Способ управления обтеканием летательного аппарата

 

Изобретение относится к управлению летательным аппаратом. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности управления обтеканием летательного аппарата при сверхзвуковых и гиперзвуковых режимах полета. Это обеспечивается за счет того, что в способе управления летательным аппаратом, основанном на изменении структуры обтекающего летательного аппарата потока путем подвода лучистой энергии в область перед носовой частью летательного аппарата и подачи в эту область вещества, инициирующего плазму, в качестве ионизирующего вещества используют твердый материал с малой энергией ионизации. 1 ил.

Изобретение относится к области авиационно-космической техники, в частности к гиперзвуковым летательным аппаратам.

Известен способ управления обтеканием ЛА, заключающийся в использовании аэродинамической иглы, установленной на носовой части (НЧ) ЛА навстречу сверхзвуковому потоку (2).

Недостаток подобного способа в том, что аэродинамическая игла, изменяя структуру набегающего на ЛА сверхзвукового потока, не позволяет управлять угловым положением ЛА и изменять структуру набегающего сверхзвукового потока в зависимости от задач и режимов полета.

Кроме того, сложность организации теплозащиты аэродинамической иглы приводит к обгоранию переднего конца иглы, что приводит к непрогнозируемым изменениям аэродинамических характеристик (АХ) ЛА.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) следует считать способ управления обтеканием ЛА, заключающийся, в том, что к набегающему потоку в область перед НЧ ЛА подводят лучистую энергию от источника излучения, расположенного в корпусе ЛА, с помощью сфокусированного лазерного излучения (ЛИ), а с целью повышения эффективности этого энергоподвода путем интенсификации поглощения энергии в точку фокуса подают струю поглощающего ЛИ газа из емкости, расположенной на борту ЛА (1).

К числу недостатков прототипа предлагаемого изобретения необходимо отнести следующие: - выдув струи поглощающего газа навстречу набегающему потоку вызывает появление реактивной силы, которая снижает полезный эффект от энергоподвода с целью управления обтеканием, - использование выдува поглощающего газа для повышения интенсивности поглощения ЛИ приводит к тому, что перед НЧ ЛА образуется зона с повышенной концентрацией поглощающего газа и в следствие этого ЛИ поглощается не только в точке фокуса, но и на протяжении всего пути лазерного луча (ЛЛ) с НЧ ЛА до точки фокуса. Это приводит к тому, что энергоподвод к потоку осуществляется неоптимальным образом с большими потерями мощности, - использование поглощающего газа требует создания на борту ЛА целой системы его хранения и выдува, что приводит к снижению полезной нагрузки ЛА.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение эффективности управления обтеканием ЛА при сверхзвуковых и гиперзвуковых режимах полета.

Это достигается интенсификацией процесса поглощения ЛИ посредством мишени из материала с малой энергией ионизации, например калия, размещенной в точке фокуса ЛИ перед НЧ ЛА. Под действием ЛИ электроны вырываются из атомов мишени, что приводит к повышению концентрации свободных электронов в области фокуса. Электроны приобретают энергию, поглощая фотоны ЛИ. Происходит размножение электронов и развивается лавинная ионизация. В области фокуса происходит лавинный пробой газа и образуется начальная плазма. Режим выброса мишени носит кратковременный характер. Режим работы бортового лазера (БЛ) ЛА - непрерывный для поддержания начальной плазмы.

Изменяя положение фокуса и связанного с ним разряда, осуществляется перемещение области начальной плазмы перед НЧ ЛА.

При возникновении начальной плазмы перед НЧ ЛА происходит изменение структуры набегающего на ЛА сверхзвукового потока. Вследствие разогрева и разлета газа образуется канал с пониженной плотностью перед НЧ ЛА. Кроме того, набегающий на НЧ ЛА поток уже имеет радиальную составляющую скорости. В совокупности эти факторы приводят к изменениям АХ ЛА.

Существенным отличием предлагаемого способа от прототипа, по мнению авторов, является использование твердого материала мишени для инициирования начальной плазмы.

Сущность изобретения схематически поясняется чертежом, на котором показан пример управления обтеканием ЛА.

Как видно из чертежа, управление обтеканием ЛА осуществляется следующим образом.

При движении ЛА со сверх- и гиперзвуковыми скоростями на заданном участке полета с бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) (1) поступает команда на бортовой кольцевой лазер (2). Посредством бортового кольцевого лазера (2) к набегающему потоку перед носовой частью ЛА (3) подводят лучистую энергию (4), которую фокусируют в точке (5) перед НЧ ЛА (3). Одновременно с БЦВМ (1) поступает команда на устройство выброса мишени (6). По этой команде в точку фокуса (5) с борта ЛА выстреливают мишень (7) из материала с малой энергией ионизации. Работа бортового кольцевого лазера (2) и устройства выброса мишени синхронизирована. В области фокуса (5) при воздействии на мишень (7) лазерного излучения (4) происходит лавинный пробой газа и образуется начальная плазма. При возникновении начальной плазмы перед НЧ ЛА (3) происходит изменение структуры набегающего на ЛА сверхзвукового потока. Вследствие резкого повышения температуры газа и его разлета образуется "канал" с пониженной плотностью перед НЧ ЛА (3). Как было указано выше, набегающий на НЧ ЛА (3) поток за областью энергоподвода имеет радиальную составляющую скорости, что в совокупности приводит к значительным изменениям АХ ЛА.

Для проверки эффективности способа были выполнены численные расчеты на ЕС ЭВМ 1061. В численных расчетах использовались следующие характеристики: где - безразмерная удельная мощность энергоподвода, q - удельная мощность энергоподвода D_мид - диаметр Миделя ЛА, u_∞ - скорость набегающего потока.

где I - интегральная мощность энергоподвода,
ρ - плотность воздуха,
Ω - объем области энергоподвода.

где - безразмерная интегральная мощность энергоподвода,

- плотность потока энергии излучения, подводимого в область фокуса.

где
d - диаметр области фокуса.

- безразмерная плотность потока энергии, подводимого в область фокуса.

Приведенные выше численные значения безразмерных величин выбраны на основе анализа влияния различных устройств управления обтеканием на АХ ЛА.

На основании результатов численных расчетов параметры ЛИ можно определить при следующих условиях полета: скорость ЛА соответствует 6М, высота 50 км, плотность воздуха ρ_возд. = 1,1•10^-3кг/м³, скорость звука на высоте 50 км a = 332 м/с, диаметр Миделя ЛАД = 3 м, площадь Миделя S_мид = 7 м², диаметр области фокуса 15 см, расстояние от НЧ ЛА до области фокуса равно 3 м. Исходя из этих параметров:
- мощность бортового кольцевого лазера 0,304 МВт,
- плотность лазерного излучения в области
- снижено лобовое сопротивление ЛА на 60% по сравнению с ЛА без устройства, реализующего предложенный способ.

В исследуемом диапазоне получение зависимости C_x от расстояния до области фокуса. C_x уменьшается с увеличением этого расстояния.

К числу преимуществ предлагаемого способа управления обтеканием ЛА необходимо отнести следующие:
- снижение лобового сопротивления прототипом достигает 40%, снижение лобового сопротивления предлагаемым изобретением 60%, выигрыш в 20% обусловлен отсутствием реактивной силы струи выдуваемого газа навстречу сверхзвуковому потоку и созданием самой мишенью при вылете за собой "канала" с пониженной плотностью перед НЧ ЛА,
- использование мишени для интенсификации поглощения энергии в точке фокуса позволяет получить максимальный полезный эффект от энергоподвода с целью управления обтеканием,
- энергоподвод к набегающему потоку осуществляется оптимальным образом, т.к. ЛИ поглощается только в точке фокуса,
- снижение мощности бортового лазера с 1 МВт (прототип) до 0,304 МВт для образования лавинного пробоя газа за счет поглощения ЛИ только в точке фокуса, а не на всем промежутке от НЧ ЛА до области фокуса, как это происходит при использовании выдува поглощающего газа,
- возможность управления движением ЛА путем инициирования начальной плазмы перед НЧ ЛА, а затем прекращением энергоподвода, что позволяет изменять скорость движения ЛА,
- выдув струи поглощающего газа осуществляется непрерывно - реактивная сила действует на НЧ ЛА все время, а реактивная сила при выстреле мишени кратковременная,
- сама мишень при движении в пространстве перед НЧ ЛА создает за собой "канал" пониженной плотности, что улучшает прохождение лазерного излучения и способствует возникновению радиальной составляющей скорости набегающего потока,
- отпадает необходимость сложного и трудоемкого подбора поглощающего газа для соответствующей оптической частоты ЛИ, т.к. поглощающий газ при гиперзвуковых скоростях и больших температурах разлагается, что ухудшает условия поглощения, а твердая мишень гарантирует поглощение в заданной области.

Источники информации
1. N 4650139, 1987 г.

2. N 3620484, 1971 г.

Формула изобретения

Способ управления летательным аппаратом, основанный на изменении структуры обтекающего аппарат потока путем подвода лучистой энергии и в область перед носовой частью аппарата и подачи в эту область вещества, инициирующего плазму, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности управления за счет интенсификации поглощения энергии, в область перед носовой частью подают твердый материал с малой энергией ионизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1