Концепция прямого крыла была вполне работоспособной. Согласно решению Space Shuttle, Макс Фагет предпочел подход с прямым крылом в первую очередь потому, что он оптимизировал бы характеристики на заключительном этапе дозвукового захода на посадку и посадки.

Прямое крыло также будет обеспечивать очень небольшую подъемную силу на высокоскоростной фазе входа в атмосферу с высоким носом, а это означает, что оно будет падать очень быстро, а период нагрева будет намного короче, что приведет к меньшей общей тепловой нагрузке. На этом графике показан нагрев при входе в атмосферу орбитального аппарата с прямым крылом и аэродинамическим качеством 0,5 по сравнению с орбитальным аппаратом с треугольным крылом и аэродинамическим качеством 1,7:

С другой стороны, длительный вход треугольного крыла шаттла делал полет очень плавным, а максимальная перегрузка при входе в атмосферу составляла около 1,2 g. Шаттл с прямым крылом вызвал бы гораздо более высокие перегрузки, но не чрезмерно высокие. Турбулентный воздушный поток вокруг крыла во время входа в атмосферу также увеличит пиковые температуры по бокам фюзеляжа орбитального корабля , что частично компенсирует экономию тепловой защиты, полученную за счет более короткого входа в атмосферу.

Еще одним небольшим преимуществом конструкции орбитального аппарата с прямым крылом является то, что изменения веса и балансировки во время разработки могут быть более легко устранены путем небольших изменений положения и/или стреловидности крыла с небольшим влиянием на общую конструкцию, в отличие от более обширная интеграция крыла в корпус конструкции с треугольным крылом.

Ученые ВВС были против прямого крыла. Во время перехода от входа в атмосферу с поднятым носом к горизонтальному полету крыло останавливалось, и шаттл терял около 15 000 футов высоты, прежде чем восстанавливал управление. Треугольное крыло будет способствовать более постепенному изменению летных характеристик орбитального аппарата по мере его перехода от входа в атмосферу к сверхзвуковому и дозвуковому полету. Треугольное крыло также было необходимо для выполнения требований ВВС к высокой поперечной дальности (позволяя орбитальному аппарату маневрировать на 1000 миль или более от траектории входа в атмосферу), но шаттл никогда не использовал возможности этой поперечной дальности. Первоначально НАСА хотело, чтобы дальность полета составляла от 250 до 400 миль; чем выше проходимость, тем больше возможностей для входа в атмосферу и безопасного приземления в аварийных ситуациях. Фагет

Десятки концепций общей компоновки шаттла были предложены в течение этого общего периода времени, вплоть до окончательного выбора конфигурации в 1972 году. Некоторые из них проиллюстрированы в « Решении по космическим шаттлам» , а многие другие — в книге Денниса Дженкинса ; вот некоторые из ранних:

До середины 1971 года в предложениях преобладали конструкции с прямым крылом, несмотря на сопротивление ВВС. Большинство предложений с середины 1971 года были треугольными, хотя после этого Faget добавил еще несколько конструкций с прямым крылом.

Я не вижу концепций у Дженкинса с полностью не стреловидной передней кромкой и слегка стреловидной задней кромкой, как на этой модели, и большинство из них были однохвостыми вместо двуххвостых.

Орбитальный аппарат с прямым крылом не удовлетворил бы требованиям ВВС по дальности полета, но, кроме этого, нет никакой фундаментальной причины, по которой он не мог бы стать успешным космическим челноком.

Требования миссии для космического самолета, на которые влияет его аэродинамическая форма

• Возможность пересечения диапазона
  • Дальность планирования перпендикулярна плоскости орбиты при входе в атмосферу. В противном случае вам придется ждать на орбите, пока Земля не повернет вашу посадочную площадку в соответствии с плоскостью орбиты.
• Летные качества
  • Как легко летать на космоплане.
• Посадочная скорость
  • Безопасная скорость для посадки, которая затем определяет длину взлетно-посадочной полосы.
• Максимальные структурные нагрузки при повторном входе
  • Сколько усиления (дополнительной массы) необходимо для планера, чтобы противостоять аэродинамическим силам при входе в атмосферу.
• Тепловые нагрузки при повторном входе
  • Перегретая плазма, образующаяся на головных скачках уплотнения на наветренной поверхности космоплана, излучает тепло в корпус самолета. Если это становится слишком интенсивным или сохраняется слишком долго, компоненты могут перегреться или иным образом повредиться.

Чтобы упростить этот ответ, я не буду вдаваться в аэродинамику запуска.

Этапы типичного входа и посадки космического самолета, о которых нужно знать

1. Когда через много минут после входа в атмосферу начинается вход в разреженную атмосферу, космический самолет переводится в положение с высоким углом атаки , чтобы большое сопротивление замедлилось достаточно быстро, чтобы не превысить пределы структурных или тепловых нагрузок позже при входе в атмосферу. Крен космического самолета можно отрегулировать, чтобы он начал отклоняться от своей орбитальной плоскости (поперечный диапазон).
2. После прохождения более горячих частей входа в атмосферу космический самолет уменьшает угол атаки и в основном становится планером, хотя и с гораздо худшими характеристиками, чем планер специальной конструкции. На данный момент он все еще находится на большой высоте, поэтому у него есть значительный потенциал для использования в поперечном диапазоне, будь то сверхзвуковой или дозвуковой.
3. Подлет и посадка космоплана такие же, как у любого планера, только на более высокой скорости.

Сравнение с настоящим космическим челноком

Фюзеляж этой модели не сильно отличается от реального Space Shuttle, поэтому я не буду комментировать его характеристики.

Крылья, однако, представляют собой изогнутые аэродинамические поверхности с большим удлинением и обычной трапециевидной конусностью. Большое удлинение и трапециевидный конус снижают индуктивное сопротивление. Эти крылья эффективны и эффективны на дозвуковых скоростях, что является преимуществом по сравнению с треугольным крылом для дозвуковых летных качеств, посадочной скорости и возможности поперечного полета на дозвуковых скоростях .

Эти крылья труднее усилить по площади от гиперзвуковых аэродинамических нагрузок при входе в атмосферу с высоким углом атаки, чем треугольное крыло, из-за их большого удлинения. Они также повышают требования к теплоизоляции космического самолета в целом, поскольку они не защищают фюзеляж над собой так сильно, как треугольное крыло.

Эти крылья менее эффективны, чем треугольное крыло, в сверхзвуковом планировании с малым углом атаки из-за того, что их концы, скорее всего, выступают из конуса уже возмущенного сверхзвукового потока из носа. Это приводит к большему волновому сопротивлению, что снижает дальность полета и увеличивает аэродинамические нагрузки. Крылья, не загнутые назад, приводят к большему сопротивлению из-за правила площади (резкие изменения площади поперечного сечения = большее сопротивление). Во время околозвукового полета (Мах ~ 1) крылья создают меньшую подъемную силу из-за того, что критическое число Маха ниже на крыльях без стреловидности.

Горизонтальное оперение имеет те же проблемы, что и крылья в сверхзвуковом полете, но двойное вертикальное оперение с большими наклоненными вперед рулями отлично подходит для сверхзвуковых/гиперзвуковых летных качеств при высоком угле атаки.

В итоге

Это оптимизированные дозвуковые крылья, которые, вероятно, облегчат посадку, чем с треугольным крылом. Они жертвуют критическим нагревом при входе в атмосферу и характеристиками сверхзвукового планирования, что снижает дальность полета и сверхзвуковые летные качества, одновременно увеличивая структурные нагрузки при входе в атмосферу и тепловые нагрузки при входе в атмосферу. Хотя вы, вероятно, могли бы сделать форму, подобную этой, полученный космический самолет не будет иметь большой грузоподъемности из-за дополнительной сухой массы, необходимой для смягчения вышеуказанных проблем. Возможно, что для этой конструкции модели существовало еще одно требование к условиям посадки, которое требовало дозвукового крыла.

Использованная литература:

• Майкл А. Рампино, Принципы работы многоразового космического корабля-носителя. https://fas.org/spp/eprint/rampino.htm
• Джон Д. Андерсон, Современные сжимаемые потоки

Сама модель прошла летные испытания.

Дизайн выглядит так, как будто он был потомком silbervogel , немецкого источника проекта Второй мировой войны. Двойные хвосты должны были поддерживать контроль над большим углом атаки, но, похоже, преимущества тупых форм тела для управления подогревом при входе в атмосферу не были поняты, что дает это прямые крылья с острыми краями.

Возможность треугольной конструкции разрабатывалась примерно в то же время , и команда разработчиков Silvervogel, возможно, не имела доступа к стоящим за ними аэродинамическим работам или не видела необходимости - пропорции конструкции, вероятно, были основаны на инженерных работах для очень большой высоты. обычный самолет

Что странно, так это создание модели в 1969 году, когда вход в атмосферу и треугольные крылья были поняты с помощью предложенных фон Брауном космических самолетов в начале 50-х годов и Dynasoar в 1965 году .

Использование знакомых форм.

Неизвестное предположение состоит в том, что это либо гораздо более ранняя модель Silvervogel, использовавшаяся доктором Фажем в 1969 году как часть более крупной коллекции конструкций космических самолетов, либо она была построена в 1969 году как проект «насколько хорошо бы это сработало» для личного интереса. Обратите внимание, что модель сделана из дерева и пропитанной бумаги, поэтому совершенно бесполезна для серьезных сверхзвуковых или гиперзвуковых работ в аэродинамической трубе, и, по-видимому, имеет груз на носу для планирования в свободном полете.