De Cellepanelerne , også kaldet paneler stabilisering eller finner gitter (russisk: решетчатая крылья undertiden også kaldet flapper eller paneler Belotserkovskiy ) er en type finne eller ror flyvning anvendes på raketter og missiler eller bomber til stedet for mere konventionelle styreflader eller stabilisatorer, såsom som flade finner for at sikre deres aerodynamiske stabilitet eller manøvredygtighed. Opfundet i Sovjetunionen i 1950'erne bruges de i dag på visse rumskydere, såsom Soyuz , Falcon 9 , START-1 eller den kinesiske raket Long 2F .
Cellularpaneler blev udviklet i 1950'erne af et hold ledet af Sergey Belotserkovskiy (ru) og har været brugt siden 1970'erne i forskellige modeller af sovjetiske ballistiske missiler såsom Scaleboard SS-12, SS-20 Sabre , SS-21 Scarab , SS- 23 Spider og SS-25 segl. Den sovjetiske N-1 måneraket brugte fire i den nederste del. I dag har evakueringssystemet for bemandede Soyuz- skibe fire af dem, foldet op mod kapslens hylster (billede nedenfor). I 2011 planlagde NASA også at udstyre sin Orion-kapsel med sådanne cellulære paneler (billedet nedenfor).
De er blevet brugt på klassiske missiler og bomber som Vympel R-77 luft-til-luft missil , Kalibr 3M-54 (SS-N-27 Sizzler) krydstogtsfamilie og den klassiske Massive Ordnance bombe med stor kapacitet. Air Blast Bomb (MOAB).
I 2014 testede SpaceX cellulære paneler på et demonstrations køretøj i første fase af dets genanvendelige Falcon 9- raket og21. december 2015, blev de brugt i den hurtige atmosfæriske genindtrædelsesfase til at stabilisere og hjælpe med at styre en kommerciel Falcon 9 første fase under landing.
Den 1 st etape af raketten hyperbel-1 kinesisk privat selskab iSpace dukkede den25. juli 2019som udstyret med mobilpaneler til holdningskontrol . Det15. oktober 2003, var det kinesiske rumfartøj Shenzhou , der bar de første taikonauter , også udstyret (efter modellen af den russiske Soyuz-kapsel).
Implementerede cellulære paneler af Soyuz-rumfartøjet i abortkonfiguration (kilde NASA).
Soyuz besætningens nødevakueringssystem.
Cellepaneler på den afbryderkonfiguration af Orion-fartøjet
Den Vympel R-77 er en BVR missil der bruger cellulære paneler.
Den finner konventionelle plane af holdning kontrol og stabilisator hale er formet som små vinger. På den anden side fremstår de cellulære paneler som en stak af små celler arrangeret inde i en ramme, hvor alle disse celler er åbne for luftstrømmen. Sektionen af hver enkelt celle betyder ikke noget (deres sektion er normalt firkantet, men den kan også være sekskantet eller ligesidet trekantet. Denne type celle producerer omtrent det samme løft som celler med kvadratisk sektion).
Mobilpaneler kan betragtes som stammer fra biplaner, multiplaner eller kaskadeprofiler.
Grafen overfor tegner de eksperimentelle værdier for den dimensionsløse koefficient for normal kraft for fire lameller med samme eksterne dimensioner (akkord og dimensioner af deres ramme). Disse fire kroppe får incidens omkring deres vandrette symmetriakse (f.eks. Den røde akse i rammen alene). Bemærk, at rammen alene (lyseblå kurve) producerer mindre normal lift end rammen, der viser et internt plan eller to x-planer (disse to kroppe producerer den samme lift under 5 °). Endelig skaber kroppen med to parallelle interne planer (tæt blå kurve) lidt mere normal lift.
Afstanden mellem alle planerne i denne sidste krop svarer til deres akkord. Man kan indrømme, at strømningen omkring de to interne planer er en 2D-strømning, så hvis en placeres inden i rammen fem lodrette skillevægge, ville denne 2D-strøm kun blive let modificeret. Vi ville derefter få et klassisk cellepanel med 18 kubikceller , hvis størrelse ville være lidt anderledes end startlegemet med to interne planer.
Den vigtige lektion, der skal drages fra denne graf af Brooks og Burkhalter, er, at produktet af lamellerede kroppe kun afhænger af dets interne arkitektur, forudsat at dette adskiller rammen tilstrækkeligt; i denne henseende ser det ud til, at rammen alene ikke kanaliserer nok den interne strømning (den interne strømning styres ikke tilstrækkeligt af rammen alene, især i midten, hvor udgangshastigheden ikke bør afviges nok).
En anden forløberindretning af cellulære paneler var Horatio Phillips 'lamellerede vinger (tyndt gitter på engelsk). Dens model af fly fra 1904, der kumulerede 20 overlejrede bærende fly (billedet modsat), fik kun et spring på 15 meter (dets skaber vurderer det ustabilt i længderetningen). Men en endnu mere kompleks maskine (akkumulerer 200 lameller i fire på hinanden følgende paneler) fløj 150 meter (dette var den første flyvning af en tungere end luft i Storbritannien).
En anden forløber for cellulære paneler var Joseph Lecornu, der udviklede sine berømte cellulære drager (billedet nedenfor). Disse drager blev også kaldet hyldedrager, fordi de lignede meget disse lagerenheder.
Så kom Sergey Belotserkovskiy (ru) . Han var først interesseret i sæt af overlejrede vinger klassisk i lameller. Kosmonaut Yuri Gagarin blev efter sin triumferende flyvning (den første menneskelige flyvning i rummet) bestilt i januar-februar 1954 til Sergey Belotserkovskiy for at undersøge anvendelsen af sin forskning på rumskibe og især til Soyuz-rumfartøjet .
Cellularpaneler er resultatet af denne sovjetiske forskning. De kombinerer to sæt lameller orienteret i to vinkelrette retninger (hvis vi vender tilbage til Phillips-modellen modsat, skal vi forestille os, at vi tilføjer 20 lodrette lameller orienteret parallelt med maskinens vej). På denne måde kan de to sæt lameller udvikle to løft i to vinkelrette retninger, når de placeres i indfald (de skæve retninger giver anledning til en skæv løft, sammensætning af de to normale løft).
Cellepaneler kan foldes, vippes fremad eller bagud mod det cylindriske legeme af en missil eller raket, lettere og mere kompakt end flade finner, hvilket muliggør opbevaring mindre omfangsrig af missilet eller selve mobilpanelerne langs rumfartøjet (Soyuz-billede ovenfor) . Når missiler lanceres fra et rør, eller når de opbevares i interne flybåse (såsom stealth- fly ), er denne kollapsede lagringstilstand meget nyttig. Typisk vippes cellulære paneler fremad eller bagud for at bevæge sig væk fra kroppen og vender ud mod vejen kort efter missilet er affyret. For raketter og rumfartøjer gør mobilpanelernes foldede position dem ubrugelige og genererer mindre aerodynamisk træk . I betragtning af de forskellige anvendelser, der er lavet af cellulære paneler, er det klart, at det er denne egenskab, der let kan trækkes tilbage, der tæller med i valget af denne løsning.
Cellularpaneler har en akkord (afstanden mellem forkanten og bagkanten af hver celle) meget kortere end flade finner; Derfor er deres liftcenter , som er mellem deres forkant og deres bagkant, i tykkelsen af det cellulære panel, hvilket reducerer det øjeblik, som denne lift udøver på styremekanismen (hvis det er i), hvilket tillader brugen af mindre aktuatorer.
Cellularpaneler fungerer meget godt ved subsoniske og supersoniske hastigheder , men dårligere ved transoniske hastigheder . Den transoniske strømning medfører faktisk dannelsen af en stødbølge inde i hver celle, hvor alle disse stødbølger tvinger en stor del af luftstrømmen til at passere væk fra hele cellerne i stedet for at krydse den og generere løft (vi kommer tilbage til dette nedenfor ). Når Mach-tallet er højere, bliver strømmen, der passerer gennem cellerne, helt lydløs, og cellepanelerne giver igen et godt løft med lav træk og større manøvredygtighed end de plane finner.
I modsætning til hvad udtrykket Grid finne antyder, cellulære paneler ikke arbejde i træk. Naturligvis kan man forestille sig at stabilisere en raket ved hjælp af en enhed, der arbejder i træk (f.eks. Ved at hænge en faldskærm på halen), men denne stabilisering ville være meget dyr med hensyn til energi. Tværtimod producerer cellulære paneler god løft, når de placeres i incidens og relativt lidt træk (som enhver vinge). På den anden side, når selve skibet er anbragt (diagram modsat), er alle cellulære paneler i forekomst og derfor producenter af lift (hvorimod i tilfælde af finner konventionelle fly, når skibet placeres i forekomst i et plan, der indeholder fartøjets akse og to modsatte finner (tilfælde af fire finner), er det de to andre finner alene, der stabiliserer fartøjet).
Orienteringen af skillevægge af firkantede celler i rammen af hvert panel kan være ligegyldig i x (skillevægge ved 45 ° i forhold til siderne af rammen, når sidstnævnte er rektangulær) eller i + (skillevægge parallelle med siderne af en rektangulær ramme.); faktisk producerer de to retninger den samme lift. For at være overbevist om dette er det nødvendigt at tænke, at luftstrømmen, der kommer ind i en celle, er fuldstændig kanaliseret af skillevægge af denne, og at det derfor er forpligtet til at tage retning af denne celles akse. 45 ° -retningen, der giver fordelen ved at triangulere rammerne, er derfor generelt valgt (som på Soyuz).
Den indvendige del af elevatoren (liften, der er skabt ved afbøjning af luftstrømmen, når den passerer gennem panelcellerne) er meget lettere at beregne end en vings løft. For at udføre denne beregning er det tilstrækkeligt at bemærke ændringen i mængden af luftstrømnings bevægelse mellem indgangen til cellerne og deres udgang (ved denne udgang har luftstrømmen taget den generelle retning af cellernes akse). Hoerner, på side 19-16 i sin bog Fluid Dynamic Lift foreslår den teoretiske værdi for koefficienten for den interne løft af de ringformede vinger:
”I betragtning af en cylinder [i forekomsten] åben for en strømning uden hindring over hele dens længde, giver afbøjningen af luftmængden teoretisk:
... hvor koefficienten er baseret på frontalområdet [af cylinderen] ”
I denne ligning er forekomsten af cylinderen i radianer og den samme forekomst i grader. Den dimensionsløse løftekoefficient defineres konventionelt som følger:
idet den er den komponent i den aerodynamiske resulterende, der er normal i forhold til den ringformede vings akse, idet den er det dynamiske tryk i strømningen og den indvendige sektion i den ringformede fløj (det afsnit, gennem hvilket den indre strøm passerer).
I eksemplet givet af Hoerner er sektionen af afbøjningscylinderen cirkulær, men den samme beregning (baseret på bevægelsesmængderne) giver det samme resultat, hvis sektionen af afbøjningscylinderen (eller prisme) er firkantet eller af en anden form. .
Den dimensionsløse koefficient for intern lift (som defineret ovenfor) er derfor gyldig , uanset celleformen eller alle celler, der udgør cellepanelet.
Hoerner tilføjer endda, om lokaliseringen af denne interne løft: "[man kan indrømme], at afbøjningen af luften sker ved indgangen eller nær indgangen til den aksiale kanal [cylinderen] [...]" Faktisk luftstrømmen at komme ind i en celle er tvunget til at vedtage meget hurtigt den celle generelle retning, dette fordi det er stærkt begrænset af tilstedeværelsen i alle retninger af cellevæggene. Således at den interne løft af en ringformet vinge med en længde på fem gange dens diameter, f.eks. Ikke gælder for 2,5 diametre af indgangen til den ringformede fløj, men meget tæt på denne indgang. For at opnå denne interne løft er der derfor ikke behov for at præsentere lange afbøjningsceller til strømmen: Dette forklarer, hvorfor cellepaneler altid har celler, hvis længde (målt i strømningsretningen) er omtrent deres bredde eller højde. Med andre ord, når et cellepanel har celler med kvadratisk sektion, har hver af dets celler en omtrent kubisk form .
Mens det indre af cellulære paneler let kan beregnes, kan det samme ikke siges om det eksterne. Værdierne af denne dimensionsløs koefficient citeret i litteraturen viser, at i alt (intern + ekstern) af isolerede cellulære paneler ofte nå i størrelsesorden , dette (ved radianer og med henvisning til passagen overflade af panelerne) afhængig kraftigt om panelernes geometriske egenskaber (cellernes tæthed, celleakkord og frontal forlængelse af rammer)
Kretzschmar og Burkhalter bemærker, at de aerodynamiske egenskaber for de fleste af de testede paneler forbliver lineære op til en indfaldsvinkel på ca. 7 grader.
Simpson og Sadler skriver på baggrund af et fartøj, der tager en stigningsvinkel for angreb (billedet modsat): "Det lyddæmpende panel [panel nr . 4] er mindst effektivt ved store angrebsvinkler, men ved små angrebsvinkler genererer så meget kraft som panelvinden [panel nr . 2]. " I gennemsnit giver lille forekomst (<4 °) panelerne i indfaldsplanet 30% af stigningsstabiliteten og de to andre paneler (vandrette tegn nr . 1 og 3 i vores diagram) 70% eller mere end dobbelt så meget ( og dette fra M. 0,7 til M. 4,5). Denne forskel i effektivitet skal tilskrives præsentationen af de nævnte paneler og deres plads i strømmen omkring skroget. For højere angrebsvinkler, når vi observerer diagrammet overfor (hvor raketten har taget en angrebsvinkel i det lodrette plan), ser vi, at panel 4 er placeret nedad i skroget, dvs. i området forstyrret af skroget. Dens lift reduceres kraftigt.
Generelt udsættes paneler 1 og 3 i incidens for den bølge, der skabes af tilstedeværelsen af skroget (som afbøjer strømningen, der omgår den mod disse paneler), og de genererer derfor mere løft. Hvad angår panel 2 og 4 (paneler mod vind og bagud ), nyder de ikke denne overstrømning ; tværtimod findes de i dele af strømmen, der har tendens til at indtage skrogetes generelle retning: forekomsten af strømmen, der passerer gennem dem, reduceres tilsvarende, og derfor løftes de. Analysen af de eksperimentelle målinger fører faktisk til at overveje, at den gennemsnitlige indfaldsvinkel for de cellulære paneler, der er placeret i indfaldsplanet, er halvdelen af maskinens forekomst værd.
Løft af panelerne i henhold til deres rullepræsentationSom med plane halefinner kan en cellulær panelraket udsættes for svingninger, der får halen til at arbejde i + eller x (og generelt i alle mellemliggende rullevinkler). Halenhederne, der består af flade finner, viser sig at fremkalde nogenlunde samme løft i præsentationen i x eller i + (og derfor i alle rullevinkler). Det samme gælder for mobilpaneler. Figuren modsat viser udviklingen af det samlede antal af en maskine til 4 rullevinkler (0 °, dvs. i +, 22,5 °, 45 °, dvs. i x og 67,5 °). Vi bemærker, at disse fire kurver ikke er meget forskellige
Cellularpaneler går ikke i stå i den traditionelle betydning af dette ord i Fluid Mechanics, men fortsætter med meget store indfaldsvinkler til at producere lift.
Manøvredygtigheden eller tilbagevenden til neutral af raketter eller missiler kan især øges ved at sætte mobilpanelerne i den rette forekomst (i forhold til skroget). Som det kan ses i grafen overfor, producerer den kumulative forekomst af cellulære paneler (forekomsten i forhold til ) faktisk en rækkefølge af samme størrelsesorden som den, der produceres (passivt) ved den enkle forekomst af skroget (venstre kurve, hvor de cellulære paneler ikke er anbragt i den rette forekomst).
Vi bemærker også i grafen overfor det stærke løft, der produceres af de kumulative forekomster, der spænder fra 40 til 50 °: Cellepanelerne stopper derfor ikke i den aeronautiske betydning af udtrykket.
Mens dårligt designede cellulære paneler kan generere en aksial kraft 3 eller 4 gange større end for flade finner, kan veldesignede mobilpaneler producere et '' subsonisk '' '' træk, der kan sammenlignes med det for flade finner, forudsat at af celleskillevægge beregnes så nøjagtigt som muligt: Panelernes krydsstruktur er faktisk iboende resistent, hvilket gør det muligt at vælge meget tynde cellevægge med resultatet at reducere vægten og omkostningerne.
Observation af de eksperimentelle data indikerer, at koefficienten for aksialkraften af de cellulære paneler ændrer sig meget lidt med forekomsten.
Mobilpaneler viser sig at have højere løfteegenskaber end flade finner i supersonisk (50% mere løft end flade finner ved Mach 2.5).
Mange forfattere har bemærket en pludselig stigning i aksial træk, ledsaget af et pludseligt fald i løft, lidt over Mach 0,7 (mere præcist omkring Mach 0,77). Ved denne hastighed tvinger reduktionen i passageafsnittet på grund af tykkelsen af celleskillevægge såvel som tykkelsen af det grænselag, der er udviklet på disse skillevægge, strømmen til at accelerere (ved Venturi-effekten).) Denne acceleration lokalt hæve hastigheden til lydens. Dette resulterer i oprettelsen af en løsrevet normal stødbølge foran panelerne, som afleder strømmen til periferien af disse paneler (stigende træk). Ovenfor Mach 1 danner de forreste kanter af celleskillevæggene hver en bagudvendt indre stødbølge, hvor disse indre bølger reflekterer fra cellernes indre vægge. Denne konfiguration resulterer altid i blokering af cellerne. Derefter, omkring Mach 1.5, bliver vinklen på stødbølgerne skarpere, er der ikke længere nogen refleksion på væggene, og trækket vender tilbage til en lavere værdi.
Den transoniske fordybning af cellerne frembringer også et skarpt fald i lifthældningen , linjen i dette fald tegner et markeret bassin (billedet modsat). Visse målinger i aero-ballistisk fyringszone placerer denne transonic skål ved Mach 0,77, men bemærk en tilbagevenden til en korrekt lift, så snart enheden Mach er krydset (hvorimod de fleste undersøgelser i vindtunneler udvider transonic skål op til M. 1, 5) .
Det transoniske liftbassin kan resorberes kraftigt, hvis cellernes skillevægge får bearbejdede former (pilskillevægge som i billedet modsat og diamantprofil for disse skillevægge).
På Falcon 9 til SpaceX bruges cellepaneler til at stabilisere løfteraketter og lette den aerodynamiske kontrol af deres landing. Udviklingsindsatsen for disse cellulære paneler er en del af SpaceX's genanvendelige launcher-udviklingsprogram startet i 2012. Den første hypersoniske flyvetest med cellulære paneler fandt sted ifebruar 2015, cellulære paneler, som derefter blev brugt til alle eksperimentelle Falcon 9- landinger . Endelig, efterdecember 2015, er der opnået et stigende antal landinger i første fase ved hjælp af disse bæreflader.
Designet af de cellulære paneler på Falcon 9 fortsatte i 2017. Elon Musk , administrerende direktør for SpaceX, meddelte i begyndelsen af 2017, at en ny version af disse mobilpaneler ville forbedre genanvendeligheden af de første faser. Den Falcon 9 Blok 5 / Version 2.5 vil indføre nye cellulære paneler i titanium skåret i massen. Mr. Musk påpegede, at de tidlige versioner var lavet af aluminium. Cellepanelerne udsættes for temperaturer tæt på grænserne for det metal, der udgør dem under genindgangen og landingen, til det punkt, at nogle kom i brand under sekvensen for ind- eller udgang, så de var dækket med en ablativ termisk beskyttelse system . De nye titaniumpaneler forventes at give bedre raketkontrol og øge nyttelastkapaciteten i kredsløb ved at lade Falcon 9 flyve i en højere angrebsvinkel . De større og mere robuste titaniumcellepaneler blev umalet og blev først testet ijuni 2017. De er blevet brugt på alle de første faser af Falcon 9 Block 5 siden slutningen af 2017.
Hvis missionen afbrydes, skæres skibet ud lige under de fire paneler.
De fire mobilpaneler i den beboede Soyuz.
Cellepaneler på et SS-20 ballistisk missil .
Cellepaneler på første fase af en Falcon 9 .
Første testcellepaneler kontrolleret afstamning test en Falcon 9 (en) , den11. februar 2015.
Mobilpanel omdannet til et bord
Falcon 9-paneler indsat.