Я помню, как задавался этим вопросом, когда слишком много играл в Kerbal Space Program и настолько увлекся, что установил полностью реалистичную версию игры.
Принятый ответ относительно аэробрейкинга довольно хорош и охватывает основы, но есть еще кое-что, о чем я могу рассказать, и мне бы хотелось это сделать. Утверждение этого ответа о том, что технология еще не существует, верно, но на горизонте также есть некоторые действительно интересные технологии, и в этом ответе будут кратко изложены некоторые методы, которые вам понадобятся для выполнения некоторых вещей, которые вы хотите.
Контекст. Что такое полет на большой высоте?
В широком смысле вход в атмосферу и выход из нее — это синоним полета через нее на любой желаемой высоте и высоте. Итак, давайте определимся с некоторыми терминами.
Во-первых, это скорость звука в воздухе, называемая Махом. Обычно около 330 м/с, но зависит от температуры и давления. 1 Маха означает полет со скоростью звука.
При полете со скоростью звука поведение воздуха меняется, и это приводит к его первому сжатию. При сжатии он нагревается. Если бы тепло коснулось поверхности корабля, оно могло бы расплавиться. Космические корабли при входе в атмосферу специально строятся (не совсем так, но достаточно близко) НЕ для полета. Они не рассекают воздух, как самолет, они делают это с очень неаэродинамической поверхностью, которая создает ударную волну, отводящую тепло от корабля. Поэтому на данный момент все повторные входы не считаются полностью контролируемыми (опять же, не совсем верно, но пока достаточно хорошо). Даже космический шаттл входит не как самолет, он входит под углом 40 градусов к направлению полета, пока не замедлится достаточно безопасно для полета. Самый быстрый летающий самолет (SR-71 Blackbird) развивал скорость всего лишь 2 Маха, и его нужно было сконструировать так, чтобы из него вытекало топливо на землю, чтобы обеспечить тепловое расширение, вызванное полетом на высокой скорости.
Орбитальная скорость составляет около 25 Маха, что намного превышает 2 Маха. Достигнув ее в атмосфере, вы перестанете летать и начнете подниматься, потому что вы на самом деле находитесь на орбите. Хорошая новость от космической программы Кербала заключается в том, что если бы вы могли полететь на орбиту внутри атмосферы (Кербин, планета земного типа в KSP, имеет скорость убегания только 8 Маха, так что это легко выполнимо), вы можете выйти на орбиту. с смехотворно малым количеством топлива. Вероятно, это наиболее экономичный способ добраться туда, и он, вероятно, сработает и на Земле, но предстоит решить множество проблем, к которым я вернусь позже.
Однако сначала мне следует поговорить об атмосфере, потому что это тоже важно. Во-первых, атмосфера самая плотная у поверхности, но плотность атмосферы падает экспоненциально по мере удаления от Земли. Это и хорошо, и плохо.
Это плохо, потому что меньше атмосферы означает меньшую подъемную силу и меньше воздуха для использования двигателями. Это устанавливает высокий потолок того, что безопасно для полетов самолетов. Высота для реактивных двигателей, о которой следует помнить, составляет около 26 км. После этого воздуха уже не хватит, чтобы продолжать полет.
Однако хорошо то, что меньше воздуха, вызывающего сопротивление и нагревающий эффект. Поднимитесь достаточно высоко в атмосферу, и вы сможете двигаться быстрее. Двигайтесь быстрее, и вы сможете забирать больше воздуха для использования в своих двигателях, сохраняя при этом эффективную плотность достаточно высокой для полета. Мы пока не можем этого сделать, но это можно сделать.
Поскольку плотность воздуха падает по экспоненте, трудно сказать, где заканчивается атмосфера. Международная космическая станция технически находится на орбите внутри атмосферы Земли, но на самом деле она не предназначена для большинства практических целей. Число, о котором следует думать для большинства целей, похоже, составляет 100 км.
Переосмысление проблемы
Итак, ваш вопрос почти идентичен: как заставить самолет летать со скоростью от 2 до 25 Маха на высоте 26 км или выше?
Что ж, ответ таков: мы не можем, но мы над этим работаем.
Реактивные двигатели и не только
Реактивные двигатели работают по единому принципу: воздух ускоряется, когда он сжимается ниже 1 Маха, а затем ускоряется при расширении, в результате чего скорость реактивного двигателя превышает 1 Маха. Это различное поведение ниже и выше линии Маха является причиной того, что реактивный двигатель двигатель работать. Реактивные двигатели делают это, всасывая воздух, сжимая его, а затем нагревая и выбрасывая обратно.
Теоретически можно подумать, что реактивный двигатель перестает работать на скорости выше 1 Маха, но вы ошибаетесь. Воздух замедляется при попадании в двигатель, сжимаясь и нагреваясь. Эффект становится настолько выраженным, что при разгоне до высоких скоростей турбинная часть реактивного двигателя становится ненужной. Воздух в любом случае засасывается и нагревается, вам просто нужно добавить топливо и дать ему сгореть.
Этот тип двигателя называется прямоточным воздушно-реактивным двигателем, и мы вроде как построили его, потому что двигатели SR-71 действительно работали именно так, после определенной скорости. По сути, вы включаете форсажные камеры, и двигатель работает, а турбины действуют как тормоз.
Это работает настолько хорошо, что возникает реальная проблема. Двигатель перегревается из-за воздуха, поступающего со скоростью выше определенной, и двигатель взрывается. Это плохо. Однако британская команда, пытаясь разработать гибридный ракетно-реактивный двигатель под названием SABRE, решила эту проблему и может переохладить воздух и переработать тепло в топливо, позволяя реактивным двигателям развивать теоретическую скорость 4/5 Маха. . (Суперкулер существует, движок еще нет, но финансирование одобрено, поищите в Reaction Engines, потому что это круто.)
При скорости выше 4/5 Маха что-то происходит с входящим воздухом. Воздух перестает замедляться настолько, что течет ниже скорости звука, и вместо этого весь воздушный поток становится быстрее скорости звука. Мы переходим от ПВРД к ГПВРД.
ГПВРД работают на основе того факта, что поступающий воздух сжимается и нагревается, как в ПВРД, поэтому добавление топлива заставляет его больше расширяться и создавать большую тягу. Он не так эффективен, как прямоточный воздушно-реактивный двигатель, но достаточно хорош и превосходит ракетный двигатель, пока теоретически не достигнет 10 Маха.
Исследования в области ГПВРД продолжаются. Из известных существующих ГПВРД НАСА и военные США построили один. Из-за характера исследования оно носит военный характер, и поэтому никто не знает, что произошло и было ли оно успешным. Кроме того, в Интернете известно, что у китайцев его нет и тесты в последнее время не проводились (так что не спрашивайте, ладно?). Судя по всему, они демонстрируют скорость в 6 Маха и что такая технология возможна, хотя остается только догадываться, почему ее не используют для изготовления дешевых межконтинентальных баллистических ракет.
Наконец, стоит упомянуть ракетные двигатели, которые несут собственную реактивную массу, поэтому ее не нужно захватывать из атмосферы. Они работают (приблизительно) одинаково хорошо, где бы они ни использовались (хотя чем больше у вас атмосферы, тем хуже толчок назад).
Летать высоко
Итак, самая большая проблема при быстром полете — это тепло, а также динамическое давление. Динамическое давление – это то, что воздух оказывает на самолет, проходя через него. Число, которое следует держать в голове, и именно поэтому система запуска космического корабля «Шаттл» фактически дросселируется во время запуска, составляет 70 000 кПа. Более того, вы получаете такие приятные вещи, как аэродинамический отказ (так вежливо KSP обозначает оторванные крылья). Это плохо.
Вы можете получить это, используя очень простую физику, используя аргумент о передаче импульса (который я предлагаю вам либо сделать, либо поискать), и вы заметите, что это связано с плотностью, поэтому быстрый полет в верхних слоях атмосферы не является такой уж большой проблемой ( хотя вы действительно нагреваетесь, потому что там он выше скорости звука).
В нижних слоях атмосферы все невероятно плохо, и полет на скорости около 1 Маха близко к земле в KSP дал мне 40 000 кПа у земли (и отрывающиеся крылья, я уже упоминал отрывающиеся крылья?). Выше скорость 4/5 Маха не была проблемой.
Чем быстрее вы летите, тем больше тепла вы выделяете и тем быстрее вам нужно лететь, чтобы поддерживать давление воздуха в двигателях. На данный момент тепловыделение внутри двигателей намного превосходит возможности двигателей справиться с ними. Поскольку эта проблема решается, после этого, похоже, что нагрев планера является следующей проблемой (4-6 Маха), и обе они ограничивают скорость, с которой вы можете лететь, а также высоту (поскольку вы не можете летать достаточно быстро чтобы в двигатели попало достаточно воздуха, чтобы подняться выше).
По этой причине концепт Skylon, основанный на гибридном двигателе Reaction Engines SABRE, пролетает до 26 км со скоростью 4/5 Маха и после этого летит как ракета.
За пределами 6 Маха. Я не думаю, что кто-то действительно знает, что происходит с воздушным потоком. Кроме НАСА. Они достигают таких скоростей при запусках. Но происходят некоторые странные вещи, например, когда сталкиваются границы сверхзвукового воздуха (это приводит к тому, что выхлоп ракеты, который похож на струю сверхбыстрого воздуха, выходящего за ракетой, расширяется, потому что он взаимодействует с ударным конусом воздуха из нос ракеты). В технико-экономическом обосновании Skylon единственная проблема, которую НАСА обнаружила в конструкции, заключалась в том, что с двигателями в середине корабля шлейфы ракеты могли расширяться и поджаривать хвост самолета на скорости, превышающей 12 Маха, хотя и на небольшой скорости. небольшая перестановка положения двигателя могла бы помочь Skylon преодолеть это, но с худшим контролем.
Итак, что касается самолетов, которые находятся в разработке в ближайшем будущем, конструкция Skylon представляет собой управляемый полет на высоте ниже 26 км, но со скоростью 4/5 Маха, и полет на ракете за ее пределами, что является улучшением всего, что существует. Тем не менее, предлагаемый SR-72 также должен быть оснащен ГПВРД, и никто не знает, каковы будут его характеристики (и будет ли он построен), но если он действительно будет работать и летать (помните, что ГПВРД требуется минимум около 4 Маха, чтобы работы), это будет самый быстрый и высокий самолет из когда-либо существовавших.
Также стоит упомянуть самолет Virgin Galactic, в котором используется двухступенчатая система: дешевый коммерческий полет до потолка, а затем уже ракетный компонент. Поскольку система является двухступенчатой, соображения веса при наличии двух систем двигателей не имеют значения (соображения веса означают, что перевозка двух двигателей в большинстве случаев крайне неэкономична).
Повторный вход
Хорошо, возможно, это личное мнение из-за слишком большого количества игры в KSP, но мы неправильно делаем повторный вход. Итак, я написал, что взлететь в более высокие слои атмосферы вполне нормально и, ну, мне кажется, это работает - если у меня есть топливо.
Я упоминал, что во всех нынешних повторных входах в атмосферу используется ударно-ударная система. Это приводит к тому, что волна теплового сжатия со сверхвысокими скоростями Маха не касается самолета. Это не дает самолету расплавиться и, что еще хуже, взорваться.
Причина, по которой это делается, заключается в том, что доставить топливо в космос очень сложно, поэтому большинство космических кораблей приземляются без топлива на борту. Это означает, что все они по сути являются планерами.
Если у вас есть технологии для продвинутых космических полетов (которые мы предполагаем в этом разделе), вам действительно не стоит этим заниматься. На самом деле, совершить переход в полете или даже использовать множество воздушных тормозов (которые опять-таки космические корабли не могут нести из-за веса) очень легко. Я спроектировал в KSP множество космических самолетов, которые делали именно это, и даже сумел сделать это с прототипом Скайлона в режиме суперреализма, когда он не совсем достиг орбитальной скорости, но был близок к этому (я никогда не выходил на орбиту на режим суперреализма с космическим самолетом, мне всегда не хватало числа Маха или двух, делайте из этого что хотите).
Я предполагаю, что реалистичный способ на данный момент делается исключительно из соображений веса и что ударный метод является самым безопасным и лучшим. скользящий метод, который можно использовать, когда на счету каждый килограмм (как это происходит с ракетами). (Мне никогда не удавалось безопасно совершить планирующий вход в атмосферу даже на щадящем аналоге Земли-Кербина, который не подвергался ударному удару, и они должны быть крутыми, чтобы не отскакивать от атмосферы на начальных этапах.)
Если у вас осталась тяга при входе в атмосферу (желательно ракетное топливо, которому не нужна атмосфера для создания тяги) и некоторый размах крыла, вы можете легко пропустить внешнюю поверхность атмосферы, осторожно снижая скорость до тех пор, пока вы попадаете в безопасные режимы полета для входа в нижние слои атмосферы (я часто делал это, когда пропустил космический центр при входе в атмосферу). Однако, возможно, вы захотите отнестись к этому разделу с немного большим скептицизмом, чем к остальным.
Форма вещей — Дизайн самолетов
Если вы занимаетесь проектированием самолетов, также известно, что конструкции самолетов различаются в зависимости от того, на какой скорости самолет предназначен для полета (режим полета).
Если вы видите планер, это оптимальная форма для полета на малой скорости. Подойдут большие, широкие прямые крылья и тело, хотя бы отдаленно аэродинамическое.
Коммерческие самолеты — хорошая конструкция для самолетов, летающих со скоростью менее 1 Маха, но близкой к ней. Они включают в себя большие, слегка наклоненные и слегка стреловидные назад крылья.
Сверхзвуковые самолеты должны иметь очень стреловидный профиль для рассеивания тепла и давления во время сверхзвукового полета, а также быть очень гладкими.
Гиперзвуковые самолеты любят выглядеть как ракеты, более или менее, с очень небольшим количеством крыльев, и они настолько сдвинуты назад, чтобы избежать проблем с нагревом и давлением, а корпус также чрезвычайно гладкий и баллистический.
Проблема с проектированием космических самолетов заключается в том, что вам нужно спроектировать самолет, который может взлетать и приземляться (то есть летать очень медленно и на малой высоте), летать на сверхзвуковых скоростях и действовать как ракета.
«Конкорд» был примером того, как летать на малых и сверхзвуковых скоростях, а его конструкция была настолько плохой для полета на малых высотах, что, если бы не трюк с треугольными крыльями, этот аппарат никогда бы не смог приземлиться в коммерческом аэропорту (этот объясняет его огромные передние стойки шасси).
На самом деле большинству военных сверхзвуковых самолетов требуются более длинные взлетно-посадочные полосы для взлета и посадки, чтобы самолет мог набрать скорость перед взлетом и использовать парашюты для торможения.
Конструкция Skylon, например, настолько плоха в полете, что ему нужна взлетно-посадочная полоса длиной 3 км и система водяного охлаждения для торможения в случае прерывания, вот насколько быстро он будет двигаться по земле и насколько плох в полете. на низких скоростях.
Таким образом, полет в атмосферу и полет обратно на самом деле проще, чем проектирование самолета для использования в любой атмосфере, поскольку вам не нужно беспокоиться о неприятных проблемах с подъемной силой при посадке/взлете, и вы можете сохранить профиль очень маленьких и стреловидных крыльев, идеальных для полета на высоких скоростях. Или вы можете использовать самоподнимающееся тело, как это сделало НАСА для испытания Scramject.
Заключение
Мы не можем многое из этого сделать, но мы над этим работаем. Это увлекательно и так проверять жизнь на предмет прогресса...
![[Яков Осипенков] Ответы на экзамен «Оценка эффективности объявлений » (2020)](/assets/images/icons/forum2.png){kind=icon}
