Летные испытания гиперзвукового самолета - это дорого и сложно. Но есть способы в разумных пределах упростить эту задачу, примером чему служит летный эксперимент HiFire-IV, выполненный в составе международной исследовательской программы HiFire (Источник - материалы конференции AIAA).
HiFire-IV - планер, построенный по типичной для гиперзвука аэродинамической схеме "бесхвостка" с низкорасположенным треугольным крылом сверхмалого удлинения.
Устойчивость в канале рысканья достигается шайбами, установленными на законцовках консолей крыла. Эти шайбы также частично запирают отходящую от передних кромок ударную волну и предотвращают перетекание воздуха на верхнюю поверхность крыла, увеличивая этим аэродинамическое качество.
Корпус глайдера - полуцилиндр с конический заостренным носовым отсеком. Управление в каналах тангажа и крена выполняется элевонами, установленными на задней кромке крыла. Элевоны приводятся в движение линейными электрическими рулевыми машинами (развиваемый момент - до 200 Н * м).
Готовый к полету глайдер весит 92 кг, из которых на долю конструкции приходится 74.4 кг.
Конструкции HiFire-IV интересна следующими особенностями:
Использование доступных и удобных в обработке сплавов меди (C110000) для носка и передней кромки крыла и алюминия (6061-T6) для всей остальной конструкции вместо дорогих и капризных титановых сплавов, жаропрочных сталей или углерод-углеродных композитов.
Такой выбор обусловлен малой продолжительностью пика тепловых воздействий на глайдер, а поскольку аппарат экспериментальный, и от него не требуется высокое массовое совершенство конструкции, то можно изготовить элементы планера с избыточными толщинами, чтобы тепло аэродинамического нагрева рассеивалось, и температуры не превышали предельно допустимых. Запас толщины (>=5 мм) стенок конструкции компенсирует потерю прочности материала при нагреве.
Медь использовалась на передних кромках крыла и носке из-за своей теплопроводности и большей жаропрочности. Это позволило сделать передние кромки крыла рекордно острыми - радиус скругления составляет всего 1 мм.
Корпус глайдера фрезерован из алюминиевой болванки. Это значит, что не нужно штамповать и вытягивать из заготовок шпангоуты, стрингеры и панели обшивки, сваривать, склеивать и клепать друг с другом.
Количество элементов планера уменьшилось с сотен до пары десятков - корпусной детали, медных накладок на наиболее теплонагруженные участки, отклоняемых элевонов и панелей, закрывающих отсеки с бортовой аппаратурой. Сильно упрощается, удешевляется и ускоряется сборка. При таком подходе массовое совершенство ухудшается, но это не важно для летающей лаборатории.
Бортовая радиоэлектроника HiFire-IV максимально следует принципу Commercial Off-The-Shelf - морально устаревшая, но надежная и отработанная инерциальная навигационная система DMARS R, связанная с БЦВК, который построен из 5 стандартных плат IBM PCi/104 DSP. Для питания бортовой электроники и электрических рулевых машин используется батарея из 4 стандартных Li-ионных аккумуляторов формата IEC R20, создающих ток силой 6А и напряжением 28В.
Полезная нагрузка глайдера HiFire-IV - тензодатчики и термопары, установленные как на обшивке, так и во внутренних объемах фюзеляжа. Информация о параметрах набегающего потока собирается с помощью трубки Пито.
К кормовому срезу глайдера присоединен агрегатный отсек с газореактивной системой ориентации на сжатом азоте (подается из установленного в фюзеляже баллона акваланга Luxford).
Чтобы доставить экспериментальные глайдеры в верхние слои атмосферы, используется переоснащенная метеорологическая ракета VSB-30 (сделано в Бразилии). Хвостовой и соединительные отсеки - с пластинчатыми стабилизаторами.(еще немного про VSB-30, интересное)
Носитель - двухступенчатый, все ступени работают до полного выгорания топлива. Запуск осуществляется с рельсовой направляющей, в полете экспериментальный носитель стабилизуется вращением за счет ненулевого угла установки стабилизаторов. Форма траектории определяется пусковым углом и баллистическими паузами между ступенями носителя.
Экспериментальная ракета несет сразу два глайдера, отличающиеся схемой действия на конечном участке полета. Оба глайдера после входа в атмосферу совершают маневр с большим углом атаки, чтобы перейти от баллистического спуска к планированию. Первый глайдер продолжает управляемый спуск. Второй глайдер продолжает маневр в канале тангажа, переходит к равновесному планированию и продолжает полет до полного расходования кинетической энергии.
"Двухголовая" схема позволяет уменьшить количество пусков в программе испытаний, собрать в одном запуске больше информации и хотя бы частично выполнить летный эксперимент при отказе одного из глайдеров.
Чтобы полезная нагрузка такой сложной формы (два глайдера одновременно) не влияла на устойчивость и управляемость носителя, на участке выведения ее закрывает надкалиберный носовой обтекатель, отделяемый на верхнеатмосферном участке спустя 20 секунд после выключения ДУ второй ступени.
Летный эксперимент HiFire-IV начинается спустя 530 с после старта на высоте 87.9 км, в это время глайдеры спускаются по навесной (угол к местному горизонту -70.23 градуса) траектории. Скорость достигает 2.17 км/с (число Маха ~ 7). Маневр, выполняемый на пассивном участке траектории с помощью газовых рулей, обеспечивает вход глайдеров в атмосферу с углом атаки 25 град.
Летный эксперимент с первым глайдером длится 28 секунд. За это время оба глайдера увеличивают угол снижения с -70 до -50 градусов. Затем первый глайдер падает, а второй - совершает интенсивный маневр в канале тангажа для перехода к равновесному планированию () и продолжает полет.
Время после начала летного эксперимента, с |
Число Маха |
0 |
~ 7.1 |
40 |
~ 5 |
60 |
~ 3 |
200 |
~ 2.1 |
400 |
~ 0.9 |
Летный эксперимент прошел 30 июня 2017 года в Австралии на полигоне Вумера, и хотя официально он был объявлен успешным, но найти в открытых источниках данные об обработке телеметрии и сделанных выводах пока не удается, и, судя по участию в эксперименте US AFRL и Defence Science Technology Group, пока не удастся.
Доступный в открытых источниках ролик позволяет порадоваться за группу управления пуском и полюбоваться зрелищем экспериментального носителя, срывающегося с рельсовой направляющейся куда-то вверх, но из него совершенно не ясно, что же произошло с птичками после старта.
Выводы.
Технологический демонстратор - это не уменьшенная копия штатного образца
Каждый летный эксперимент должен включать в себя только те аспекты штатного образца ЛА, которые в этом эксперименте нужно воспроизвести
Повсюду, где это можно - использовать коммерчески доступную электронику и вспомогательные системы
Материалы должны быть доступными, технологии изготовления - как можно более простыми
Жизнеспособность летного демонстратора должна соответствовать целям эксперимента. Можно позволить образцу сгореть или разбиться в щепки, если он уже передал всю необходимую телеметрию
Даже если цели научной работы официально озвучиваются мирными, как известный трактор, они вовсе не обязаны быть такими
Комментарии (29)
Paranoich
05.02.2023 18:11Устойчивость в канале рысканья достигается шайбами, установленными на законцовках консолей крыла
Поясните, пожалуйста, кто-нибудь из знающих. Подвижные шайбы? Читал, что на гиперзвуке аэродинамика работает не так, как на дозвуковых аэропланах. Как обеспечивается устойчивость и управление на скоростях больше нескольких махов?
the_stucky Автор
05.02.2023 18:21+2Шайбы фиксированные, каждая действует как дополнительный киль.
Насчет устойчивости и управляемости - цельноповоротные управляющие поверхности, увеличение площадей элевонов/рулей, поскольку поля давлений меняются только за скачком уплотнения (в отличие от дозвука, где отклонение руля высоты влияет на подъемную силу всей консоли оперения за счет распространения возмущений как с потоком, так и против потока).
Ну и другие профили - не классические "рыбообразные", а ромбовидные и клиновидные, часто с затупленной задней кромкой.
sshikov
05.02.2023 18:43+2Как-то потерялось в тексте — а в чем цели этой программы? Что они в итоге хотят построить?
victor_1212
05.02.2023 19:55скорей всего систему средней дальности на порядок дешевле существующих
sshikov
05.02.2023 20:20Ну, дешевле — это хотят все и всегда :) Я соглашусь, что это подозрительно похоже на «мирный трактор», если не на «комбайн», потому что мирное использование гиперзвука на сегодня как-то вообще не вырисовывается.
the_stucky Автор
05.02.2023 21:09Есть один прямо-таки напрашивающийся мирный вариант в виде многоразовой аэродинамической первой ступени с воздуходышащим движком.
У которого есть всеазимутальность, максимальное переиспользование аэродромной инфры, возможность аварийного приземления при отказе движков и еще много чего.
Причем не обязательно монструозный SSTO a-la Skylon, достаточно выпрыгнуть на 25 км со скоростью 1.5 - 1.7 км/с, остальное сделает каноничная ракета
sshikov
05.02.2023 21:44+1>есть всеазимутальность, максимальное переиспользование аэродромной инфры, возможность аварийного приземления при отказе движков и еще много чего.
Ну, я бы не сказал, что у него все это «есть». Скорее может быть.
>достаточно выпрыгнуть на 25 км со скоростью 1.5 — 1.7 км/с
И все это с движком, у которого окислитель атмосферный воздух? Не, ну мечтать конечно не вредно, а реально хоть у кого-то получилось? Даже SR-71, который может чуть выше 25 км, и скорость приличная — но и то, она всего 3.2М, а не 5М, как вы заказываете. И который поднять на 25 км сможет в лучшем случае себя да пару пилотов.
Ну то есть я к чему — что это пока скорее вариант мечты, чем что-то близкое к реальности. И выглядит он пока что ну очень дорого. Настолько дорого, что такие игрушки обычно позволяют себе только военные.the_stucky Автор
05.02.2023 22:28+3Тут лучше сравнивать не с SR-71, а с X-7, который с помощью ПВРД вполне мог достичь M ~ 4.7 на высоте до 32 км. А отделение второй ступени подразумевает, что основной разгон идет в коридоре 15-20 км (за подробностями - книги Бондарюка или Мазинга, там много интересного про ПВРД и более замысловатые рабочие схемы вроде ракетно-турбинного двигателя). Для любителей особенно изысканных удовольствий - движки с циклом охлаждения воздуха.
Еще надо учесть, что "черный дрозд" поднимал не только себя и пару пилотов, но также запас топлива на 2000 км и 1.6 тонны разведывательного оборудования.
Теперь насчет самолета-разгонщика. Пилот не нужен. Соответственно, не нужна ни СЖО, ни оборудование кабины пилота, ни системы спасения. А дальность полета ограничена дальностью возвращения после прыжка в стратосферу.
Если просуммировать, то вариант получается сложный (ПВРД нужно вывести на скорость включения, а это подразумевает комбинированную силовую установку), но у него есть потенциал.
sshikov
05.02.2023 22:36Еще надо учесть, что «черный дрозд» поднимал не только себя и пару пилотов, но также запас топлива на 2000 км и 1.6 тонны разведывательного оборудования.
Согласен, я тут утрирую конечно и упрощаю. Понятно что дальность у него была приличная, и если использовать его как средство выведения — наверное можно было бы что-то километров на 30 вытащить, вполне крупное. То есть, понятно что в принципе такие вещи делались, но пока что они все достаточно уникальные и экспериментальные.
DGN
05.02.2023 22:58А для чего такие сложности? Вместо первой ступени ракеты-носителя, делать двухрежимную аэродинамическую схему? Просто чтобы иметь бесплатный окислитель?
the_stucky Автор
05.02.2023 23:10+1Проблема ракетодинамической схемы - ограниченный боковой маневр и необходимость расходовать горючку для посадки. Маск компенсирует эту проблему подвижной баржей для возврата ступени, но то если точка приземления находится в океане.
Ни для КапЯра, ни для Плесецка, ни для Восточного это не опция. Еще аэродинамический маневр разруливает кейсы, когда основной аэродром не может принять ступень, и нужно идти на запасную точку приземления.
Ну и такие плюшки, как посадка после отказа движка или перегон между аэродромами и базами технического обслуживания на собственной тяге
DGN
06.02.2023 04:52+1Ну все расходуют горючку для посадки, даже гиперпланер. Ступени Фалкона давно садятся на пяточок размера вертолетной площадки. Посадка после отказа движка у Фалкона без проблем, там избыточность. Я не вижу гиперсхему иначе как для туристов.
Собственно, зачем аэродинамика? Только чтобы летать далеко и долго. А тут надо быстро, крылья банально мешают. А самолетный взлет накладывает ограничение на ракету.
the_stucky Автор
06.02.2023 20:12Шаттл, Буран, X-37 и БОРы приземлялись в полностью аэродинамическом режиме, если что. При аварийном приземлении - сброс топлива (на Скайлоне проработано, кстати), так что появляется новое качество - сохранение носителя при нештатной ситуации на участке выведения
Насчет Фалькона - там наведение с двух сторон. Баржа тоже оснащена системой точного позиционирования
victor_1212
05.02.2023 23:11+1> "черный дрозд" поднимал не только себя и пару пилотов, но также запас топлива на 2000 км
2000 миль, но во-первых его часто дозаправляли после набора высоты, а во вторых все равно точно никто не знает (как и мах скорость), но летал далеко даже без дозаправки, рекорд типа LA to Washington DC за 1 час 4 мин, дозаправка после взлета, и еще одна перед посадкой, после замера скорости, примерно 4300 km
the_stucky Автор
06.02.2023 00:47Благодарю, путаница между метрической и имперской системой координат - это ну такое
victor_1212
05.02.2023 21:26хотят конечно, но не всегда приоритет, в AU есть такая потребность + трубы хорошие + удобный полигон, финансирование 50/50 US/AU, примерно так
ps
обнаружил Ваши статьи про 360 и пр. сейчас читаю с интересом
sshikov
05.02.2023 21:46Статьи про 360? Даже не соображу, о чем это… Это точно про меня а не про автора?
victor_1212
05.02.2023 23:00+1"Как выглядела разработка… ну скажем, в 80-х годах прошлого века"
уже прочитал, собственно зацепился глазками за CMS, и историю разделения времени, типа ожидал упоминание про конкурс, project MAC, и историю 7094
sshikov
06.02.2023 19:05+1Черт, я все время забываю, что и старые тексты тоже кто-то читает )
Я никогда не звал ее S/360, а скорее всегда VM/SP…victor_1212
07.02.2023 00:37вышло случайно, типа привычка смотреть с кем именно общаешься, на 360/370 не работал, на as400 слегка, но про историю IBM знаю достаточно по другим причинам, в том числе по возрасту положено много знать, 50+ лет в программировании (все вокруг сетей), вероятно слегка постарше Вас :)
sshikov
07.02.2023 19:10Ну я чисто формально программирую с 1975, с первого курса института. Да, где-то лет на 5 разницы наверное или чуть больше.
Dynasaur
05.02.2023 23:12Самые сложные компоненты гиперзвука - гиперзвуковой двигатель и связь с Землёй остались за бортом этого проекта. По факту лишь заброс
боеголовкипланера ракетой и самоуправляемое планирование с инерциальным наведением. Так что да, заголовок справедлив.the_stucky Автор
06.02.2023 00:43+1Двигатель определяется задачей, которую решает птичка. Если это одноразовый глайдер с задачей донести X кг бабаха к цели - сойдет и РДТТ. Кроме того, аппараты HiFire-2 и HiFire-7 решат именно вопросы воздушно-реактивного движка, но т.к слоника надо есть по частям, то в этот обзор я их включать не стал.
vassabi
космические испытания здорового человека
по сути - это "окно в космос" для любой страны, в которой есть хотя бы один технологический\инженерный ВУЗ и в которой есть свои энтузиасты космоса
(в отличии от распильщиков, которые точно есть везде :) )
the_stucky Автор
Да, потому и решил написать об этом программе испытаний. Это хороший пример того, как искать технические и организационные компромиссы между информативностью и стоимостью летных испытаний
victor_1212
спасибо, полезная статья, небольшое дополнение - на самом деле этому проекту лет 15, всего предусмотрено 9 этапов (HiFire0-8) на последнем уже с двигателем, boeing один из главных участников, так что проект далеко не студенческого уровня
the_stucky Автор
Да, я знаю. Какие-то из этих экспериментов действительно сложные и в них задействовано очень хитрое оборудование (как HiFire-2 c газоанализатором для исследования процессов горения в прямоточке на лету), но какие-то поражают своей лаконичностью (вроде HiFire-5)