Подъемное тело — это конфигурация самолета или космического корабля с фиксированным крылом , в которой само тело создает подъемную силу . В отличие от летающего крыла , которое представляет собой крыло с минимальным или отсутствующим обычным фюзеляжем , подъемное тело можно рассматривать как фюзеляж с небольшим или отсутствующим обычным крылом . В то время как летающее крыло стремится максимизировать крейсерскую эффективность на дозвуковых скоростях за счет устранения неподъемных поверхностей, подъемные тела обычно минимизируют сопротивление и структуру крыла для дозвукового, сверхзвукового и гиперзвукового полета или возвращения космического корабля в атмосферу . Все эти режимы полета создают проблемы для надлежащей безопасности полета.
Подъемные тела были основной областью исследований в 1960-х и 70-х годах как средство для создания небольшого и легкого пилотируемого космического корабля. США построили несколько ракетных самолетов с подъемным телом для проверки концепции, а также несколько ракетных возвращаемых аппаратов, которые были испытаны над Тихим океаном. Интерес угас, когда ВВС США потеряли интерес к пилотируемой миссии, и основные разработки прекратились в процессе проектирования Space Shuttle, когда стало ясно, что фюзеляжи высокой формы затрудняют установку топливных баков.
Передовые концепции космических самолетов в 1990-х и 2000-х годах использовали конструкции с подъемным корпусом. Примерами служат система запуска персонала HL-20 (1990) и космический самолет Prometheus (2010). Космический самолет с подъемным корпусом Dream Chaser , являющийся продолжением технологии HL-20, был предложен в качестве одного из трех транспортных средств для потенциальной доставки экипажа США на Международную космическую станцию и обратно , но в конечном итоге был выбран в качестве транспортного средства для пополнения запасов. В 2015 году промежуточный экспериментальный корабль ESA осуществил первый в истории успешный возврат в атмосферу космического корабля с подъемным корпусом. [1]
Подъемный корпус был задуман к 1917 году, когда в патенте Роя Скроггса был описан самолет с чем-то вроде дельтавидного крыла с толстым включенным фюзеляжем . [2] Однако на низких скоростях полета подъемный корпус неэффективен и не вошел в массовый дизайн самолетов. [ требуется ссылка ]
Исследования несущего тела, связанные с аэрокосмической отраслью, возникли из идеи космического корабля, возвращающегося в атмосферу Земли и приземляющегося подобно обычному самолету . После возвращения в атмосферу капсульные космические корабли серий Mercury , Gemini и Apollo имели очень мало контроля над тем, где они приземлялись. Управляемый космический корабль с крыльями мог бы значительно расширить зону посадки. Однако крылья корабля должны были бы быть спроектированы так, чтобы выдерживать динамические и термические нагрузки как при возвращении в атмосферу, так и при гиперзвуковом полете. Одно предложение полностью исключило крылья: спроектировать корпус фюзеляжа так, чтобы он сам создавал подъемную силу.
Усовершенствования концепции подъемного корпуса NASA начались в 1962 году с Р. Дейлом Ридом из Исследовательского центра полетов Армстронга NASA . [ 3] Первой полноразмерной моделью, появившейся в результате программы Рида, был NASA M2-F1 , безмоторный аппарат, сделанный из дерева. Первоначальные испытания проводились путем буксировки M2-F1 по высохшему дну озера на авиабазе Эдвардс в Калифорнии, за модифицированным Pontiac Catalina . [4] Позже аппарат был отбуксирован за C-47 и выпущен. Поскольку M2-F1 был планером , был добавлен небольшой ракетный двигатель , чтобы расширить зону посадки. M2-F1 вскоре получил прозвище «Летающая ванна».
В 1963 году NASA начало программы с более тяжелыми ракетными подъемными аппаратами, запускаемыми в воздухе из-под правого крыла NB-52B, производного от реактивного бомбардировщика B-52 . Первые полеты начались в 1966 году. Из подъемных аппаратов Драйдена все, кроме немоторизованного NASA M2-F1, использовали ракетный двигатель XLR11 , который использовался на Bell X-1 . [5] Последующая конструкция, обозначенная как Northrop HL-10, была разработана в Исследовательском центре NASA в Лэнгли . Разделение воздушного потока привело к крушению подъемного аппарата Northrop M2-F2 . [ требуется цитата ] HL-10 пытался решить часть этой проблемы, наклонив левый и правый вертикальные стабилизаторы наружу и увеличив центральный. [ требуется цитата ]
Начиная с 1965 года разрабатывался российский несущее тело МиГ-105 или ЭПОС (русская аббревиатура для Экспериментальный Пассажирский Орбитальный Самолет), и было проведено несколько испытательных полетов. Работа была завершена в 1978 году, когда усилия переключились на программу Буран , в то время как работа над другим малым космическим аппаратом частично продолжалась в программе Бор .
IXV — экспериментальный возвращаемый аппарат Европейского космического агентства с подъемным корпусом, предназначенный для проверки европейских многоразовых пусковых установок , которые могут быть оценены в рамках программы FLPP . IXV совершил свой первый полет в феврале 2015 года, запущенный ракетой Vega . [6]
В 2010 году компания Orbital Sciences предложила коммерческий космический самолет с несущим корпусом. [7] Более подробное описание «Прометея » приведено ниже.
Подъемные тела создают сложные проблемы управления, конструкции и внутренней конфигурации. Подъемные тела в конечном итоге были отклонены в пользу конструкции дельта-крыла для Space Shuttle. Данные, полученные в ходе летных испытаний с использованием высокоскоростных заходов на посадку при очень крутых углах снижения и высоких скоростях снижения, использовались для моделирования профилей полета и посадки Shuttle.
При планировании возвращения в атмосферу место посадки выбирается заранее. Для многоразовых возвращаемых аппаратов обычно отдается предпочтение основному месту, которое находится ближе всего к месту запуска, чтобы сократить расходы и улучшить время выполнения запуска. Однако погода вблизи места посадки является основным фактором безопасности полета. В некоторые сезоны погода в местах посадки может быстро меняться относительно времени, необходимого для начала и выполнения возвращения в атмосферу и безопасной посадки. Из-за погоды возможно, что аппарату придется совершить посадку на альтернативном месте. Кроме того, большинство аэропортов не имеют взлетно-посадочных полос достаточной длины для поддержки скорости захода на посадку и расстояния разбега, требуемых космическим аппаратам. В мире существует немного аэропортов, которые могут поддерживать или быть модифицированы для поддержки такого типа требований. Поэтому альтернативные места посадки очень широко разбросаны по всей территории США и по всему миру. Конструкция дельтавидного крыла шаттла была обусловлена этими проблемами. Эти требования были еще больше усугублены требованиями, которые расширили диапазон полета и посадки шаттла.
Тем не менее, концепция подъемного корпуса была реализована в ряде других аэрокосмических программ, ранее упомянутых NASA X-38 , Lockheed Martin X-33 , BAC 's Multi Unit Space Transport And Recovery Device , Europe's EADS Phoenix и совместном российско-европейском космическом корабле Kliper . Из трех основных форм конструкции, обычно анализируемых для таких программ (капсула, подъемный корпус, самолет), подъемный корпус может предложить наилучший компромисс с точки зрения маневренности и термодинамики, при этом отвечая требованиям миссии своих клиентов.
Dream Chaser — суборбитальный и орбитальный [8] космический самолет с вертикальным взлетом и горизонтальной посадкой (VTHL), разрабатываемый корпорацией Sierra Nevada Corporation (SNC). Планируется, что конструкция Dream Chaser в конечном итоге будет перевозить до семи человек на низкую околоземную орбиту и обратно , а в настоящее время планируется использовать космический самолет для доставки грузов на Международную космическую станцию в рамках программы Commercial Resupply Services . Аппарат будет запускаться вертикально на ракете Atlas V и приземляться горизонтально на обычных взлетно-посадочных полосах. [9]
.jpg/1280px-General_Airborne_Transport_XCG-16_--_2000-3085_(flight).jpg){kind=spacer}
Некоторые самолеты с крыльями также используют корпуса, которые создают подъемную силу. Некоторые из конструкций высокопланов-монопланов Bellanca Aircraft Company начала 1930-х годов , такие как Bellanca Aircruiser , имели фюзеляжи с неопределенной формой аэродинамического профиля, способные создавать некоторую подъемную силу, причем даже стойки крыла на некоторых версиях имели расширенные обтекатели, чтобы дать им некоторую возможность создания подъемной силы. Аналогичным образом, более современные аэродинамические исследования показали, что гоночный самолет Gee Bee R-1 Super Sportster 1930-х годов имел значительную способность создавать подъемную силу благодаря конструкции фюзеляжа, что важно для предполагаемой гоночной роли R-1, во время поворотов с пилоном с большим креном во время гонок. [10] Винсент Бернелли разработал несколько самолетов между 1920-ми и 1950-ми годами, которые использовали подъемную силу фюзеляжа. Как и более ранние монопланы Bellanca, Short SC.7 Skyvan создает значительную подъемную силу за счет формы фюзеляжа, почти такую же, как 35% подъемной силы, создаваемой каждым из крыльев.
Истребители, такие как F-15 Eagle, также создают значительную подъемную силу за счет широкого фюзеляжа между крыльями. Поскольку широкий фюзеляж F-15 Eagle настолько эффективен в подъемной силе, F-15 может успешно приземлиться только с одним крылом, хотя и на почти полной мощности, при этом тяга вносит значительный вклад в подъемную силу. Летом 1983 года израильский F-15 устроил имитационный воздушный бой со Skyhawk в учебных целях недалеко от Нахаль Цин в пустыне Негев. Во время учений один из Skyhawk просчитался и сильно столкнулся с корнем крыла F-15 . Пилот F-15 знал, что крыло было серьезно повреждено, но решил попытаться приземлиться на близлежащей авиабазе, не зная степени повреждения своего крыла. Только после приземления, когда он вылез из кабины и посмотрел назад, пилот понял, что произошло: крыло было полностью оторвано от самолета, и он посадил самолет только с одним прикрепленным крылом. Несколько месяцев спустя поврежденный F-15 получил новое крыло и вернулся к боевым обязанностям в эскадрилье. Инженерам McDonnell Douglas было трудно поверить в историю о посадке с одним крылом: насколько это касалось их моделей планирования, это было невозможно. [11]
В 2010 году Orbital Sciences предложила космический корабль Prometheus «со смешанным подъемным корпусом» , размером примерно в четверть от размера Space Shuttle , в качестве коммерческого варианта для доставки астронавтов на низкую околоземную орбиту в рамках коммерческой программы экипажа . [7] Аппарат с вертикальным взлетом и горизонтальной посадкой (VTHL) должен был быть запущен на ракете Atlas V, рассчитанной на пилотов, но приземлялся на взлетно-посадочной полосе. [12] Первоначальный проект должен был перевозить экипаж из 4 человек, но он мог перевозить до 6 человек или комбинацию экипажа и груза. Помимо Orbital Sciences, в консорциум, стоящий за предложением, входили Northrop Grumman , которая должна была построить космоплан, и United Launch Alliance , которая должна была предоставить ракету-носитель. [13] Не получив награду CCDev phase 2 от NASA, Orbital объявила в апреле 2011 года, что они, вероятно, сворачивают свои усилия по разработке коммерческого корабля для экипажа. [14]
Принципы проектирования несущих тел используются также при строительстве гибридных дирижаблей .
Правительство США разработало множество концептуальных и испытательных конструкций несущего корпуса летательного аппарата с начала 1960-х до середины 1970-х годов в Армстронгском летно-исследовательском центре . [3] К ним относятся:
Подъемные тела появлялись в некоторых научно-фантастических произведениях, включая фильм Marooned , и как космический корабль Джона Крайтона Farscape-1 в сериале Farscape . Телесериал Discovery Channel предполагал использование подъемных тел для доставки зонда на далекую планету, похожую на Землю, в анимационном фильме Alien Planet . В фильме 1969 года Doppelgänger Джерри Андерсона использовался посадочный модуль / подъемный модуль с вертикальным взлетом и посадкой для посещения планеты, похожей на Землю, но в обеих попытках потерпел крушение. В его сериале UFO был представлен корабль с подъемным телом, визуально похожий на M2-F2 для орбитальных операций («The Man Who Came Back»). В компьютерной игре Buzz Aldrin's Race Into Space модифицированный X-24A становится альтернативным лунным космическим кораблем, который игрок может выбрать вместо капсулы Gemini или Apollo .
Телевизионная программа 1970-х годов «Человек за шесть миллионов долларов» использовала кадры самолета с подъемным корпусом, взятые из реальных учений NASA, в заставке шоу . Сцены включали отделение HL-10 от своего самолета-носителя — модифицированного B-52 — и M2-F2, пилотируемый Брюсом Петерсоном , который разбился и резко перевернулся на взлетно-посадочной полосе высохшего озера Эдвардс. Причиной крушения было названо начало голландского крена, возникшего из-за неустойчивости управления, вызванной отрывом потока. [ необходима цитата ]
В эпизоде «Смертельный повтор» (сезон 2, эпизод 8, показанный 22.09.1974) HL-10 фигурирует в качестве реквизита истории. [16]
Dream Chaser станет полноценным суборбитальным аппаратом на пути к достижению орбитальной возможности.
Генеральный директор Дэйв Томпсон сказал ... "Я не ожидаю, что в настоящее время мы продолжим заниматься нашим собственным проектом в этой гонке. Мы будем наблюдать за ним, и если появится возможность, мы можем пересмотреть свое решение. Но на данный момент я бы не ожидал большой активности с нашей стороны на рынке коммерческих экипажей".
