Спуск с орбиты и теплозащита КА

Искал совершенно другой матриал, но походя наткунлся:

http://ocw.mit.edu/NR/rdonlyres/.../0/ried_arthrmdynmc.pdf

Это лекция по аэротермодинамике для студентов МИТ. Там полно в открытую всякого добра лежит:

Не шатлл, а буран, но по сути почти одно и то же:

Картинка течений, по резултатам продуыок http://www.buran-energia.net/documentation/boldyrev.pdf

Температура на поверхности: Buran Composition Heat shield - внизу страницы.

Откопал в закромах. Пара весьма интересных штрихов - к сожалению, не помню, откуда копировал. Возможно, это из В.Е.Миненко "История проектных разработок СА "Союз".

---

Другой этап, который затем нашел отражение в наших работах по "аэродинамическим СА", был расчет перегрузок при аварийных траекториях спуска СА "Восток", которые достигали n = 17 - 19, и возможных путях их снижения.

Эта работа поставила перед нами вопрос: "А что будет у нас на "фаре"? Расчеты показали, что при аэродинамическом качестве К=0,5-0,6 кратковременные перегрузки на аварийных траекториях (авария на 2-ой и 3-еи ступеней составляют n=10-12 (почти как при баллистическом спуске с орбиты).

Так как при спуске с орбиты СА типа "фара" балансировался на углах атаки а>15 соответствующих К> 0,25-0,3, встал вопрос о перебалансировке его на аварийных траекториях на углы атаки а >30, обеспечивающие К=0,5-0,6.

Были рассмотрены варианты перебалансировки с использованием откидывающегося щитка в нижней части СА, а также варианты со смещением центра масс за счет перемещения кресел космонавтов и перекачки рабочего тела системы реактивной стабилизации и управления по крену в дополнительные емкости в верхней части СА. Можно было бы пойти на штатный спуск СА с орбиты при а > 30, но это приводило к существенному увеличению веса теплозащиты верхней обдуваемой части СА. На аварийных траекториях более крутых и с меньшей скоростью входа в атмосферу, тепловые потоки были ниже и не требовали большую дополнительную теплозащиту в верхней части СА.

Как-то КП пришел к нам посмотреть наши разработки по "фаре" с перебалансировкой и спросил: "А нельзя ли придумать что-то такое оригинальное?" В результате была "придумана" асимметричная форма СА, у которой донная часть всегда была в "аэродинамической тени" на обоих балансировочных режимах.

Другой вопрос, который стоял перед нами: как обеспечить "выворачивание" СА при неориентированном входе в атмосферу, включая вход кормовой частью при а= 180 ".Для "шарика" "Востока" этот вопрос решался обеспечением передней центровки примерно в 0,1 его диаметра.

В нашем случае СА ("фара" с полусферой в кормовой части) центр давления при а =180" "ложился" на лобовое днище аппарата, за который "загнать" вперед центр масс принципиально невозможно.

Задачу "выворачивания" решал вариант с открывающимся щитком. Более интересным был вариант с оперением в кормовой части - тристабилизатора, которые при нормальном (ориентированном) спуске были в аэродинамической тени, а при углах атаки близких а >180" (а также на всех других) обеспечивали "выворачивание", СА в нормальное положение.

Кроме существенного снижения перегрузок, при спуске в атмосфере аэродинамическим качеством позволяли осуществлять маневрирование по дальности полета и боковому отклонению, за счет управления углом атаки и СА (аэродинамические или реактивные рули).

---

Вообще странно, что и в крайних проработках капсульных КА идея ассимметричного СА, спускающегося при больших углах атаки, никак не фигурирует - идея-то сравнительно прогрессивная, всё же позволяет снизить перегрузки на спуске.

Мультик о планирующемся экспериментальном европейском девайсе IXV, Intermediate eXperimental Vehicle (должен быть запущен в 2013 для отработки технологий спуска).

Аппарат - несущий корпус, дальний родственник раннего варианта "Клипера", посадка на парашюте. Аэродинамическое качество до 0,7, управление на спуске при помощи двух "ласт", и движков.

http://www.flightglobal.com/blogs/hyperbola/IXV statusW445.JPG [not image]

Презенташка, в к-й упоминается идеологически близкий, но несколько иной аппарат (вернее, несколько):

EXPERT - Re-entry Test-bed
EXPErimental Re-entry Test-bed (EXPERT): undertaken in 2003,
final development has been approved in 2008; launch planned in 2010
to gather reliable set of ATD re-entry data

It is what is called an "intermediate experimental" demonstrator that is used primarily to test hypersonic aerodynamics, hot structures and thermal protection.
Similarly, Expert is an in-flight aerothermodynamic research programme.
It is not meant to be a concept for a space transportation system or vehicle design.
Its function is to help scientists and engineers test and gather hypersonic data to use in their aerothermodynamics design tools.
The development of improved aerothermodynamics will be critical in future launcher and re-entry programmes.

 

А это уже испытанный европейцами существенно более простой демонстратор:
http://www.flightglobal.com/blogs/hyperbola/ESA ARD capsuleW445.jpg [not image]

This artist's impression shows ESA's 2,800kg (6,100lb), 2.8m (9.18ft)-diameter Atmospheric Reentry Demonstrator (ARD) capsule in orbit. With 200 onboard sensors ARD was launched on 21 October 1998 by an Ariane 5 into a 830km (515miles) apogee suborbital trajectory and splashed down in the Pacific ocean after its 100min flight

 

В зверинце недавно обсуждалась шаттловская посадочная "змейка". Утверждается вроде бы, что делает он её по тепловым соображениям, хотя я пока этот вопрос не уяснил, и на первый взгляд, по мне, как раз с тепловой точки зрения манёвр выглядит более чем странным. В общем, еще копать есть куда.

Вопрос - кто в курсе, делал ли (должен ли был делать) змейку "Буран"? На Буран.ру чёткого ответа не нашёл - в разделе об алгоритмах спуска и посадке собственно этап торможения в разреженных слоях описан достаточно скупо, в т.ч. профиля полёта нет (нет подробной схемы профиля, какая приводится для спуска шаттлов - с зависимостью о времени угла атаки, высоты, скорости, и др. - даётся лишь график зависимости угла атаки от М). Однако по косвенным признакам - вроде как не делает. По крайней мере, в мало-мальски явном виде соотв. манёвр не упоминается.

А если верить этой картинке:

то максимальные температуры на поверхности Бурана, грубо говоря, чуть не на 100 градусов ниже, чем на аналогичных участках шаттла.
И это при очччень близких массогабаритных характеристиках. Почему так?
У меня только два варианта: либо для Бурана картинка даётся для минимальной посадочной массы, а для шаттла - для максимальной (что, ИМХО, странно и сомнительно), либо разница как раз-таки из-за шаттловской змейки. Такое возникает подозрение.
Однако же суммарное время спуска от входа в атмосферу до посадки практически одинаково, порядка 30 минут... Но это суммарное - собственно время торможения сравнить труднее, по Бурану цифры не нашёл пока. Если бы для Бурана была картинка профиля вроде этой:

"При перекладке максимальная величина крена достигала 104° влево и 102° вправо".

Он что, "вверх тормашками" переворачивался?

Так. Значит, выяснилось пока, что в единственном полёте Бурана змейка-таки имела место. А вот была ли она непременным условием спуска? Делалась ли именно из тепловых соображений? (в смысле, "чисто тепловых", а не дальность/боковой манёвр + тепловые ограничения) Битым словом не говорится...
И разность температур на картинках - она что, из-за того, что температуры Бурана даны не для расчётного предельного случая, а для единственного полёта с недогрузом? Но из текста следует, что согласно датчикам, для полёта с недогрузом температурные условия были вообще курортными...

Наглядная картинка - параметры баллистического спуска, из книжки Гриффина и Ко "Space Vehicle Design" (Aiaa Education Series, 2004).

Там же говорится, что гиперзвуковое качество у каспсул "Джемини" было 0,2 и оно обеспечивало максимальную перегрузку 5g, что меня несколько удивило.

Кстати, интересно, что уже Оберт отмечал в своей книжке, что максимум перегрузок при баллистическом торможении не зависит от формы, миделя и массы аппарата, а постоянен для одного и того же угла входа в атмосферу, но достигается на разных высотах.

Оттуда же интересная картинка - предполагавшийся профиль спуска "Хотола" (лёгкий крылатый аппарат с малой нагрузкой на площадь).

Любуйтесь:


Подробнее именно о Shuttle re-entry (PDF)

Господа, вопрос довольно примитивный и возможно ламерский.

А не поможет ли запас теплоносителя для усиления эффективности теплозащиты?
Теплоноситель, допустим вода, может иметь значительно большую теплоёмкость, чем сами материалы теплозащиты.