Учет воздействия ветра при определении аэродинамических нагрузок

При полете ракеты в атмосфере на нес могут действовать дополнительные аэродинамические нагрузки, причиной которых является ветер, всегда существующий в атмосфере. В расчетах на прочность удобно ветровые движения разделить на следующие группы в зависимости от градиентов их скорости по ординатам и времени:

• 1) струйные течения — движения масс воздуха большой протяженности и относительно небольшой толщины;
• 2) местные порывы ветра, у которых скорость нарастает от нуля и до максимального значения менее чем за 2 с на протяжении 300−500 м;
• 3) непрерывная атмосферная турбулентность, которую в расчетах на прочность принято представлять в виде суммы однократных порывов ветра, действующих на ракету один за другим.

Последнее условие позволяет учитывать лишь воздействие струйных течений и порывы ветра. Наибольшую величину скорость ветра принимает на высотах 10−15 км.

Для определения скорости ветра и> (м/с) на высоте h (км) можно воспользоваться следующими аппроксимационными зависимостями:

Конечно, скорость ветра зависит от многих факторов, таких как место на поверхности Земли, над которым она измеряется, время суток, года и т. п. На стадии проектных расчетов учесть их не представляется возможным.

На рис. 29 приводится профиль скорости ветра Сиссенвайна, который относится к 30° северной широты на территории США в районе мыса Кеннеди.

Рис. 29.

Рассмотрим влияние ветра на полные аэродинамические силы и перегрузки центра масс всей ракеты. Ограничимся двумя экстремальными случаями, когда ветер направлен по вектору скорости центра масс ракеты (встречный ветер) и перпендикулярно ему (поперечный ветер).

1. Встречный ветер (рис. 30). В этом случае

где q_z = pvy /2, a = v_x + w — суммарная скорость набегающего потока. Представим выражение для скоростного напора в виде.

где iv = w_c + u>_H; w_c — скорость струйного ветра; w_n — скорость порыва ветра. Тогда

Рис. 30.

Увеличение и У) при учете встречного ветра обычно незначительно и не превышает (2−6)%.

2. Поперечный ветер (рис. 31). В этом случае изменяется суммарная скорость центра масс и угол атаки: v^- = д/v^, + w² .Угол атаки изменится на величину Да = w/v_x и суммарный угол атаки о. у = а + Да. К моменту воздействия ветра на ракету ее подъемная сила У, = с'¹, aqS_m.

Рис. 31.

В соответствии с принятой классификацией ветровое движение можно разделить на струйное течение и порыв ветра. Установлено, что органы управления баллистической ракеты успевают компенсировать лишь струйную составляющую ветра, а порыв заставляет поворачиваться ее вокруг центра масс. Вычислим поперечные перегрузки центра масс и точек, нс совпадающих с ним в

этих условиях. Имеем Кц- = с"аус/^5_ш, где q^ = pv|/2. Кроме того, = (У|? + Y_p)/mg, где Y_p — суммарная управляющая сила. Для ее определения воспользуемся условием равенства аэродинамического и управляющего моментов: М_р+М_с= 0, откуда М_р = Y_p(lp — х_Ут) или Y_p = M_cj{l_p — x_lm). Здесь М_с = m_:cq_cS,"l

- аэродинамический момент, вычисляемый с учетом лишь только струйной составляющей ветра.

Теперь определим перегрузки в точке, не совпадающей с центром масс, имея в виду, что она вращается вокруг него в возмущенном движении, являющимся следствием воздействия порыва ветра. Имеем e_z = dcol (dt) = ДМ" /1_z, где /- - массовый момент инерции вокруг оси, проходящей через центр масс, которая перпендикулярна плоскости стрельбы; АМ_п = М_? —М_с, Му = m,-^q^S_ml — аэродинамический момент, вычисляемый с учетом обеих составляющих ветра. Получаем.

В некоторых случаях необходимо знать лишь аэродинамическую нагрузку, создаваемую порывом ветра. Подъемная сила, создаваемая порывом, равна:

где У_1Е = c"a_?<7_ZS_ra, Y_lc =c"a_cq_cS_m.

Дополнительные перегрузки центра тяжести от порыва Д/:" | = ЛУ|" /(mg), а перегрузки в произвольной точке ракеты, не совпадающей с центром масс,.

Вычислим также погонную нагрузку, создаваемую порывом в поперечном направлении, представив ее в виде двух составляющих — массовой и поверхностной:

НО.

Если скорость ветра значительно меньше скорости центра тяжести ракеты, т. е. w = (w_c + w_n) «v^, то q^=q_c = q и выражение (4.26) принимает вид

а суммарная перерезывающая сила, создаваемая порывом ветра, равна:

изгибающий момент.

Таким образом, последнее соотношение позволяет замкнуть схему вычисления воздействия ветра на ракету.