Введение в авиационную, ракетную и космическую технику

 

 

В. И. Сидоренко

ВВЕДЕНИЕ В АВИАЦИОННУЮ, РАКЕТНУЮ
И КОСМИЧЕСКУЮ ТЕХНИКУ

Издание 3-е (исправленное и дополненное)

Москва 2016 год

 

 

Эта книга адресована интересующимся техникой ученикам школ России и предназначена для привлечения их в ВУЗы, готовящие специалистов ави­ационной, ракетно-космической и аэрокосмической отраслей оборонно-про­мышленного комплекса, которых катастрофически не хватает у нас сегодня.

В книге описаны краткая история развития этих отраслей техники, назна­чение, характеристики, устройство и принципы работы изделий, в создании многих из которых автор принимал непосредственное участие.

 

После незначительной доработки эта книга может быть превращена в учебное пособие для школьного дополнительного образования и в учебник «Введение в специальность» для первых курсов профильных ВУЗов (МАИ, МВТУ, МАТИ и др.)

Книга может также заинтересовать любителей техники и более старшего возраста.


Сидоренко В.И.
Сидоренко Виктор Иванович

Окончил МАИ в 1957 г. по специальности инженер-механик по ави­ационным и жидкостным ракетным двигателям. Проработал 51 год в авиационной, ракетной и космической отраслях.

В качестве ведущего инженера, ведущего конструктора по особо сложным разработкам, начальника комплексной бригады и техниче­ского руководителя принимал участие в создании ракетного ускори­теля для истребителя-перехватчика МИГ-19С, тяжелой ракеты-носите­ля «Протон», транспортного корабля снабжения ракетно-космического комплекса «Алмаз», многоразового орбитального корабля «Буран», а также в разработке проектов семейства самолетов-трипланов «Мол­ния», многоцелевой авиационно-космической системы (МАКС), много­разового ускорителя 1-й ступени «Байкал» ракеты-носителя «Ангара», аэросаней и многого другого.

Является ветераном космонавтики, награжден медалью «Памяти Ю. А. Гагарина», медалью «310 пусков PH 8К82К (10.03.1967 г. — 30.03.2012 г.)» и знаком «Ветеран космонавтики России». [1]

Содержание

 

 

Здесь и далее разделы книги, помеченные «*», содержат описание объектов, в создании которых автор принимал непосредственное участие.

Предисловие…………………………………………………………………………………………………………………….. 5

Глава 1. Авиация……………………………………………………………………………………………………………… 7

  • Аэродинамическая схема и принципы полета самолета……………………………………….. 8
  • Устройство и принципы работы турбореактивного двигателя (ТРД) ……………………. 12
  • Истребитель МИГ-19 и его модификация — перехватчик МИГ-19С

с ракетным ускорителем*……………………………………………………………………………………… 16

  • Самолеты с аэродинамической схемой «Продольный триплан»……………………………. 19
  • Преимущества схемы «триплан» перед классической аэродинамической схемой.. 19
  • Самолет «Молния-1»…………………………………………………………………………………… 21
  • Самолет «Молния-300»* (проект)………………………………………………………………… 22
  • Самолет «Молния-400»* (проект)………………………………………………………………… 24
  • Самолет «Молния-1000»* (проект)………………………………………………………………. 26
  • Стратегические бомбардировщики ЗМ и М50 конструкции

ОКБ-23 В.М. Мясищева………………………………………………………………………………………… 30

  • Самолет ЗМ………………………………………………………………………………………………… 30
  • Самолет М50 ……………………………………………………………………………………………… 32

Глава 2. Ракетная техника………………………………………………………………………………………………. 34

  • Устройство и принципы работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) ..35
  • Ракета-носитель (PH) «Протон»*…………………………………………………………………………. 39
  • Ракета-носитель Н-1 для пилотируемых полетов на Луну………………………………….. 50
  • Ракета-носитель «Энергия» для выведения на орбиту ОК «Буран»

и для межпланетных полетов………………………………………………………………………………. 54

Глава 3. Космические летательные аппараты (КЛА)………………………………………………………… 62

  • Основы «небесной механики» и управления полетом КЛА………………………………….. 63
  • Лунный комплекс ЛЗ космической системы Н-1-ЛЗ……………………………………………. 74
  • Ракетно-космический комплекс (РКК) «Алмаз»…………………………………………………… 81
  • Орбитальная пилотируемая станция (ОПС)*………………………………………………. 82
  • Транспортный корабль снабжения (ТКС)* ………………………………………………….. 85
  • Возвращаемый аппарат (ВА)……………………………………………………………………… 90

Глава 4. Авиационно-космические системы……………………………………………………………………… 95

  • Многоразовая космическая система (МКС) «Энергия-Буран»……………………………… 95
  • Назначение, состав и основные характеристики МКС «Энергия-Буран»……… 95
  • Многоразовый орбитальный корабль (ОК) «Буран»*……………………………………. 97
  • Многоцелевая авиационно-космическая система «МАКС» (проект)……………………. 113
  • Авиационно-космическая система (АКС) «Спираль» …………………………………. 113
  • Многоцелевая авиационно-космическая система (МАКС)

с использованием тяжелого самолета АН-225 «Мрия»*………………………………… 114

  • МАКС с использованием сверхтяжелого самолета «Молния-1000» («Геракл»),… 122
  • Многоразовый ускоритель 1-й ступени (У1-М) «Байкал»*

для PH «Ангара» (проект)………………………………………………………………………………….. 123

Глава 5. Алгоритм создания сложных авиационных, ракетных

и космических изделий и комплексов……………………………………………………………. 128

Послесловие………………………………………………………………………………………………………………….. 131

Перечень условных обозначений, терминов, понятий и определений…………………………….. 133

Список литературы……………………………………………………………………………………………………….. 168

Предисловие

Период с 1945 года до конца 80-х годов прошлого века был временем подъема нашей страны, выстоявшей в тяжелейшей войне с фашист­ской Германией и победившей её, несмотря на огромные потери десят­ков миллионов людей и на урон, нанесенный войной нашей экономике.

Это было время расцвета талантов, развития самых передовых отрас­лей науки и техники, творческого труда миллионов людей.

Созданная в эти годы авиационная и ракетно-космическая техника зачастую на 10-15 лет опережала зарубежную технику, а престиж соз­дававших её специалистов был недосягаемо высок.

Выпускники школ стремились поступать в МАИ, МВТУ, МГУ, МФТИ и другие вузы, готовившие специалистов для этих отраслей техники и науки.

Автору книги довелось жить и работать в этот период нашей исто­рии, получив добротные знания в школе и в Московском авиационном институте им. С. Орджоникидзе (МАИ).

А в начале 90-х годов прошлого века начался упадок большинства предприятий и НИИ военно-промышленного комплекса.

Сейчас, после двух десятилетий застоя в авиации и ракетно-космиче­ской технике наметился процесс возрождения этих отраслей, в стране все больше зреет понимание необходимости интенсивного укрепления ее обороноспособности.

Так, в марте 2011 года премьер-министр России В.В. Путин объявил, что Правительство планирует ежегодно выделять большие средства на разви­тие авиации, ракетно-космической техники и других оборонных отраслей.

Но без хорошо подготовленных энергичных молодых специалистов эти деньги могут ничего не сделать! А толковых специалистов нужно готовить ещё со школы, зажигая в них огонёк интереса и увлеченности будущей профессией. Тогда они пойдут в соответствующие вузы, а затем на пред­приятия и в НИИ авиационного и ракетно-космического профиля.

Все вышесказанное побудило автора этой книги весной 2010 года про­читать для интересующихся техникой старшеклассников Салтыковской средней школы №17 Балашихинского района Московской области, ко­торую он окончил в 1951 году, 4 урока на темы: «Авиация», «Ракеты», «Космические аппараты» и «Авиационно-космическая техника» преиму­щественно на примерах изделий, в создании которых ему довелось уча­ствовать в течение более чем 50-ти лет работы в этих отраслях.

А затем были организованы экскурсии старшеклассников в музей ВВС в Монино, в музей НПО «Энергия» (фирма С.П. Королева) и в му­зей НПО «Машиностроение» (фирма В.Н. Челомея).

Интерес, с которым ребята слушали на этих уроках и экскурсиях, и множество задаваемых вопросов подвигнули автора в 2011 году на­писать и отпечатать самиздатом 20 экземпляров этой книги в надежде, что она поможет старшеклассникам выбрать профессию инженера или ученого и, окончив ВУЗ, приложить свои знания, свой талант и жажду творчества к созданию новейших образцов техники.

В предлагаемом читателю 3-ем издании книги учтены опыт и об­ратная связь, полученные автором в процессе чтения в 2010-2016 гг. уроков во многих школах г. Москвы, Ростова-на-Дону и их областей, в лицее на Байконуре и в Молодежном образовательном космоцентре ЦПК им. Ю.А. Гагарина.

Понимая трудность восприятия школьниками помещенного в книге материала, автор все же решил разговаривать с ними как со взрослыми людьми, которые с седьмого класса изучают физику и, главное, интере­суются техникой, самостоятельно накапливая знания, необходимые им для будущей профессии, то есть уже несут на своих плечах добровольное «иго», о котором говорится в эпиграфе, предваряющем этот раздел.

Исключение составляют тексты, содержащие теоретические основы функционирования изделий, их движения в пространстве и т.п., где автор постарался избежать формул, графиков, диаграмм и т.д., объяс­няя их словами и наглядными примерами из жизни.

В книге приведены краткая история развития авиационной, ракет­но-космической и авиакосмической техники, назначение, характеристи­ки, устройство и принципы работы её образцов. В книгу также включены 6 на сегодня нереализованных перспективных проектов. А как проекти­ровать и создавать подобные образцы — этому вас научат в институтах, куда, как надеется автор, вы поступите после окончания школы.

Для облегчения чтения книги в конце приведен перечень условных обозначений, терминов, понятий и определений1.

И перед тем, как вы начнете читать I-ю главу книги — совет: не читайте подряд несколько разделов сразу, иначе у вас все перепутается в голове.

Прочитайте один раздел и затем отложите книгу в сторону на день или два. Лучше еще раз прочтите уже пройденный раздел — и тогда многое станет гораздо понятнее, чем после первого раза.

В остальном автор полагается на ваше умение и желание отыскивать истину в Интернете, книгах, журналах и т.п.

Ведь только добытое тяжелым трудом накрепко оседает в памяти и будет служить вам всю жизнь.

гЕсли при чтении книги вам встретится незнакомый термин, аббревиатура или будет что-то непонятно, обращайтесь к этому «Перечню» — малой энциклопедии книги. И еще: очень много информации несут помещенные в тексте таблицы, ри­сунки и сноски внизу страниц.

Глава 1. Авиация

С незапамятных времен люди устремляли свои взоры в небо. Их при­тягивала бездонная глубина воздушных просторов, завораживали сво­бодный полет и парение птиц, большая скорость и маневренность их движения в полете, удивляла дальность их сезонных перелетов в дру­гие страны.

При раскопках пирамид были обнаружены летающие игрушки, име­ющие все элементы современных самолетов.

Эта мечта о полетах отразилась в древнегреческом мифе об Икаре, который попытался на крыльях долететь до Солнца.

А сохранившаяся в русских летописях запись о простом рязанском мужике, который соорудил крылья и попытался на них полететь, спры­гнув с высокой церковной колокольни!

Первый самолет с паровым двигателем был сконструирован и по­строен в 1883 году русским изобретателем А.Ф. Можайским, которому удалось совершить на нем «подлет» длиной в полтораста метров.

По-настоящему авиация начала развиваться после изобретения лег­кого и мощного двигателя внутреннего сгорания.

В 1903 году, на двадцать лет позже А.Ф. Можайского, американские изобретатели братья Райт сконструировали и построили самолет-би­план с бензиновым двигателем внутреннего сгорания.

Этот самолет уже летал, поднимаясь на высоту более 100 метров.

А дальше пошел бурный рост авиации, которая начала использовать­ся в военных целях (разведка, бомбометание, уничтожение самолетов противника и т.д.).

В конце 20-х и в начале 30-х годов прошлого века началось развитие гражданской авиации для перевозки пассажиров и грузов.

Всем известно, какую роль сыграла авиация во П-й мировой войне. Господство в воздухе давало неизмеримые преимущества при проведе­нии боевых действий наземными войсками.

За 100 с лишним лет своего существования авиация сделала огром­ные шаги:

  • от дальности в несколько десятков километров до кругосветных полетов;
  • от высот в несколько сот метров до 30-ти километров;
  • от скорости 60 км/час (братья Райт) до скоростей в 3,5 раза превы­шающих скорость звука (-4000 км/час).

А сейчас есть уже проекты полетов на гиперзвуковых скоростях, в 4-6 раз превышающих скорость звука!

 

Глава 1. Авиация

Потрясающе выросла маневренность самолетов-истребителей, ко­торые, используя большую тяговооруженность (отношение силы тяги двигателей к силе веса самолета) и поворотные сопла двигателей, мо­гут развить огромную сверхзвуковую скорость, а затем затормозить ее практически до нуля, т. е. остановиться в воздухе, не падая на землю!

Прежде чем перейти к описанию конкретных самолетов, необходи­мо рассмотреть общие принципы их устройства и функционирования и, в том числе, принципы работы «сердца» самолета — турбореактив­ного двигателя (ТРД).

1.1. Аэродинамическая схема и принципы полета самолета

Рассмотрим классическую схему самолета на примере большого само­лета АН-124 «Руслан» конструкции ОКБ им. О.К. Антонова (рис. 1.1). На рис. 1.2.красным цветом изображена т. н. «связанная» (с корпусом са­молета) система координат с началом в точке «О» — центре тяжести (ц.т.) самолета1. Любое свободно летящее тело начинает вращаться вокруг свое­го центра тяжести под действием не проходящей через этот ц.т. силы, ко­торая создает вращающий момент (М), равный произведению этой силы на плечо — расстояние от ц. т. до прямой линии действия силы. Причем, осью вращения тела является восставленный в ц. т. перпендикуляр к пло­скости, проходящей через ц. т. тела и прямую линию действия силы. Так, на рис. 1.3В самолет под действием создаваемого силой Рс момента Mz вращается вокруг оси Z связанной системы координат (1-плечо).

Руслан

 

Самолет состоит из (рис. 1.2):

  • фюзеляжа (1), в котором размещаются кабина экипажа, пассажи­ры, грузы, системы самолета;
  • крыльев (2), которые служат для создания подъемной силы и в ко­торых размещаются основные топливные баки.

Крылья жестко закреплены к фюзеляжу или с положительным углом «V» (при виде спереди на самолет кончики крыльев подня­ты вверх) или с отрицательным «V» (кончики крыльев опущены вниз)[1]. Это дает самолету устойчивость по крену, так как при кре­не одно крыло, к примеру, становится параллельно земле и на него действует полная подъемная сила, а на другое крыло действует только ее часть и, таким образом, создается момент Мх, возвраща­ющий самолет к нулевому крену (рис. 1.3В).

Схема

На крыльях установлены:

  • элероны[1] (3) — «рули» для создания крена самолета (поворот вокруг оси «X»); синхронно отклоняются в противоположные стороны на правом и левом крыле: один — вверх, другой — вниз и наоборот (рис. 1.3С);

предкрылки (4)[2], закрылки3 и щитки3 (5), выпускаемые для увеличения подъемной силы крыла при взлете и при посадке;

На рис. 1.1. на конце левого крыла самолета виден опущенный вниз элерон.

«Механизация» крыла, заимствованная у птиц (раздвижка и поворот перьев на крыльях).

samolet

  • интерцепторы (выдвигаются из глубины крыла вверх поперек потока) и спойлеры (поворачиваются на осях и встают поперек потока) для ухудшения обтекания крыла и торможения самоле­та в полете, при посадке и при пробеге по ВПП после посадки (на схеме не показаны).
  • подвешенных снизу к крыльям на пилонах турбореактивных двига­телей (6), создающих тягу, движущую самолет в полете и на земле.
  • хвостового оперения, состоящего из:
  • стабилизаторов (7) или, иначе, горизонтального хвостового опере­ния, к которым подвешены рули высоты (8), производящие поворот самолета вокруг оси Z (угол тангажа) — рис. 1.3С; стабилизаторы придают самолету устойчивость по тангажу, не давая его хвосту опускаться вниз или подниматься вверх по отношению к набегаю­щему потоку воздуха (рис. 1.3В, момент вокруг оси Z — Mz).
  • киля (9) или, иначе, вертикального хвостового оперения, к ко­торому подвешен руль направления (10), производящий пово­рот самолета вокруг оси «У» (угол курса) — рис. 1.3С; киль придает самолету устойчивость по курсу, не давая его хвосту отклоняться в стороны по отношению к набегающему потоку воздуха (рис. 1.3В, момент Му).

Примечание: на стабилизаторе и киле устанавливаются трим­меры — небольшие поворотные плоские элементы, фиксирован­ным отклонением которых устраняется технологическая аэро­динамическая несимметричность самолета, из-за которой он постепенно уходит с заданных курса и высоты.

  • носовой (11) и основных (12) опор шасси, предназначенных для перемещения самолета по земле при рулежке, буксировке, взлете и посадке.

Почему же самолет, взлетный вес которого достигает многих сотен тонн, отрывается от земли и парит, словно пушинка, в воздухе?

Когда мощные двигатели разгоняют самолет по ВПП, набегающий поток воздуха создает на крыльях подъемную силу Р (Рис. 1.3А), которая преодо­левает вес самолета, отрывает его от земли и уносит вверх (набор высоты).

formula1

зависит также от угла атаки (а) крыла (рис. 1.9). На рис. 1.3А изображен классический профиль крыла (сечение Е-Е крыла плоскостью, параллельной плоскости «XOY» — см. рис. 1.2).

Просьба,  в комментариях отразить, надо ли продолжать работу по оцифровке книги.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.