Разработка модели грузового самолёта для запуска ракеты-носителя

Автор проекта: Царинных Андрей,

обучающийся МБОУ ДО ЦДО

«Аэрокосмическая школа имени

Героя Социалистического Труда Гупалова В.К.» города Красноярска

руководитель проекта: Очкин Алексей Васильевич,

педагог дополнительного образования

МБОУ ДО ЦДО

«Аэрокосмическая школа имени

Героя Социалистического Труда Гупалова В.К.» города Красноярска

«Разработка модели грузового самолёта для запуска ракеты-носителя»

исследовательско-конструкторский проект технической направленности

Самолёт-носитель – самолёт, несущий полезную нагрузку на борту.

Ракета-носитель – ракета, несущая на борту полезную нагрузку.

Неизбежное развитие ракетной техники приводит к поиску новых решений в доставке полезного груза на орбиту. Одним из главных вопросов полёта ракеты в атмосфере является участок прохождения ракетой плотных слоёв атмосферы.

Актуальность проекта заключается в разработки модели самолёта, который придаст первоначальный запас высоты и скорости ракете-носителю. Запас высоты подразумевает прохождение плотных слоёв атмосферы самолётом-носителем. Под полезную нагрузку предполагается одноступенчатая ракета сверхлёгкого класса.

В проекте «Разработка модели грузового самолёта для запуска ракеты-носителя» планируется отработка создания модели и проведение натурного эксперимента.

Цель проекта: разработать модель грузового самолёта для запуска ракеты-носителя.

Задачи:

1. определить актуальность создания экспериментального самолёта;

2. найти полезную нагрузку;

3. определить компоновочную схему;

4. создать чертежи самолёта;

5. создать модель самолёта;

6. провести лётные испытания.

Описание проекта

Обзор решений

На данный момент все самолёты для вывода ракет на малую орбиту это: переоборудованные пассажирские – Boeing 474-400 Comics Girls и L-1011 Stargazer или бомбардировщик – B-52B. Единственный самолёт, проектировавшийся под запуск ракет это Stratolaunch Model 351.

Boeing 747-400 Cosmic Girl провёл 6 запусков, 5 из которых были удачны.

L-1011 Stargazer провёл 43 запуска, и все они удачны.

Stratolaunch Model 351 ни провёл ни одного запуска.

Единственный проект отечественного «воздушного старта», который дошёл до испытаний, «Спираль», сбрасываемый с Ту-95 был закрыт, так как финансирование требовалось для создания проекта «Энергия – Буран».

Нахождение полезной нагрузки

Грузовой отсек планируется изготовить под ранее разработанный прототип одноступенчатой ракеты носителя.

Ракета, под которую проектировался самолёт имеет следующе габаритные размеры:

290 мм в длину, диаметром миделя 31.2 мм и диаметром со стабилизаторами 74 мм.

Определение компоновочной схемы

При проектировании самолета были рассмотрены 3 наиболее часто используемые компоновочные схемы.

1. Утка. Данную компоновочную схему оптимальней использовать для краткосрочных перелетов, когда суммарное время взлета и посадки занимает большую часть полета, так как подъемная сила создается на обоих плоскостях.

2. Бесхвостка. Компоновочная схема для скоростных перелетов, потому что создается достаточно маленькое лобовое сопротивление при большой возможной площади крыла. Но из-за маленького плеча элевонов маневрирование затрудняется.

3. Классическая. Наиболее проверенная компоновочная схема. Эта схема наиболее оптимальна для необходимых лётных характеристик. Самолёт, выполненный по данной схеме, самопроизвольно снижается при выполнении манёвров с большим креном.

Исходя из рассмотренных параметров различных компоновочных схем, для разрабатываемого самолета была выбрана классическая схема.

Определение стреловидности поверхностей самолета-носителя

Крыло предполагается выполнить стреловидностью 10 градусов для более стабильного полёта на средних и высоких дозвуковых скоростях. Стреловидность у киля и оперения 15 и 12 градусов соответственно для стабильного управления рулём высоты и достижения курсовой устойчивости на высоких дозвуковых скоростях.

При стреловидном крыле подъёмная сила уменьшается, но это приемлемо при необходимой скорости – примерно 650-700 км/ч, исходя из этого следует применить крыло небольшой стреловидности. Возможно использование прямого крыла, но впоследствии при данных скоростях будет возникать излишнее лобовое сопротивление.

Подбор двигателей для самолета-носителя

При разработке были рассмотрены 2 варианта газотурбинных двигателей у самолёта:

• турбовинтовой

• турбовентиляторный

Турбовинтовыедвигатели более эффективны на более низких оборотах, поскольку винт может перемещать гораздо больше воздуха с помощью турбины меньшего размера, чем вентилятор турбовентиляторного двигателя.

Турбовентиляторные двигатели наиболее эффективны при работе на более высоких скоростях и большихвысотах.Планируется использовать два турбовентиляторный двигателя, они позволят обеспечить горизонтальный полет на высотах 16-18 км и крейсерский режим на высотах 12-14 км, что является наиболее оптимальной высотой для запуска ракеты-носителя.

Создание чертежей

Ниже представлены основные первоначальные требования к разрабатываемую аппарату. Чертеж самолета-носителя представлен ниже. На данном чертеже представлены три вида: фронтальный, горизонтальный, профильный. На чертеже представлен с зауженным сзади коробчатого фюзеляжа и крылом небольшой стреловидности, а также выноска с макетом сервопривода для удерживания, а в последствии и сброса ракеты.

Ниже на чертеже показан макет ракеты, под которую проектировался самолёт.

Представлен уже вышеописанный самолёт с ракетой, под названием «ЦА-Р»

Ниже на чертеже показан самолёт с вырезом под изделие (ракету). Вырез сделан для того, чтобы показать месторасположение ракеты.

Расчет аэродинамических характеристик

После определения основных характеристик планера будет создана модель самолета-носителя, на котором будут проводится испытания.

На основе опыта в авиамоделизме, было определено аэродинамическое качество (АДК) равное 6 без учёта изделия (ракеты носителя), которое предполагается достичь при проведении натурных экспериментов.

Ниже предоставлена формула (1) расчёта АДК:

Где:

АДК - аэродинамическое качество

L - расстояние, которое пролетел планер

H - высота запуска планера

Первый экземпляр был выполнен с коробчатым фюзеляжем для упрощения изготовления планера.

Практические испытания

Опыты по достижению АДК будут проводится следующим образом:

Сначала запускается планер. Далее, от точки первого касания с землёй до точки пуска происходит замер расстояния. Также замер расстояния происходит от пола до высоты, на которой был запущен планер. И в последствии происходит расчёт АДК по вышеописанной формуле.

Результаты проведенных опытов указаны в таблице.

На основе данных таблицы выведен промежуточный вывод: во время натурных экспериментов теоретическое АДК было достигнуто практически.

Описание проведения натурных экспериментов

1. Опыт удачный, но необходимое АДК достигнуто не было.

2. Опыт удачный, АДК возросло, но не достигло необходимых значений.

3. Было решено изменить испытателя, так как мускульной силы первого испытателя было недостаточно. Опыт успешный, АДК возросло.

4. Опыт успешный, АДК возросло, но в результате столкновения с землёй было разрушено крыло.

5. Опыт успешный, АДК равное необходимому. Устранение ранее полученных повреждений привило к изменению массы и центровки самолета. В процессе устранения неисправностей был отмечен перегруз носовой части и изменение расположения груза, что привело к переработке данного узла.

6. Опыт успешный, АДК равное необходимому, по показателям дальности и АДК, это лучший запуск. Предполагается дальнейшее исследование, т.к. продолжается рост АДК из опыта в опыт.

7. (некорректен) запуск был осуществлен по параболической траектории, что привело к сваливанию и дальнейшему разрушению самолета.

Заключение

Работу по данному проекту можно считать успешной. Самолёт прошёл все этапы моделирования, от чертежа до реального прототипа, который соответствует всем изначально поставленным характеристикам и требованиям. Идея создания самолёта с такими характеристиками реализуема.

Перспективы дальнейшего развития проекта

В дальнейшем планируется использовать округлый или эллиптический фюзеляж, а также рассмотреть другие варианты компоновочных схем и механизацию (предкрылки, интерцепторы, закрылки, элероны, флапероны и рули).

Используемые Интернет-ресурсы

1. https://masteraero.ru/lp-1.php

2. https://avia.pro/blog/avia-dvigateli-tipy-dvigateley-ispolzuemyh-v-aviastroenii

3. https://pikabu.ru/story/ssha_i_sssr_vozdushnyiy_start_5099104#comments

4. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.2efb96a9-6790ef2c-fd103ba9-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Swept_wing

5. https://ru.ruwiki.ru/wiki/Аэродинамический_профиль

6. https://habr.com/ru/articles/573182/

7. https://topwar.ru/22619-kogda-odnogo-fyuzelyazha-malo-samolety-dvuhbalochnoy-shemy.html

8. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8

9. https://pikabu.ru/story/istoriya_aviatsii_ot_mechtyi_do_nebes_11911496

10. https://pikabu.ru/story/razbiraem_samolet_po_vintikam_organyi_upravleniya_9898745?ysclid=m6f2yu4u1k375702247

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/602731-razrabotka-modeli-gruzovogo-samoljota-dlja-za