Причина разных «углов конуса» разных космических капсул?

Как обычно в такого рода вещах, нет единого оптимального ответа, потому что капсула должна делать несколько разных вещей, поэтому форма должна уравновешивать различные требования.

Узкий угол конуса снижает сопротивление при подъеме. Для замедления при входе в атмосферу требуется большая широкая база. Приземистый цилиндр дает более удобное внутреннее пространство.

Я считаю, что укороченный конус Аполлона/Ориона/CST обеспечивает хорошую пассивную аэродинамическую устойчивость при входе в атмосферу; Дракон ближе к «биконической» форме, которая может обеспечить большую подъемную силу при входе в атмосферу (таким образом, потенциально более пологий вход с меньшей перегрузкой для экипажа). В Википедии есть информация о формах возвращаемых аппаратов.

Это настолько обширный вопрос, что на него трудно ответить, не написав целое эссе. Ответ сводится к процессу системной инженерии и требованиям миссии . Как и во всех космических полетах, полезная нагрузка должна быть защищена, особенно когда человекявляется полезной нагрузкой. Форма будет в значительной степени зависеть от полезной нагрузки, помимо пассажиров, материалов и траектории входа (включая скорость и т. д.). Как только вы определите «примерное поле» для своего входного коридора в соответствии с вашей миссией, вы сможете изменить траекторию или даже дизайн своего транспортного средства. В зависимости от вашей миссии вам, возможно, придется внести серьезные изменения в конструкцию, а в некоторых случаях вам может потребоваться изменить план полета. Для каждого корабля существует очень специфический коридор повторного входа. Слишком малое сопротивление приводит к перерегулированию, а слишком большое — к недолету вашего космического корабля.

Итак, теперь, когда мы знаем процесс получения формы транспортного средства (в очень общих чертах), мы можем поговорить о том, почему они имеют разную форму. Все сводится к баллистическому коэффициенту (БК) транспортного средства, который определяет величину подъемной силы. Транспортное средство с затупленным конусом обычно имеет более низкий БК, чем обычный конус. БК также повлияет на нагрев, ударную волну, скорость замедления и некоторые другие аспекты входа в атмосферу. Форма также влияет на точность. Чем меньше времени вы проведете в воздухе, тем меньше шансов, что ваш автомобиль не попадет в цель.

Не существует единого волшебного решения для формы космического корабля. «Углы конуса» являются прямым результатом миссии и ее требований.

Если вам интересно прочитать более подробное объяснение, есть книга, в которой слегка освещены многие аспекты освоения космоса. Он называется « Понимание космоса, 4-е издание » Селлерса, Асторе, Гиффена и Ларсона.

Текст Хикса о повторном входе дает действительно хороший взгляд на происхождение проблемы повторного входа и затрагивает последствия выбора дизайна верхнего уровня. Например, хотя и зависит от фактического входного профиля, общая теплопередача часто имеет следующую форму:

$$\begin{equation} \bar{Q}_{f} \approx \left(\frac{c_{f}A}{C_{D}S}\right)f(V,\vec{p}) \end{equation}$$ куда $c_{f}$трение поверхности/кожи, $A$общая площадь поверхности автомобиля, $C_{D}$коэффициент лобового сопротивления, $S$– смоченная площадь, а $f(V,\vec{p})$указывает на нелинейную функцию скорости и других параметров транспортного средства и окружающей среды. $\vec{p}$. Если исследовать тепловой поток в вакууме, то можно увидеть, что теплообмен минимизируется при меньших значениях поверхностного трения и площади смачивания, или увеличивается величина сопротивления $C_{D}S$. Это эквивалентно утверждению, что тупой автомобиль минимизирует общее поглощенное тепло.

Но есть одна загвоздка. Чтобы продемонстрировать, рассмотрим форму максимального замедления с точки зрения кинетической энергии.$T$для профиля входа с пологим скольжением:

$$\begin{equation} \frac{a_{decel}}{g_{0}} = \frac{1-2T}{\frac{C_{L}}{C_{D}}} \end{equation}$$ куда $a_{decel}$это замедление, $g_{0}$- эталонное гравитационное значение, используемое для нормализации, и $C_{L}$является коэффициентом подъемной силы. Выше мы видели, что более высокое значение сопротивления минимизирует тепловой поток, но теперь мы видим, что более высокие коэффициенты сопротивления увеличивают замедление, что увеличивает нагрузку на транспортное средство.

Угол конуса и тупость / острота носа — все это варианты дизайна, которые пытаются оптимизировать некоторое конструктивное пространство для конкретного профиля миссии, а также соответствуют заданной стоимости, графику и производительности. И уже исходя из этих двух простых соотношений мы видим, что это очень сложный процесс. Текстовая ссылка Хикса выше является отличным введением в предмет, и большинство вводных текстов по орбитальной динамике также уделяют этой теме некоторое внимание.

Целевое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению (L/D) также играет важную роль. Высокое значение L/D обеспечивает больший аэродинамический контроль во время гиперзвукового входа, предоставляя инженерам большую гибкость с точки зрения контроля максимальной скорости нагрева и максимальной перегрузки, а также для достижения целей поперечного диапазона и наведения. В начале программы «Аполлон» разработчики капсул стремились к соотношению L/D до 0,5, что требует значительного угла атаки. Таким образом, угол боковой стенки капсулы Apollo был установлен примерно на 32,5 градуса, чтобы свести к минимуму воздействие прямого потока и связанное с этим воздействие нагрева на боковую стенку, что может повлиять на конструкцию и материалы системы тепловой защиты (TPS). По мере развития конструкции капсулы «Аполлон» инженеры сочли трудным достижение целевого L/D, потому что для достижения требуемого угла атаки (AoA) требуется значительное смещение центра тяжести (cg). Кроме того, низкий центр тяжести (ближе к базовому тепловому экрану) улучшает аэродинамическую устойчивость, но для достижения того же угла атаки требуется большее боковое смещение. Это противоречит тому факту, что по мере того, как дизайнеры упаковывают все больше и больше оборудования в капсулу, центральная графика имеет тенденцию сходиться к центральной линии. Балласт можно использовать, чтобы влиять на местоположение ЦГ, но каждый лишний килограмм в капсуле Аполлона протекал и влиял на массу Служебного модуля и способность ракеты Сатурн-5 выводить CSM на транслунную траекторию. В конце концов, конструкция капсулы представляет собой компромисс между многими факторами, включая внутренний объем/размеры, баллистический коэффициент, L/D,

У капсулы "Союз", напротив, очень неглубокая боковина (кажется, припоминаю значение 7,5 градуса). Его более цилиндрическая форма обеспечивает больший объем при заданном диаметре основания. Но он также летает с меньшим углом атаки, достигая отношения L/D в диапазоне 0,18 или около того. Капсула «Союз» обеспечивает отличную устойчивость, но выдерживает довольно высокие перегрузки и имеет ограниченный контроль. Но это также очень эффективная конструкция, которая зарекомендовала себя в большом количестве миссий.

Это очень краткое и упрощенное изложение темы. Как отмечалось в других постах, среда запуска и сценарии прерывания по-своему влияют на дизайн капсулы экипажа, как и сценарий приземления (например, суша или вода). Если вам нравится этот тип интеллектуальных упражнений, вы можете подумать о карьере в области аэрокосмической техники.