006.

5. .В. Карпенко, С.М. Ганин «Отечественные авиационные тактические ракеты» 2000 г.

6. Синтез управления в системах стабилизации беспилотных летательных аппаратов. Учебное пособие под редакцией А.С. Шалыгина. СПБ 2005 г.

Подобные документы

Особенности построения теоретического профиля НЕЖ с помощью конформного отображения Н.Е. Жуковского. Геометрические параметры и сопротивление летательного аппарата. Методика определения сквозных и аэродинамических характеристик летательного аппарата.

курсовая работа , добавлен 19.04.2010


Исследование взлетно-посадочных характеристик самолета: определение размеров крыла и углов стреловидности; расчет критического числа Маха, аэродинамического коэффициента лобового сопротивления, подъемной силы. Построение взлётной и посадочной поляр.

курсовая работа , добавлен 24.10.2012


Построение докритической поляры самолета Ан-225. Рекомендуемые значения толщин профилей крыла и оперения. Расчёт полётных характеристик самолёта, построение зависимости коэффициента подъемной силы от угла атаки. Зависимость отвала поляры от числа Маха.

курсовая работа , добавлен 17.06.2015


Расчет лобовых сопротивлений несущих элементов, фюзеляжа, мотогондол и подвесных баков летательного аппарата в условиях полностью турбулентного пограничного слоя. Зависимость лобового сопротивления ЛА по углу атаки. Расчет и построение поляры крыла.

курсовая работа , добавлен 03.12.2013


Расчет геометрических характеристик фюзеляжа самолета, горизонтальное оперение. Расчет минимального коэффициента лобового сопротивления пилона. Взлетно-посадочные характеристики самолета. Построение зависимости аэродинамического качества от угла атаки.

курсовая работа , добавлен 29.10.2012


Разработка системы стабилизации ракеты. Основные геометрические параметры частей летательного аппарата (AGM-158 Jassm). Отладка рулевого привода. Амплитудные, фазовые характеристики. Конструкция испытательного стенда. Проверка и расчет мощности двигателя.

дипломная работа , добавлен 22.04.2015


Проектировочный расчет фланцевого соединения отсеков корпуса. Силовые приводы аэродинамических органов управления. Конструкция и проектирование рычага механизма управления. Нагрузки, действующие на крыло и на корпус. Расчет деталей штампа на прочность.

курсовая работа , добавлен 29.01.2013


Управляемый полет летательного аппарата. Математическое описание продольного движения. Линеаризация движений продольного движения летательного аппарата. Имитационная модель для линеаризованной системы дифференциальных уравнений продольного движения.

курсовая работа , добавлен 04.04.2015


Расчёт и построение поляр дозвукового пассажирского самолета. Определение минимального и макимального коэффициентов лобового сопротивления крыла и фюзеляжа. Сводка вредных сопротивлений самолета. Построение поляр и кривой коэффициента подъемной силы.

курсовая работа , добавлен 01.03.2015


Обтекание тела воздушным потоком. Крыло самолета, геометрические характеристики, средняя аэродинамическая хорда, лобовое сопротивление, аэродинамическое качество. Поляра самолета. Центр давления крыла и изменение его положения в зависимости от угла атаки.