Активные силы и моменты, действующие на ЛА в полете

Напомним, что основной задачей механики полета с точки зрения общей механики является так называемая прямая задача механики – определение параметров движения по заданным силам и моментам. Т.е. силы и моменты в большинстве наших задач выступают как некоторые исходные данные, определяемые, как правило, в других, смежных дисциплинах.

В полете на ЛА в общем случае действуют следующие силы:

1. Силы притяжения Земли и друних небесных тел (Луны, Солнца, других планет);

2. Аэродинамические силы, как результат взаимодействия ЛА со средой, в которой происходит движение;

3. Аэростатические силы;

4. Силы тяги двигателей, установленных на ЛА;

5. Дополнительные силы, например, силы реакций при взаимодействии ЛА с другими телами (аппаратами или их частями) при старте, разделении ступеней и т.п.

Сразу следует отметить, что хотя здесь перечислены только силы, в общем случае ЛА испытывает воздействие и моментов от этих сил.

Гравитационное воздействие на ЛА со стороны Земли мы рассмотрели достаточно подробно. Гравитационное влияние других небесных тел будет рассмотрено в разделе “Механика космического полета”, поскольку таковое влияние на ЛА, совершающие полет в пределах атмосферы Земли, пренебрежимо мало.

Аэродинамические силы и моменты

Все аэродинамические силы, действующие на различные части ЛА, можно привести к результирующей полной аэродинамической силе (действующей на ЛА в целом и проходящей через центр масс ЛА) и результирующему полному аэродинамическому моменту (действующей на ЛА в целом относительно его центра масс). Величина и направление и зависят от многих факторов, в том числе от и т.д.

Полная сила принципиально может быть представлена в виде составляющих по осям любой наиболее удобной СК. Для определенности будем в дальнейшем полагать, что полная аэродинамическая сила в качестве исходных данных представлена в виде составляющих по осям скоростной СК , т.е. в виде

,

где

- сила лобового сопротивления ЛА;

- подъемная сила ЛА;

- боковая сила ЛА;

- безразмерные аэродинамические коэффициенты, зависящие от многих факторов, главным образом от формы и размеров ЛА, скорости и высоты полета, углов , , и многих других.

Полный аэродинамический момент обычно представляют в виде составляющих по осям связанной СК , т.е. в виде

,

где

- момент крена;

- момент рыскания;

- момент тангажа

- безразмерные коэффициенты момента, зависящие от тех же факторов, что и , но и некоторых дополнительных, например, от угловых скоростей вращения ЛА .

Аэростатические силы

Отметим, что большинство движущихся объектов современной летательной техники являются аппаратами так называемой большой относительной плотности, т.е. такими аппаратами, плотность которых (отношение массы к объему) на 2-3 порядка превышает плотность окружающей среды. Для таких аппаратов влияние сил аэростатической природы (а также сил, обусловленных инерцией присоединенных масс среды) является пренебрежимо малым. Именно такие аппараты главным образом мы и имеем в виду в нашем курсе.

Вопросы динамики аппаратов малой относительной плотности (дирижабли, аэростаты, подводные аппараты) рассмотрены в специальной литературе.

Силы тяги двигателей

Общая характеристика и методы расчета сил тяги двигателей, установленных на ЛА, широко представлены в соответствующей литературе. Отметим только, что суммарная (полная) сила тяги может не проходить через центр масс ЛА и вызывает в этом случае дополнительный момент, действующий относительно центра масс ЛА.

Дополнительные силы

Под дополнительными силами обычно понимаются силы, характерные для так называемых переходных участков траекторий – при старте, разделении ступеней, отделении головных частей и др. Для таких участков траектории характерны также резкие изменения характеристик ЛА и его частей, ДУ, а также режимов работы системы управления; специфичны также и действующие возмущения.

По этим причинам исследование переходных участков траектории представляет собой самостоятельную совокупность задач, объединяемых аналогичностью динамических процессов и идентичностью постановок задач. Во всех таких задачах основным элементом является определение сил, действующих на ЛА. Для этого обычно разрабатываются свои, специфичные методы с учетом конкретных особенностей конструкции ЛА, работы систем и особенностей задачи.

В заключение для иллюстрации на рисунках 2.15 и 2.16 представлены схемы некоторых углов и действующих на ЛА сил при полете строго в вертикальной и строго в горизонтальной плоскостях.

Рис. 2.15. Схема углов и сил, действующих на ракету сил при полете строго в вертикальной плоскости

Рис. 2.16. Схема углов и сил, действующих на ракету сил при полете строго в горизонтальной плоскости