experimental rockets - exclusive rockets
Сложность проекта скоростного аэростата, где оболочка складывается гармошкой вокруг хорды-трубы, наводит на
альтернативный способ конструирования упруго-наполненного аэростата переменной емкости. Возможен другой
способ складывать оболочку, где при расширении она будет увеличивать свой объем за счет увеличения длины
цилиндрической оболочки при постоянной площади поперечного сечения. Это намного проще, так как длинную оболочку
аэростата можно легко сложить в капсулу-патрон (Рис.1). При подъеме оболочка будет высвобождаться под давлением
легкого газа, при этом длина оболочки-цилиндра будет увеличиваться обратно пропорционально давлению атмосферы. На
высоте 30 км она увеличится в 100 раз. Как и в проекте №1 подъемная тяга не зависит от высоты , так как при подъеме
объем оболочки увеличивается одновременно с уменьшением плотности воздуха и легкого газа аэростата. Но, в отличие
от проекта №1, здесь площадь лобового сечения остается постоянной!
Для улучшения аэродинамических характеристик верхний торец цилиндрической оболочки сделан в виде жесткой
полусферы. К ней присоединяются тросы, которые тянут полезную нагрузку аэростата. Это позволяет держать оболочку с
легким газом в упруго-наполненом состоянии. Ввиду большой длины тросов они могут также наматываться на барабан
специального механизма, который освобождает их при приложении небольшого усилияю. Нижняя часть патрона, из
которого высвобождается оболочка, также имеет обтекаемую форму.
Для удобства вычислений примем, что начальная форма оболочки представляет из себя цилиндр с крышкой из
полусферы. Высота цилиндра, его диаметр и диаметр полусферы равны, и представлены параметром D. Тогда объем
оболочки U на данной высоте, полная масса оболочки Моб, масса полусферы Мсф, площадь лобового сечения S
определяются определяются формулами
где do - плотность атмосферы на поверхности земли, d1 - плотность атмосферы на данной высоте, hоб -толщина
оболочки (в расчетах 0,01 мм), dоб -плотность материала оболочки (в расчетах плотность полиэтилена), k - коэффициент
полного расширения оболочки на высоте 30 км (в расчетах равна 100), hсф - толщина полусферы из стеклопластика (в
расчетах 0,1 мм), dсф - плотность стеклопластика (2 против 1 у полиэтилена)
Коэффициент лобового сопротивления примем постоянным,
K = 0,3.
Габариты аэростата такой формы определяются полезной
нагрузкой массой Мпн, и массой оболочки Моб , которая связана с
полной площадью ее поверхности Sоб. Также, нужно учитывать массу
полусферы Мсф и легкого газа, заключенного в оболочке, а также массу
патрона. Нужно отметить, что лобовое сопротивление для
предложенной модели будет постоянным, так как лобовое сечение S
увеличивается одновременно с уменьшением плотности воздуха и
легкого газа (водород в нашей модели). Подъемная тяга, которая равна
разнице Архимедовой силы и полного веса конструкции, также
постоянна,так как объем оболочки тоже увеличивается одновременно с
уменьшением плотности воздуха при подъеме на высоту.
Исходная формула ускорения, на основе которой выполнены
расчеты, выглядит так же, как и в проекте №1:
do - плотность атмосферы на данной высоте
d1 - плотность легкого газа (водорода) на данной высоте
S - площадь лобового сечения аэростата на данной высоте
U - объем оболочки аэростата на данной высоте
К - коэфициент аэродинамического сопротивления, К=0,3
g - гравитационная постоянная, 9,81 м/с^2 .
М - полная масса аэростата, включая массу полезной нагрузки,
массу оболочки и патрона с обтекателем для оболочки, массу
водорода, заключенного в оболочке.
Патрон для оболочки и конусообразный хвост сделаны из того же
материала, что и полусфера. Поэтому его материал имеет такую же
толщину и плотность, а его объем определяется массой оболочки. Высота
патрона определена как H, а образующая конуса равна 2D. Отсюда масса
патрона Мпат и масса конуса хвоста Мкон определяются формулами:
Рис.1 а- оболочка с патроном на старте
б- расширение оболочки при подъеме
1- жесткая лобовая полусфера 2- силовой трос
3- патрон для укладки оболочки 4- обтекатель
5- трос для подъема полезной нагрузки
Толщина сложенной в патроне оболочки из полиэтилена всегда будет равной 4 мм. Приведем предварительные расчеты для
подъема пусковых систем высотного старта:
Вариант А: для ракеты стартовой массы 11,5 кг для доставки исследовательского блока массой 3 кг на высоту 75 км,
при старте с высоты 30 км. Ракета будет стартовать из под оболочки аэростата
Вариант Б: для ракеты стартовой массы 110 кг для доставки исследовательского блока массой 25 кг на высоту 105 км,
при старте с высоты 30 км. Ракета будет стартовать из под оболочки аэростата.
Пока расчеты выполнены для скоростного аэростата без троса.
Результаты моделирования представлены:для варианта А в таблице 1 и рисунках 2 и 3; для варианта Б в таблице 2 и
рисунках 4 и 5;
Табл.1 Данные численного моделирования для варианта А.
Dо - фиксированный диаметр цилиндра.
Мпн - масса полезной нагрузки (ракеты с блоком аппаратуры)
Vmax - максимальная скорость аэростата
t30km - время достижения аэростатом высоты 30 км
Uo - объем оболочки аэростата на старте
Моб - масса оболочки аэростата
Мсф - масса лобовой полусферы
Мкон - масса конусообразного хвоста
Мводорода - масса водорода в оболочке
Мобщ - полная масса аэростата
Рис.2 Вариант А: зависимости высоты подъема от времени для разных D
Рис.3 Вариант А: скорости (сплошные линии) и ускорения (прерывистые линии) для разных D
Табл.2 Данные численного моделирования для варианта Б.
Рис.4 Вариант Б: зависимости высоты подъема от времени для разных D
Рис.5 Вариант Б: скорости (сплошные линии) и ускорения (прерывистые линии) для разных D
Как видно, в отличие от проекта №1, характер движения цилиндрического аэростата переменной емкости носит другой
характер. Постоянство площади лобового сечения приводит к тому, что на больших высотах он начинат двигаться с
ускорением из за уменьшения плотности атмосферы. Правда, на высоте 30 км длина оболочки аэростата увеличивается в
100 раз. Эта особенность приводит к тому, что общая масса аэростата по проекту №2 будет в целом на порядок больше при
одинаковом времени достижения высоты пуска ракеты одной и той же стартовой массы. При этом, нет особого выигрыша по
времени достижения высоты 30 км. У проекта №2 есть только одно преимущество: техническая простота сложения
оболочки.
Очевидно, что нужна научно-исследовательская работа по выяснению возможности сконструировать скоростной
упруго-наполненный аэростат с оболочкой переменной емкости. Понятно, что это только предварительные выкладки без
учета реальных проблем, которые наверняка встретятся при испытании подобных моделей. Но такая работа будет
инновационной, так как никто ранее этим не занимался!
Кроме того, рассмотрение моделей вертикальных цилиндрических аэростатов наводят на идею конструирования
аэродинамической пусковой трубы, которая сможет выводить небольшие ракеты на стартовую высоту 30 км. Но это уже
другая концепция, не связанная напрямую с аэростатами.
