Способ уменьшения аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке

 

Изобретение относится к аэродинамике. Способ уменьшения аэродинамического сопротивления тела заключается в импульсно-периодическом энергетическом воздействии на встречный поток газа. Указанное воздействие осуществляют путем подачи высоковольтного напряжения вдоль поверхности сегнетоэлектрического элемента, размещенного в лобовой части тела. Изобретение позволяет снизить энергозатраты на образование приповерхностной плазмы и упростить способ. 1 ил.

Изобретение относится к области аэродинамики, в частности к способам снижения аэродинамического сопротивления тел в сверхзвуковом потоке, и может быть использовано при конструировании летательных аппаратов.

Известен способ уменьшения аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке, заключающийся в импульсно-периодическом энергетическом воздействии на встречный поток газа, например, путем подачи струи газа с частицами твердого материала навстречу потоку и одновременным производством колебательных движений головной частью твердого тела относительно центра ее тяжести [1] (Патент РФ N 2085765, кл. F 15 D 1/10, опубл. 1997, Бюл. N 21). Недостатком такого способа является то, что в реальных летательных аппаратах невозможно придать колебательные движения головной части тела. В результате этот способ применим только в лабораторных аэродинамических установках.

Известен способ уменьшения аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке, также заключающийся в импульсно-периодическом энергетическом воздействии на встречный поток газа, но в отличие от [1] это воздействие осуществляют с помощью излучения импульсного лазера [2] (Третьяков П. К. , Гаранин А.Ф., Грачев Г.Н. и др. Управление сверхзвуковым обтеканием тел с использованием мощного оптического пульсирующего разряда // ДАН. 1996. Том 351, N 3. С. 339-340). Этот способ выбран нами за прототип. Основными этапами осуществления данного способа являются формирование потока лучевой энергии на борту летательного аппарата, его фокусировка и излучение в атмосферный воздух, создание в нем области энерговыделения. В результате перед головной частью летательного аппарата формируется объемный плазменный канал, являющийся причиной снижения интенсивности ударных волн перед летательным аппаратом.

Недостатками способа [2] является то, что он требует существенных энергозатрат на уменьшение аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке. Это связано, главным образом, с низкой эффективностью преобразования электрической энергии в оптическое квантовое излучение и низким коэффициентом поглощения лазерного излучения газовой средой. Помимо этого, данный способ не отличается простотой, так как для его реализации требуется осуществление достаточно сложных этапов преобразования энергии.

В связи с этим задачей является нахождение более простого способа уменьшения аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке, отличающегося более низкими энергозатратами.

Технический результат, который достигается от использования изобретения, заключается в исключении энергоемких этапов преобразования энергии, в том числе существенном снижении энергозатрат на уменьшение аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке с одновременным упрощением применяемого для этих целей способа.

Предлагаемый способ уменьшения аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке, заключающийся в импульсно-периодическом энергетическом воздействии на встречный поток газа, осуществляется путем подачи импульсно-периодического высоковольтного напряжения вдоль поверхности сегнетоэлектрического элемента, размещенного в лобовой части летательного аппарата. Этот способ основан на явлении зажигания электрического разряда вдоль поверхности сегнетоэлектрика, что приводит к образованию слоя приповерхностной плазмы. Сегнетоэлектрический элемент выполняется в виде обтекаемого тела, размещенного на центральной части летательного аппарата. В центр сегнетоэлектрического элемента параллельно движению летательного аппарата помещается металлический электрод. Вторым электродом является сам корпус летательного аппарата. К этим двум электродам прикладываются периодически следующие импульсы высокого напряжения. В результате этого вдоль поверхности сегнетоэлектрического элемента зажигается электрический разряд. Такое расположение электродов позволяет создать слой приповерхностной плазмы на обтекателе.

Экспериментально установлено [3] (Дубинов А.Е., Садовой С.А., Селемир В. Д. Измерение скорости ударных волн в воздушной плазме ВЧЕ-разряда // Вторая нижегородская сессия молодых ученых, тезисы докладов, 1997), что скорость распространения ударных волн в ионизованной газовой среде выше скорости распространения ударных волн в газе в отсутствие ионизации при прочих равных условиях. В [3] также показано, что при увеличении концентрации заряженных частиц отношение скорости ударных волн в плазме к скорости ударных волн в газе при одинаковых условиях возрастает. Это приводит к снижению интенсивности ударных волн перед летательным аппаратом, к отрыву фронта ударной волны от поверхности обтекателя и, как следствие, к уменьшению лобового сопротивления обтекаемого тела.

Таким образом, энергия импульсно-периодического высоковольтного генератора напрямую переходит в энергию ионизации без каких-либо дополнительных энергопреобразований (то есть энергоемкие этапы преобразования энергии исключены), что сокращает до минимума количество необходимых для осуществления предлагаемого способа составных элементов. В результате предлагаемый способ является более простым и энергетически выгодным по сравнению с прототипом. Образование приповерхностной, а не объемной плазмы также приводит к снижению энергозатрат. Кроме того, сегнетоэлектрик, являясь диэлектриком с большим значением диэлектрической постоянной, способствует снижению энергетического порога возникновения поверхностного разряда.

На чертеже изображено устройство, на основе которого можно реализовать предлагаемый способ.

Цифрами обозначены: высоковольтный электрод - 1, сегнетоэлектрический элемент - 2, изолятор - 3, корпус летательного аппарата (общий электрод) - 4, источник импульсно-периодического высоковольтного напряжения - 5.

В указанном устройстве предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В режиме сверхзвукового обтекания газом твердого тела запускают импульсно-периодический высоковольтный генератор 5, импульс которого прикладывают к электродам 1, 4. Изолятор 3 используется для предотвращения электрического пробоя. При этом вдоль поверхности сегнетоэлектрического элемента 2 зажигается электрический разряд. Это приводит к ионизации газовой среды перед лобовой частью в приповерхностном слое обтекаемого тела, соответственному увеличению скорости распространения ударной волны, отрыву фронта ударной волны от поверхности обтекателя и, как следствие, к уменьшению аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке газа.

Таким образом, образование приповерхностной плазмы на обтекателе в результате применения только импульсно-периодического высоковольтного воздействия вдоль поверхности сегнетоэлектрика делает предлагаемый способ более простым и энергетически выгодным по сравнению с прототипом.

При использовании сегнетоэлектрического элемента, изготовленного из керамики семейства титаната бария толщиной 10 мм, с длиной межэлектродного промежутка 15 мм, необходим импульс напряжения порядка 3 кВ с длительностью импульса не менее 1 мкс. Проверенная частота запуска импульсно-периодического высоковольтного генератора составляет 50 Гц.

Оценки показывают, что в зависимости от условий обтекания, возможно снижение лобового сопротивления за счет использования предлагаемого способа на 10-30%.

Формула изобретения

Способ уменьшения аэродинамического сопротивления тела в сверхзвуковом потоке, заключающийся в импульсно-периодическом энергетическом воздействии на встречный поток газа, отличающийся тем, что импульсно-периодическое воздействие осуществляют путем подачи высоковольтного напряжения вдоль поверхности сегнетоэлектрического элемента, размещенного в лобовой части тела.

РИСУНКИ

Рисунок 1