Hücre panelleri olarak da bilinen paneller stabilizasyon ya da e ızgara (Rusça: решетчатая крылья bazen de denir kanatlar veya paneller Belotserkovskiy ) kanat veya bir tür dümen kullanılan uçuş roket ve füze veya bomba gibi yerine daha geleneksel kumanda yüzeyleri ya da stabilize ediciler, aerodinamik stabilitesini veya manevra kabiliyetini sağlamak için düz kanatçıklar olarak . 1950'lerde SSCB'de icat edildi, günümüzde Soyuz , Falcon 9 , START-1 veya Çin Long March 2F roketi gibi belirli uzay fırlatıcılarında kullanılıyorlar .
Hücresel paneller 1950'lerde Sergey Belotserkovskiy (ru) liderliğindeki bir ekip tarafından geliştirildi ve 1970'lerden beri Scaleboard SS-12, SS-20 Sabre , SS-21 Scarab , SS- gibi çeşitli Sovyet balistik füze modellerinde kullanıldı. 23 Örümcek ve SS-25 Orak. Sovyet N-1 ay roket alt kısmında dört kullanılır. Günümüzde, insanlı Soyuz gemilerinin tahliye sistemi , kapsülün kefenine doğru katlanmış dört tanesine sahiptir (aşağıdaki resim). 2011 yılında NASA, Orion kapsülünü bu tür hücresel panellerle donatmayı da planladı (aşağıdaki resim).
Vympel R-77 havadan havaya füze , Kalibr 3M-54 (SS-N-27 Sizzler) seyir füzesi ailesi ve klasik Massive Ordnance büyük kapasiteli bomba gibi klasik füzeler ve bombalarda kullanıldılar . Air Blast Bomb (MOAB).
2014 yılında SpaceX , yeniden kullanılabilir Falcon 9 roketinin ilk aşama tanıtım aracında hücresel panelleri test etti veAralık 21, 2015, iniş sırasında ticari bir Falcon 9 ilk aşamasını stabilize etmek ve yönlendirmeye yardımcı olmak için yüksek hızlı atmosferik yeniden giriş aşamasında kullanıldılar .
1 st roket sahne Hiperbol-1 Çinli özel şirket iSpace göründü25 Temmuz 2019tutum kontrolü için hücresel panellerle donatılmış olarak . The15 Ekim 2003, ilk taikonotları taşıyan Çin uzay aracı Shenzhou da donatıldı (Rus Soyuz kapsülünün modelinde).
Soyuz uzay aracının başarısız konfigürasyonda konuşlandırılabilir hücresel panelleri (kaynak NASA).
Soyuz mürettebatının acil durum tahliye sistemi.
Orion gemisinin başarısız konfigürasyonundaki hücresel paneller
E konvansiyonel düzlemsel tutum kontrolü ve stabilizatör kuyruk küçük kanat formundadır. Öte yandan, hücresel paneller, bir çerçeve içinde düzenlenmiş küçük hücreler yığını olarak görünür ve bu hücrelerin tümü hava akışına açıktır. Her bir hücrenin bölümü önemli değildir (bölümleri genellikle karedir, ancak altıgen veya eşkenar üçgen de olabilir. Bu hücre türü, kare kesitli hücreler ile kabaca aynı kaldırma kuvvetini üretir).
Hücresel paneller, çift kanatlılardan, çoklu düzlemlerden veya kademeli profillerden türetilmiş olarak düşünülebilir.
Karşısındaki grafik , aynı dış boyutlara (çerçevelerinin kirişleri ve boyutları) sahip dört panjurlu cismin boyutsuz normal kuvvet katsayısının deneysel değerlerini çizer . Bu dört cisim, yatay simetri eksenleri (örneğin, yalnızca çerçevenin kırmızı ekseni) etrafındaki olayı devralır. Tek başına çerçevenin (açık mavi eğri), bir iç düzlem veya iki x düzlemi (bu iki gövde 5 ° 'nin altında aynı kaldırmayı üreten) çerçeveden daha az güçlü bir normal kaldırma oluşturduğuna dikkat edin. Son olarak, iki paralel iç düzlemi olan vücut (yoğun mavi eğri) biraz daha normal bir kaldırma oluşturur.
Bu son cismin tüm düzlemlerinin aralığı akorlarına eşittir. İki iç düzlemin etrafındaki akışın 2 boyutlu bir akış olduğu kabul edilebilir, böylece çerçevenin içine beş dikey bölüm yerleştirilirse, bu 2B akış sadece biraz değiştirilir. Daha sonra , boyutu iki iç düzlemli başlangıç gövdesinden biraz farklı olacak olan 18 kübik hücreli geleneksel bir hücre paneli elde edecektik.
Brooks ve Burkhalter'in bu grafiğinden çıkarılacak önemli ders , çerçeveyi yeterince ayırması koşuluyla, panjurlu gövdelerin ürününün iç mimarisine çok az bağlı olduğudur; bu bağlamda, çerçeve tek başına iç akışı yeterince kanalize etmiyor gibi görünmektedir (iç akış, tek başına çerçeve tarafından yeterince yönlendirilmemektedir, özellikle de çıkış hızının yeterince sapmaması gereken ortasında).
Hücresel panellerin bir başka öncüsü Horatio Phillips'in (ince kafes, İngilizce) panjurlu kanatlarıydı. Onun 1904 uçak modeli, 20 üst üste binmiş yük taşıyıcı düzlemi (karşısındaki resim) sadece bir 15 metrelik sıçrama yaptı (yaratıcısı boylamasına dengesiz olduğuna karar verdi). Ancak daha da karmaşık bir makine (birbirini takip eden dört panelde 200 panjur atışı biriktiren) 150 metre uçtu (bu, Büyük Britanya'daki havadan ağır bir uçuşun ilk uçuşuydu).
Hücresel panellerin bir başka öncüsü, ünlü hücresel uçurtmalarını geliştiren Joseph Lecornu'dur (aşağıdaki resim). Bu uçurtmalar, bu depolama cihazlarına çok benzedikleri için raf uçurtmaları olarak da adlandırıldılar .
Sonra Sergey Belotserkovskiy (ru) geldi . İlk olarak, klasik olarak panjurlarda üst üste binen kanat setleriyle ilgilendi. Kozmonot Yuri Gagarin , muzaffer uçuşundan sonra (uzaydaki ilk insan uçuşu), araştırmasının uzay aracına ve özellikle de Soyuz uzay aracına uygulanmasını incelemek üzere Ocak-Şubat 1954'te Sergey Belotserkovskiy'e görevlendirildi .
Hücresel paneller, bu Sovyet araştırmasının sonucudur. İki dikey yönde yönlendirilmiş iki panjur setini birleştirirler (Phillips modeline geri dönersek, tersi, makinenin yoluna paralel yönlendirilmiş 20 dikey panjur eklediğimizi hayal etmeliyiz). Bu şekilde, iki dizi panjur, geliş sırasına yerleştirildiklerinde iki dikey yönde iki kaldırma geliştirebilir (çarpık yönler eğimli bir kaldırmaya neden olur, iki normal kaldırmanın bileşimi).
Hücresel paneller, bir füzenin veya roketin silindirik gövdesine karşı katlanabilir, öne veya arkaya doğru eğilebilir, düz kanatlara göre daha kolay ve daha kompakt bir şekilde, füzenin daha az hacimli veya hücresel panellerin uzay aracı boyunca depolanmasını sağlar (yukarıdaki Soyuz resmi) . Füzeler bir tüpten fırlatıldığında veya uçak içi bölmelerde ( gizli uçaklar gibi ) depolandığında, bu çökmüş depolama modu çok kullanışlıdır. Tipik olarak, hücresel paneller vücuttan uzaklaşmak için öne veya arkaya doğru eğilir ve füze ateşlendikten hemen sonra yola bakar. Roketler ve uzay aracı için, hücresel panellerin katlanmış konumu onları çalışmaz hale getirir ve daha az aerodinamik sürükleme oluşturur . Hücresel panellerden yapılan farklı kullanımlar göz önüne alındığında, bu çözümün seçiminde sayılanın kolayca geri çekilme özelliği olduğu açıktır.
Hücresel paneller sahip kiriş (öncü arasındaki mesafeyi kenarı ve arka kenarı düz kanatlar çok daha kısa her bir hücrenin); Sonuç olarak, ön kenarları ile arka kenarları arasında kalan kaldırma merkezleri , hücresel panelin kalınlığındadır, bu da bu kaldırmanın direksiyon mekanizmasına (eğer içindeyse) uyguladığı momenti azaltarak kullanıma izin verir. daha küçük aktüatörlerin.
Hücresel paneller ses altı ve ses üstü hızlarda çok iyi performans gösterir , ancak ses ötesi hızlarda daha kötüdür . Transonik akış, aslında her hücrenin içinde bir şok dalgasının oluşmasına neden olur , tüm bu şok dalgaları, hava akışının büyük bir bölümünü, onu geçmek ve kaldırma oluşturmak yerine, bütün hücrelerden uzaklaşmaya zorlar (buna aşağıda geri dönüyoruz. ). Tüm Mach sayısı yüksektir Hücreler içinden geçen akış tamamen süpersonik olur ve hücre levhaları daha düzlemsel yüzgeçlerine göre daha düşük bir hava direnci ve daha fazla hareket kabiliyeti olan, iyi bir kaldırma sağlamak.
Izgara yüzgeci ifadesinin önerdiğinin aksine , hücresel paneller sürüklenmede çalışmaz. Kuşkusuz, bir roketi, sürüklenerek çalışan bir cihazla (örneğin bir paraşütü kuyruğuna asarak) stabilize etmek düşünülebilir, ancak bu stabilizasyon enerji açısından çok pahalı olacaktır. Aksine, hücresel paneller, insidansa yerleştirildiğinde iyi bir kaldırma ve nispeten az direnç (herhangi bir kanat gibi) üretir. Öte yandan, geminin kendisi olay yerine yerleştirildiğinde (şema karşısındaki şema), tüm hücresel paneller rastlantı halindedir ve bu nedenle kaldırma üreticileri (yüzgeçler söz konusu olduğunda, geleneksel düzlemler, gemi insidansa yerleştirildiğinde) Geminin eksenini ve iki karşıt yüzgeci içeren bir düzlem (dört yüzgeç olması durumunda), tekneyi stabilize edecek olan tek başına diğer iki yüzgeçtir).
Her panelin çerçevesindeki kare hücrelerin bölmelerinin yönü kayıtsız bir şekilde x (dikdörtgen olduğunda çerçevenin kenarlarına göre 45 ° 'de) veya + (dikdörtgenin kenarlarına paralel bölümler) olabilir. çerçeve.); gerçekte iki yönelim aynı asansörü üretir. Buna ikna olmak için, bir hücreye giren hava akışının tamamen bunun bölmeleri tarafından yönlendirildiğini ve bu nedenle bu hücrenin ekseninin yönünü benimsemek zorunda olduğunu düşünmek gerekir. Çerçevelerin üçgenlenmesi avantajını sunan 45 ° yönlendirme , bu nedenle genel olarak seçilir (Soyuz'da olduğu gibi).
Asansörün iç kısmının (panel hücrelerinden geçerken hava akımının yön değiştirmesiyle oluşan asansör) hesaplanması bir kanadın kaldırılmasına göre çok daha kolaydır. Bu hesaplamayı yapmak için, hücrelerin girişi ile çıkışı arasındaki hava akışının hareket miktarlarındaki değişime dikkat etmek yeterlidir (bu çıkışta, hava akışı hücrelerin ekseninin genel yönünü almıştır). Hoerner, Akışkan Dinamik Kaldırma kitabının 19-16. Sayfalarında halka kanatların iç kaldırma katsayısı için teorik değeri önermektedir:
"[Tesadüfen] tüm uzunluğu boyunca engelsiz bir akışa açık olan bir silindir düşünüldüğünde, teorik olarak hava hacminin sapması şunları üretir:
… Katsayının [silindirin] ön alanına dayandığı yerde "
Bu denklemde silindirin radyan cinsinden görülme sıklığı ve derece cinsinden aynı görülme sıklığıdır. Boyutsuz kaldırma katsayısı, geleneksel olarak aşağıdaki gibi tanımlanır:
, çember kanadın eksenine aerodinamik elde edilen normal bileşeni olan olan dinamik basınç akışının ve çember kanattan iç bölüm (iç akış geçtiği bölümü).
Hoerner tarafından verilen örnekte, saptırıcı silindirin kesiti daireseldir, ancak aynı hesaplama (Hareket Miktarlarına dayalı olarak) , saptırıcı silindirin (veya prizmanın) kesiti kare veya başka bir şekle sahipse aynı sonucu verir . .
Boyutsuz iç kaldırma katsayısı (yukarıda tanımlandığı gibi) bu nedenle , hücrenin veya hücre panelini oluşturan tüm hücrelerin şekli ne olursa olsun geçerlidir .
Hoerner, bu Dahili Kaldırmanın lokalizasyonu hakkında ekliyor: "Havadaki sapmanın eksenel kanalın [silindir] girişinde veya girişinin yakınında meydana geldiğini [...]" Aslında, hava akışı Bir hücreye girmek, bu hücrenin genel yönünü çok hızlı bir şekilde benimsemeye zorlanır, çünkü hücre duvarlarının her yönden varlığıyla son derece sınırlıdır. Böylelikle, örneğin çapının beş katı uzunluğa sahip dairesel bir kanadın dahili kaldırması, dairesel kanadın girişinin 2.5 çapına uygulanmaz, ancak bu girişe çok yakındır. Bu iç kaldırmayı elde etmek için, bu nedenle, akışa uzun deflektör hücrelerinin sunulmasına gerek yoktur: Bu, hücre panellerinin neden her zaman uzunluğu (akış yönünde ölçülür) kabaca genişlikleri veya yükseklikleri olan hücrelere sahip olduğunu açıklar. Başka bir deyişle, bir hücre paneli kare kesitli hücrelere sahip olduğunda, hücrelerinin her biri kabaca kübik bir şekle sahiptir .
Eğer hücresel panellerin iç kolayca hesaplanabilir, bu için aynı değildir , dış. Literatürde belirtilen bu boyutsuz katsayının değerleri, izole edilmiş hücresel panellerin toplamının (iç + dış), büyüklük sırasına göre , buna (radyanlarla ve panellerin geçiş yüzeyine referansla ) sık sık ulaştığını göstermektedir. panellerin geometrik özellikleri (hücre yoğunluğu, hücre kirişi ve çerçevelerin önden uzaması)
Kretzschmar ve Burkhalter, test edilen panellerin çoğunun aerodinamik özelliklerinin yaklaşık 7 derecelik bir geliş açısına kadar doğrusal kaldığını belirtiyor.
Simpson ve Sadler, bir saldırı açısı alan bir gemiye dayanarak yazıyorlar (karşıt resim): "Leeward paneli [panel n o 4], büyük hücum açılarında en az etkilidir, ancak küçük hücum açılarında üretir panel rüzgarı kadar kuvvet [panel n o 2]. " Ortalama olarak, küçük insidans (<4 °), geliş düzlemindeki paneller, perde stabilitesinin% 30'unu sağlar ve diğer iki panel ( diyagramımızda n o 1 ve 3 yatay işaretler )% 70 veya iki katından fazla ( ve bu M. 0.7'den M. 4.5'e kadar). Verimlilikteki bu fark, söz konusu panellerin sunumuna ve bunların uçak gövdesi etrafındaki akışta yerlerine atfedilmelidir. Daha yüksek hücum açıları için, karşıdaki diyagramı (roketin dikey düzlemde bir hücum açısı aldığı yerde) gözlemlediğimizde, panel 4'ün gövdenin rüzgar yönüne doğru yerleştirildiğini görürüz . gövde tarafından rahatsız edilen alanda. Kaldırma büyük ölçüde azaltılır.
Genelde, paneller 1 ve 3 , gövdenin mevcudiyetinin yarattığı dalgalanmaya maruz kalırlar (bu, onu baypas eden akışı bu panellere doğru saptırır), bu nedenle daha fazla kaldırma üretirler. Panellerin 2 ve 4 (paneller gelince orsa ve leeward ), bu zevk almıyorum surflux ; tersine, akışın gövdenin genel yönünü benimseme eğiliminde olan kısımlarında bulunurlar: İçlerinden geçen akışın gelişi ve dolayısıyla yükselmeleri buna göre azaltılır. Deneysel okumaların analizi gerçekten de geliş düzleminde bulunan hücresel panellerin ortalama geliş açısının makinenin gelişinin yarısı değerinde olduğunu düşünmeye götürür.
Panellerin rulo sunumuna göre kaldırılmasıDüzlemsel kuyruk kanatçıklarında olduğu gibi, bir hücresel panel roketi, kuyruğun + veya x (ve genel olarak tüm ara dönüş açılarında) çalışmasına neden olan dönüşlere maruz kalabilir. Düz kanatlardan oluşan kuyruk üniteleri, sunumda yaklaşık olarak aynı kaldırmayı x veya + olarak (ve dolayısıyla tüm dönüş açılarında) oluşturacak şekilde ortaya çıkar. Aynısı hücresel paneller için de geçerlidir. Karşıdaki şekil bir makinenin toplamının 4 dönüş açısı (0 °, yani +, 22.5 °, 45 °, yani x ve 67.5 °) için gelişimini göstermektedir . Bu dört eğrinin çok farklı olmadığını not ediyoruz
Hücresel paneller , Akışkanlar Mekaniği'ndeki bu kelimenin geleneksel anlamında durmaz , ancak çok büyük geliş açılarında asansör üretmeye devam eder.
Roketlerin veya füzelerin manevra kabiliyeti veya nötr konuma geri dönmesi, hücresel panelleri uygun sıklıkta (gövdeye göre) yerleştirerek önemli ölçüde artırılabilir. Yandaki grafikte görülebileceği gibi, hücresel panellerin kümülatif insidansı (ilgili insidans ) gerçekten de gövdenin basit gelişiyle (pasif olarak) üretilenle aynı büyüklükte bir sıra üretir (sol eğri, hücresel panellerin uygun sıklıkta yerleştirilmediği yerlerde).
40 ila 50 ° arasında değişen kümülatif olayların ürettiği güçlü yükselmenin karşısındaki grafikte de not ediyoruz: hücresel paneller bu nedenle terimin havacılık anlamında durmazlar.
Kötü tasarlanmış hücresel paneller, düz kanatçıklardan 3 veya 4 kat daha fazla eksenel kuvvet oluşturabilirken, iyi tasarlanmış hücresel paneller, çerçevelerin ve hücrenin kalınlığının sağlanması koşuluyla, düz kanatçıklarla karşılaştırılabilir bir `` ses altı '' sürükleme üretebilir. bölmeler mümkün olduğu kadar doğru bir şekilde hesaplanır: Panellerin çapraz yapısı aslında özünde dirençlidir, bu da kütleyi ve maliyeti düşürerek çok ince hücre duvarlarını seçmeyi mümkün kılar.
Deneysel verilerin gözlemlenmesi, hücresel panellerin eksenel kuvvet katsayısının insidansla çok az değiştiğini göstermektedir.
Hücresel panellerin, süpersonikteki düz kanatçıklardan daha yüksek kaldırma özelliklerine sahip olduğu bulunmuştur (Mach 2.5'teki düz kanatlardan% 50 daha fazla kaldırma).
Pek çok yazar, 0.77 Mach'ın biraz üzerinde (daha doğrusu Mach 0.77 civarında), kaldırma kuvvetinde ani bir düşüşün eşlik ettiği eksenel sürüklemede ani bir artış kaydetti. Bu hızda hücre bölmelerinin kalınlığından dolayı geçiş kesitindeki azalma ve bu bölmeler üzerinde gelişen sınır tabakasının kalınlığı , akışı hızlanmaya zorlar (Venturi etkisiyle), bu ivme. yerel olarak hızın ses hızına yükseltilmesi. Bu, panellerin önünde, akışı bu panellerin çevresine yönlendiren (sürüklenmeyi artıran) ayrılmış bir normal şok dalgasının yaratılmasıyla sonuçlanır. Mach 1'in yukarısında, hücre bölümlerinin önde gelen kenarlarının her biri arkaya bakan bir iç şok dalgası oluşturur, bu iç dalgalar hücrelerin iç duvarlarından yansır. Bu konfigürasyon her zaman hücrelerin tıkanmasıyla sonuçlanır. Ardından, 1.5 Mach civarında, şok dalgalarının açısı daha keskin hale gelir, duvarlarda artık herhangi bir yansıma olmaz ve sürükleme daha düşük bir değere geri döner.
Hücrelerin transonik tıkanması da kaldırma eğiminde keskin bir düşüşe neden olur, bu damlanın çizgisi belirgin bir havuz çizer (karşıt resim). Aero-balistik ateşleme bölgesindeki bazı ölçümler, bu transonik çanağı Mach 0.77'ye yerleştirir, ancak Mach birimi çaprazlanır kesilmez doğru bir kaldırmaya geri dönüldüğüne dikkat edin (rüzgar tünellerinde yapılan araştırmaların çoğu, transonik çanağı M'ye kadar uzatır. 1, 5) .
Hücrelerin bölmelerine işlenmiş şekiller verilirse, transonik kaldırma havuzu güçlü bir şekilde yeniden emilebilir (karşıt görüntüdeki gibi ok bölmeleri ve bu bölmelerin elmas profili).
Açık Falcon 9 için SpaceX'te hücre panelleri atarlar stabilize ve iniş aerodinamik denetimi için kullanılır. Bu hücresel paneller için geliştirme çabası , 2012'de başlatılan SpaceX'in Yeniden Kullanılabilir Başlatıcı Geliştirme Programının bir parçasıdır . Hücresel panellerle ilk hipersonik uçuş testi ,Şubat 2015, daha sonra tüm deneysel Falcon 9 inişlerinde kullanılan hücresel paneller . Sonunda, sonraAralık 2015Bu kanat profilleri kullanılarak artan sayıda ilk etap inişi sağlanmıştır.
Falcon 9'lardaki hücresel panellerin tasarımı 2017'de de devam etti . SpaceX CEO'su Elon Musk , 2017'nin başlarında bu hücresel panellerin yeni bir sürümünün ilk aşamaların yeniden kullanılabilirliğini artıracağını duyurdu. Falcon 9 Blok 5 / Sürüm 2.5 olacak yeni hücresel paneller tanıtmak titanyum kütlesi kesim. Bay Musk, ilk versiyonların alüminyumdan yapıldığına dikkat çekti. Hücresel paneller, yeniden giriş ve iniş sırasında kendilerini oluşturan metalin sınırlarına yakın sıcaklıklara , giriş veya çıkış sırasında bazılarının alev aldığı noktaya kadar ısıya tabi tutulur , bu nedenle ablatif bir termal koruma ile kaplanır. sistemi . Yeni titanyum panellerin daha iyi roket kontrolü sağlaması ve Falcon 9'un daha yüksek bir saldırı açısında uçmasına izin vererek yörüngedeki yük kapasitesini artırması bekleniyor . Daha büyük ve daha sağlam titanyum hücresel paneller boyanmamıştı ve ilk olarakHaziran 2017. Falcon 9 Blok 5'in 2017'nin sonundan itibaren tüm ilk aşamalarında kullanıldılar .
Görev kesintiye uğrarsa, gemi dört panelin hemen altından kesilir.
Yaşayan Soyuz'un dört hücresel paneli.
SS-20 balistik füzesinin hücresel panelleri .
Falcon 9'un ilk aşamasındaki hücresel paneller .
İlk test hücresi panelleri kontrollü iniş testi bir Falcon 9 (tr) ,Şubat 11, 2015.
Hücresel panel bir masaya dönüştürüldü
Falcon 9 panelleri konuşlandırıldı.