Летные испытания гиперзвукового самолета - это дорого и сложно. Но есть способы в разумных пределах упростить эту задачу, примером чему служит летный эксперимент HiFire-IV, выполненный в составе международной исследовательской программы HiFire (Источник - материалы конференции AIAA).
HiFire-IV - планер, построенный по типичной для гиперзвука аэродинамической схеме "бесхвостка" с низкорасположенным треугольным крылом сверхмалого удлинения.
Устойчивость в канале рысканья достигается шайбами, установленными на законцовках консолей крыла. Эти шайбы также частично запирают отходящую от передних кромок ударную волну и предотвращают перетекание воздуха на верхнюю поверхность крыла, увеличивая этим аэродинамическое качество.
Корпус глайдера - полуцилиндр с конический заостренным носовым отсеком. Управление в каналах тангажа и крена выполняется элевонами, установленными на задней кромке крыла. Элевоны приводятся в движение линейными электрическими рулевыми машинами (развиваемый момент - до 200 Н * м).
Готовый к полету глайдер весит 92 кг, из которых на долю конструкции приходится 74.4 кг.
Конструкции HiFire-IV интересна следующими особенностями:
Использование доступных и удобных в обработке сплавов меди (C110000) для носка и передней кромки крыла и алюминия (6061-T6) для всей остальной конструкции вместо дорогих и капризных титановых сплавов, жаропрочных сталей или углерод-углеродных композитов.
Такой выбор обусловлен малой продолжительностью пика тепловых воздействий на глайдер, а поскольку аппарат экспериментальный, и от него не требуется высокое массовое совершенство конструкции, то можно изготовить элементы планера с избыточными толщинами, чтобы тепло аэродинамического нагрева рассеивалось, и температуры не превышали предельно допустимых. Запас толщины (>=5 мм) стенок конструкции компенсирует потерю прочности материала при нагреве.
Медь использовалась на передних кромках крыла и носке из-за своей теплопроводности и большей жаропрочности. Это позволило сделать передние кромки крыла рекордно острыми - радиус скругления составляет всего 1 мм.
Корпус глайдера фрезерован из алюминиевой болванки. Это значит, что не нужно штамповать и вытягивать из заготовок шпангоуты, стрингеры и панели обшивки, сваривать, склеивать и клепать друг с другом.
Количество элементов планера уменьшилось с сотен до пары десятков - корпусной детали, медных накладок на наиболее теплонагруженные участки, отклоняемых элевонов и панелей, закрывающих отсеки с бортовой аппаратурой. Сильно упрощается, удешевляется и ускоряется сборка. При таком подходе массовое совершенство ухудшается, но это не важно для летающей лаборатории.
Бортовая радиоэлектроника HiFire-IV максимально следует принципу Commercial Off-The-Shelf - морально устаревшая, но надежная и отработанная инерциальная навигационная система DMARS R, связанная с БЦВК, который построен из 5 стандартных плат IBM PCi/104 DSP. Для питания бортовой электроники и электрических рулевых машин используется батарея из 4 стандартных Li-ионных аккумуляторов формата IEC R20, создающих ток силой 6А и напряжением 28В.
Полезная нагрузка глайдера HiFire-IV - тензодатчики и термопары, установленные как на обшивке, так и во внутренних объемах фюзеляжа. Информация о параметрах набегающего потока собирается с помощью трубки Пито.
К кормовому срезу глайдера присоединен агрегатный отсек с газореактивной системой ориентации на сжатом азоте (подается из установленного в фюзеляже баллона акваланга Luxford).
Чтобы доставить экспериментальные глайдеры в верхние слои атмосферы, используется переоснащенная метеорологическая ракета VSB-30 (сделано в Бразилии). Хвостовой и соединительные отсеки - с пластинчатыми стабилизаторами.(еще немного про VSB-30, интересное)
Носитель - двухступенчатый, все ступени работают до полного выгорания топлива. Запуск осуществляется с рельсовой направляющей, в полете экспериментальный носитель стабилизуется вращением за счет ненулевого угла установки стабилизаторов. Форма траектории определяется пусковым углом и баллистическими паузами между ступенями носителя.
Экспериментальная ракета несет сразу два глайдера, отличающиеся схемой действия на конечном участке полета. Оба глайдера после входа в атмосферу совершают маневр с большим углом атаки, чтобы перейти от баллистического спуска к планированию. Первый глайдер продолжает управляемый спуск. Второй глайдер продолжает маневр в канале тангажа, переходит к равновесному планированию и продолжает полет до полного расходования кинетической энергии.
"Двухголовая" схема позволяет уменьшить количество пусков в программе испытаний, собрать в одном запуске больше информации и хотя бы частично выполнить летный эксперимент при отказе одного из глайдеров.
Чтобы полезная нагрузка такой сложной формы (два глайдера одновременно) не влияла на устойчивость и управляемость носителя, на участке выведения ее закрывает надкалиберный носовой обтекатель, отделяемый на верхнеатмосферном участке спустя 20 секунд после выключения ДУ второй ступени.
Летный эксперимент HiFire-IV начинается спустя 530 с после старта на высоте 87.9 км, в это время глайдеры спускаются по навесной (угол к местному горизонту -70.23 градуса) траектории. Скорость достигает 2.17 км/с (число Маха ~ 7). Маневр, выполняемый на пассивном участке траектории с помощью газовых рулей, обеспечивает вход глайдеров в атмосферу с углом атаки 25 град.
Летный эксперимент с первым глайдером длится 28 секунд. За это время оба глайдера увеличивают угол снижения с -70 до -50 градусов. Затем первый глайдер падает, а второй - совершает интенсивный маневр в канале тангажа для перехода к равновесному планированию () и продолжает полет.
Время после начала летного эксперимента, с | Число Маха |
0 | ~ 7.1 |
40 | ~ 5 |
60 | ~ 3 |
200 | ~ 2.1 |
400 | ~ 0.9 |
Летный эксперимент прошел 30 июня 2017 года в Австралии на полигоне Вумера, и хотя официально он был объявлен успешным, но найти в открытых источниках данные об обработке телеметрии и сделанных выводах пока не удается, и, судя по участию в эксперименте US AFRL и Defence Science Technology Group, пока не удастся.
Доступный в открытых источниках ролик позволяет порадоваться за группу управления пуском и полюбоваться зрелищем экспериментального носителя, срывающегося с рельсовой направляющейся куда-то вверх, но из него совершенно не ясно, что же произошло с птичками после старта.
Выводы.
Технологический демонстратор - это не уменьшенная копия штатного образца
Каждый летный эксперимент должен включать в себя только те аспекты штатного образца ЛА, которые в этом эксперименте нужно воспроизвести
Повсюду, где это можно - использовать коммерчески доступную электронику и вспомогательные системы
Материалы должны быть доступными, технологии изготовления - как можно более простыми
Жизнеспособность летного демонстратора должна соответствовать целям эксперимента. Можно позволить образцу сгореть или разбиться в щепки, если он уже передал всю необходимую телеметрию
Даже если цели научной работы официально озвучиваются мирными, как известный трактор, они вовсе не обязаны быть такими
