Space Shuttle Maxa Fageta

[Air Q]

Do rozpoczęcia tego wątku skłonił mnie artykuł, który niedawno przeczytałem tutaj: http://www.thespacereview.com/article/1880/1

W skrócie. Zwraca on uwagę na aerodynamicznie odmienne konstrukcje wahadłowców. Z pewnością po przejrzeniu artykułu uwagę zwracają te słowa:

A space plane with huge lifting surfaces and a very low wing loading might not require any external thermal insulation at all.

Nie wiem czy w praktyce "at all" by się sprawdziło, jednak myślę, że interesująca jest proponowana przez Maxa Fageta konstrukcja wahadłowca.

Max Faget pracował przy opracowaniu kapsuł Merkury, Gemini i Apollo. W 1972 zaproponował konstrukcję wahadłowca w której orbiter posiadał skrzydła proste. Wraz z nosicielem całość miała wyglądać mniej więcej tak:


Pomijam kwestię nosiciela i chce skupić się na samym orbiterze. Jakie są zalety takiego układu aerodynamicznego i dlaczego ostatecznie postanowiono zastosować skrzydła typu delta?

Zalety koncepcji Fageta
-Skrzydła proste zapewniają niską i bezpieczną prędkość podejścia do lądowania. Natomiast w przypadku skrzydeł typu delta pojazd leci i opada bardzo szybko. Dopiero w końcowej fazie załoga zwiększa kąt natarcia i tym samym opór aerodynamiczny redukując prędkość lądowania do bezpiecznej wartość. Jednak jest to sposób nieco ryzykowny sposób. Myślę, że lądowanie STS-37 przed pasem w Edwards to dobry przykład!
-Faget chciał aby podczas wejścia w atmosferę orbiter wykorzystywał maksymalnie opór stawiany przez dolną powierzchnię wahadłowca. Wejście w atmosferę miało być realizowane przy dużo większym nachyleniu niż obecne wahadłowce. W istocie orbiter miał w tej fazie lotu przypominać bardzie kapsułę niż uskrzydlony pojazd. Jednak tym sposobem nagrzewanie aerodynamiczne miało być krótsze.
-Dla jednych była to zaleta, inne osoby widziały wadę. Podczas lotu z prędkością naddźwiękową położenie siły aerodynamicznej na skrzydle przesuwa się do tyłu. Aby temu zaradzić należy albo zmienić położenie środka ciężkości np: przepompowywanie paliwa - Concorde, lub odpowiednie trymowanie poprzez jakąś klapę wyważającą - współczesny Wahadłowiec i body flap. Fageta uważał, że ten problem nie dotyczył jego konstrukcji. Miał po prostu nie latać z prędkościami naddźwiękowymi. Jednak sam lot naddźwiękowy był bezpieczniejszy przy skrzydłach typu delta.
-Jeśli porównamy orbiter o skrzydłach prostych i typu delta to widać wyraźnie, że ten drugi wymaga zastosowania dużo większej ilości materiałów na osłonę termiczną. To przekłada się na masę i koszty.


Wady koncepcji Fageta
-orbiter miał być ustawiony osłoną aerodynamiczną do kierunku loty aż do wysokości około 12km, potem pojazd miał wejść w krótkie nurkowanie tracąc około 3km. Niektórym osobom takie przejście do lotu nurkowego nie bardzo się podobało.
-największą wadą pomysłu Fageta był niski crossrange...właściwie pogrzebał cały pomysł. W przypadku startów z Vandenberg na orbitę biegunową po 90min (jeden obieg) Ziemia przesunie się pod orbitą pojazdu o około 1100mil. Dla misji wojskowych trwających jedną orbitę konieczne było pokonanie tych 1100mil aby bezpiecznie wylądować. Z kolei NASA chciała aby wahadłowiec mógł wylądować bezpiecznie po jednej orbicie na wypadek gdyby pojawiła sie jakaś sytuacja awaryjna. Jednak w przypadku startów z KSC sytuacja wygląda inaczej. Ziemia obraca się z zachodu na wschód więc w tym przypadku można hipotetycznie wykorzystać lotniska gdzieś w USA. Inna sprawa, ze niższe inklinacje zmniejszają crossrange. NASA wymagała tylko 250-400milowy crossrange.

Podsumowując crossrange wymagany przez NASA po pewnych modyfikacjach (zdaję się, że planowano zastosować silniki odrzutowe) mógł być spełniony. Dla wojska konieczne było zastosowanie skrzydeł delta aby wydłużyć lot hipersoniczny. Widać więc jak tylko to jedno wymaganie co do militarnych zastosowań wahadłowca niekorzystnie wpłynęła na konstrukcję orbitera! Aby to sobie lepiej uzmysłowić warto popatrzeć na poniższy wykres pokazujący wyliczone nagrzewanie i czas jego trwania:

Widać wyraźnie, że koncepcja Fageta mogła zapewnić nie tylko krótsze nagrzewanie ale także mniejszą wartość maksymalnego nagrzewania.

Źródło: http://history.nasa.gov/SP-4221/ch5.htm

Może więc przyszłość wahadłowców należy do nietypowych konstrukcji, które w przeszłości z różnych powodów zostały odrzucone. Ciekawe czy jeśli powstanie Space Ship-3 to jak będzie wyglądał? Ostatecznie SS-2 i zastosowanie składanych skrzydeł też jest nietypowym, lecz bardzo skutecznym rozwiązaniem.




 

[kanarkusmaximus]

Dzięki za ten wątek AirQ - naprawdę ciekawy!

Ciekawi mnie to:

Jednak tym sposobem nagrzewanie aerodynamiczne miało być krótsze.

...czy krótsze znaczy też bardziej intensywne? Czy oznaczałoby to trudniejszą selekcję materiałów na TPS?

[jmvh]

...czy krótsze znaczy też bardziej intensywne? Czy oznaczałoby to trudniejszą selekcję materiałów na TPS?

Widać wyraźnie, że koncepcja Fageta mogła zapewnić nie tylko krótsze nagrzewanie ale także mniejszą wartość maksymalnego nagrzewania.

Hmm, a jak kształtowały się przeciążenia? Niestety, nie dane było mi jeszcze zagłębić się w samo źródło.

[Air Q]

...czy krótsze znaczy też bardziej intensywne? Czy oznaczałoby to trudniejszą selekcję materiałów na TPS?

No właśnie, że mniej...popatrz na wykresy. Podaje podpis tego obrazka:

Comparison of types of orbiter. The straight-wing design has low lift, L/D = 0.5. It achieves little crossrange, but its re-entry is brief and limits the heating rate. The delta-wing orbiter has high lift, L/D = 1.7, and achieves large crossrange. But its re-entry is prolonged and imposes both a high heating rate and a high total heat.

Hmm, a jak kształtowały się przeciążenia? Niestety, nie dane było mi jeszcze zagłębić się w samo źródło.

Znalazłem źródło mówiące, że nie więcej niż ~2g.

[kanarkusmaximus]

AirQ - rzeczywiście, wykres pokazuje zupełnie co innego niż bym się spodziewał. To sugeruje, że rzeczywiście może być "prostsze" zbudowanie promu / mini-promu o takim stosunku L/D z szerszym wyborem materiałów.

Tak dla porównania wikipedia podaje L/D dla kapsuły Apollo na 0,368. Ciekawe!

[MarekFloryda]

Tak dla porównania wikipedia podaje L/D dla kapsuły Apollo na 0,368. Ciekawe!

To pokazuje jak bardzo nasza przyzwyczajone do samolotów poddzwiekowych intuicja zawodzi przy predkosciach hiperdzwiekowych. Skrzydelka przy tych predkosciach są zbędne.

[jmvh]

Tak dla porównania wikipedia podaje L/D dla kapsuły Apollo na 0,368. Ciekawe!

To pokazuje jak bardzo nasza przyzwyczajone do samolotów poddzwiekowych intuicja zawodzi przy predkosciach hiperdzwiekowych. Skrzydelka przy tych predkosciach są zbędne.

To jeszcze zależy czyja intuicja. Intuicyjnie, pojazd schodzący z orbity ma gigantyczną ilość energii kinetycznej, którą podczas przelotu przez atmosferę traci. Aby tracił ją wolniej i dalej leciał trzeba zmniejszyć opór. Moja intuicja podpowiada mi więc coś w stylu bardzo smukłego stożka lecącego pod malutkim kątem natarcia. Bez skrzydełek. Intuicyjne.

[Trafiony]

Moja intuicja podpowiada mi więc coś w stylu bardzo smukłego stożka lecącego pod malutkim kątem natarcia. Bez skrzydełek. Intuicyjne.

Myślę że Cię intuicja zwiodła. Na pocieszenie powiem, że ta zmyłka jest absolutnie powszechna. 

[jmvh]

Moja intuicja podpowiada mi więc coś w stylu bardzo smukłego stożka lecącego pod malutkim kątem natarcia. Bez skrzydełek. Intuicyjne.

Myślę że Cię intuicja zwiodła. Na pocieszenie powiem, że ta zmyłka jest absolutnie powszechna. 

Intuicja zazwyczaj zawodzi w większym lub mniejszym stopniu. Sęk w tym, że każdy ma trochę inną, i zmyłka nie musi prowadzić do skrzydełek. Ale czy tym razem pomyliła się tak bardzo? W załączniku wizualizacja propozycji zabawki dla wojskowych (tych co wymagają crossrange). Jak nie jest to choć trochę zbliżone do stożka to jestem makakiem. I chcę banana.