Влияние несимметричного уменьшения площади миделя тела вращения на его аэродинамические характеристики Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И Т о м IV 197 3

№ 4

УДК 629.76.015.3

ВЛИЯНИЕ НЕСИММЕТРИЧНОГО УМЕНЬШЕНИЯ ПЛОЩАДИ МИДЕЛЯ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ НА ЕГО АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В. Г. Артонкин, К. П. Петров

Приведены результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик конуса с полууглом при вершине 0=60° и сегментально-конического тела типа .Аполлон” с несимметрично уменьшенной площадью миделя. Показано, что несимметричное уменьшение площади миделя тела может быть использовано в качестве аэродинамического средства для создания балансировочного угла и получения соответствующего ему значения аэродинамического качества у аппаратов конической и сегментально-конической форм.

Лобовая поверхность космических аппаратов, предназначенных для спуска в атмосфере на поверхность планеты, обычно выполняется в виде осесимметричного сегмента или конуса с большим углом при вершине [1], [2]. В случае баллистического спуска такие аппараты совершают полет при угле атаки равном нулю. Для уменьшения перегрузок и аэродинамического нагрева аппарата применяется так называемый скользящий спуск, который совершается при определенном значении аэродинамического качества. При таком виде спуска аппарат должен лететь под определенным углом атаки, что обычно достигается за счет смещения центра масс с продольной оси аппарата. Эта мера, использованная в космическом аппарате „Аполлон”, вызывает затруднения в размещении грузов аппарата, так как центр масс из центра объема должен перемещаться к краям аппарата, где полезные объемы существенно меньше. Аэродинамическое качество тела сегментально-конической формы типа „Аполлон” может достигать К = 0,6. Однако реальные возможности сдвига центра масс (примерно 4% от максимального диаметра аппарата) позволили реализовать величину аэродинамического качества всего лишь К ~ 0,3. Иными словами, сдвиг центра масс не позволяет использовать все возможности сегментально-конической формы в получении наибольшей величины аэродинамического качества.

Из ряда литературных источников [3]—|5] известен другой способ получения определенного значения аэродинамического качества у тела сегментально-конической формы. Он заключается в придании наклона лобовой поверхности по отношению к продольной оси тела. Однако в этом случае центр масс также желательно смещать из центра объема тела, а сам объем тела при наклоне лобовой поверхности становится менее удобным для размещения грузов.

В связи с изложенным были проведены исследования, направленные на отыскание более рациональных средств балансировки космических аппаратов сегментально-конической или конической формы, которые давали бы возможность получить наибольшие значения аэродинамического качества.

Участки лобовой поверхности, расположенные на краях, создают наибольший момент относительно ее центра. Если производить несимметричное умень-

шение площади краев лобовой поверхности, то это будет сопровождаться возникновением балансировочного угла атаки при расположении центра масс на продольной оси тела.

В аэродинамической трубе были проведены исследования моделей сегментально-конической формы и конуса с большим углом при вершине. На моделях осуществлялось последовательное уменьшение площади лобовой поверхности со стороны одного из краев, как это показано на фиг. 1 и 2. Уменьшение площади у модели сегментально-конической формы проводилось по дуге круга диаметром, равным максимальному диаметру модели, центр которого сдвигался с продольной оси модели на соответствующие величины. У модели конуса

уменьшение площади производилось за счет различных наклонных срезов под углом 7 к основанию конуса. При этом плоскость среза проходила через максимальный диаметр основания конуса, т. е. уменьшалась площадь на его полупе-риметре. Одновременно с несимметричным уменьшением площади исследовалось влияние формы скругления уменьшенной части лобовой поверхности (см. фиг. 1). Испытания были проведены при числах М = 6,0, 1?е = 0,7 • 10е (подсчитано по диаметру модели) и Го = 240° С.

Полученные данные свидетельствуют о том, что уменьшение площади на 10,5% позволяет балансировать аппарат конической формы с полууглом при вершине 0 = 60° с центровкой л:ц м= 0,2870 при угле а = 26°, чему соответствует значение аэродинамического качества К ~ 0,39. Заметим, что такое же значение аэродинамического качества может быть получено за счет смещения центра масс с оси исследуемого конуса на 5,8% его максимального диаметра.

Полученные данные убедительно свидетельствуют о целесообразности получения аэродинамического качества у космических аппаратов за счет несимметричного уменьшения площади лобовой поверхности (или площади миделе-вого сечения аппарата) по одному из ее краев. Это тем более целесообразно, поскольку ведет к уменьшению объема, который весьма трудно использовать

при размещении грузов в реальном аппарате сегментально-конической или конической формы.

Если указанное несимметричное уменьшение площади сечения миделя аппарата совмещать с перемещением центра масс, то вполне реально получение значения аэродинамического качества, близкого к максимальному. Так, например, если на аппарате сегментально-конической формы типа „Аполлон" произвести уменьшение площади миделя на 3,7% и сместить центр масс с оси аппарата на 4% его диаметра, то аппарат при центровке хц м = хи м/£) =0,269 будет балансироваться на угле атаки а = 32°. пои котором аэродинамическое качество К ~ 0,5. '

Понятие „несимметричного уменьшения* площади миделя является условным и употреблялось только с целью более наглядного представления изменения исходного прототипа летательного аппарата и изменения модели, которые были произведены при экспериментальных исследованиях. При проектировании нового аппарата этот эффект реализуется за счет того, что одна половина сечения миделя сохраняет исходную форму полукруга, а другая выполняется круговой, эллиптической или овальной, но с малой осью, расположенной в плоскости угла атаки. При этом часть миделя, изменяющая исходную форму полукруга, должна быть по площади меньше другой. Однако суммарная площадь миделя при проектировании аппарата может быть выбрана желаемой величины и, в частности, равной площади симметричного миделя исходного прототипа.

Следует иметь в виду, что Эллиптическая, овальная или иная форма, у которой наибольшим образом сокращается площадь на максимальном расстоянии от оси, будет наиболее эффективно создавать балансировочный угол атаки. Этому же будет способствовать и скругление рассматриваемого участка контура (см. фиг. 1). . ,

ЛИТЕРАТУРА

1. Петров К. П., С т о л я р о в Е. П., Л е у т и н П. Г., Ж и р-ников Б. Л., Кожевникова Г. Л. Аэродинамические характеристики тел вращения малого удлинения. Обзор ОНТИ ЦАГИ, № 371, 1972.

2. Артонкин В. Г., Петров К. П. Исследования аэродинамических характеристик сегментально-конических тел. Труды ЦАГИ, вып. 1361, 1971.

3. Артонкин В. Г., Петров К. П. Влияние скруглення кормовой части конуса на его аэродинамические характеристики. „Ученые записки ЦАГИ“, т. II, „\1° 4, 1971

4. Dearing Т. P. Laminar heai-transfer distributions for a blunted-cone, cone-frustem reentry configuration at Mach 10. NASA TN-D-5146, 1969.

5. Персер Пол E., Фейджет Максим А., Смит Норман Ф. Пилотируемые космические корабли, М., .Машиностроение”, 1968.

Рукопись поступила 3jX 1972