Выходное устройство воздушно-реактивного двигателя с управляемым вектором тяги

Изобретение относится к воздушно-реактивным двигателям, в частности к эжекторным выходным устройствам воздушно-реактивных двигателей с управляемым вектором тяги. Выходное устройство воздушно-реактивного двигателя содержит сопло и расположенный за соплом эжектор. Эжектор содержит камеру и кольцевой воздухозаборник с окнами и управляемыми заслонками, расположенными с возможностью перекрытия окон от поступления атмосферного воздуха. Управляемые заслонки размещены в каждом окне с возможностью управления от своих приводов и возможностью перекрытия противоположно расположенных окон или одного окна, или трех окон одновременно, или неполного перекрытия одного окна. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности двигателей самолета. 9 ил.

 

Изобретение относится к воздушно-реактивным двигателям, в частности к эжекторным выходным устройствам воздушно-реактивных двигателей с управляемым вектором тяги, и может быть использовано в авиадвигателестроении.

Известно выходное устройство воздушно-реактивного двигателя, содержащее сопло и расположенный за соплом эжектор с камерой и кольцевым воздухозаборником с окнами и управляемыми заслонками, расположенными с возможностью перекрытия окон от поступления атмосферного воздуха (см. патент США №3346193, кл. F 02 K 1/18, опубл. 1967).

Несмотря на то, что наличие эжектора позволяет достигнуть некоторого улучшения условий обтекания газом кормовой части двигателя, известное выходное устройство обеспечивает только осевое истечение струи из сопла и не обеспечивает отклонения струи газа из сопла двигателя в горизонтальной, вертикальной и диагональных плоскостях из-за возможности только одновременного перекрытия окон, что не позволяет повышать маневренность самолета, и, как следствие, ограничивает функциональные возможности двигателя и самолета.

Технический результат - расширение функциональных возможностей двигателя и самолета.

Технический результат достигается тем, что в выходном устройстве воздушно-реактивного двигателя, содержащем сопло и расположенный за соплом эжектор с камерой и кольцевым воздухозаборником с окнами и управляемыми заслонками, расположенными с возможностью перекрытия окон от поступления атмосферного воздуха, согласно изобретению управляемые заслонки размещены в каждом окне с возможностью управления от своих приводов и с возможностью перекрытия противоположно расположенных окон или одного окна, или трех окон одновременно, или неполного перекрытия одного окна.

Возможность перекрытия окон в различных комбинациях позволяет управлять вектором тяги в горизонтальной, вертикальной и диагональных плоскостях.

На фиг.1 схематично изображено выходное устройство воздушно-реактивного двигателя (продольный разрез) со всеми открытыми окнами;

на фиг.2 - выходное устройство воздушно-реактивного двигателя (продольный разрез) со всеми закрытыми окнами;

на фиг.3 - вид А фиг.1 вариант выполнения - с пилонами, расположенными по вертикальной и горизонтальной осям сопла;

на фиг.4 - вид А фиг.1 вариант расположения пилонов - пилоны расположены в диагональных направлениях;

на фиг.5 - вид А фиг.1 вариант расположения пилонов и овальной формы выходного сечения сопла;

на фиг.6 - выходное устройство в работе при отклонении струи вверх;

на фиг.7 - выходное устройство в работе при отклонении струи вниз;

на фиг.8 - выходное устройство с выдвижными боковыми стенками в работе при отклонении струи вверх;

на фиг.9 - выходное устройство с выдвижными боковыми стенками в работе при отклонении струи вниз.

Выходное устройство воздушно-реактивного двигателя 1 содержит сопло 2, которое может быть регулируемым со створками 3, расположенный за соплом 2 с образованием кольцевого канала эжектор 4 с камерой 5 и кольцевым воздухозаборником 6 с входным конфузорным участком, окнами 7 для подвода воздуха из атмосферы, и управляемые заслонки 8, размещенные в каждом окне 7 с возможностью перекрытия окон 7 в различных комбинациях и имеющие возможность управления от своих приводов, например, в виде гидроцилиндров. Заслонки 8 выполнены подвижными, например поворотными. Для отклонения струи в заданном направлении заслонки могут быть объединены в группы, обеспечивающие перекрытие окон. В этом случае каждая из групп имеет свой привод, и каждая группа расположена в своем окне. Эжектор 4, например, соединен с двигателем 1 пилонами (перегородками) 9 (фиг.2), которые могут образовывать окна 7 (фиг.1), что позволяет уменьшить перетекание газа между окнами 7 и тем самым понизить давление в окнах 7, улучшая условия для отклонения струи. Пилоны 9 выполнены профилированными и имеют, например, треугольную форму или трапецеидальную форму в поперечном сечении. Пилоны 9 закреплены на внутренней поверхности камеры 5 эжектора 4 и образуют профилированные каналы в камере 4 эжектора 5. Выбор углов установки пилонов 9 осуществляется в зависимости от типа летательного аппарата и требований к необходимому углу отклонения вектора тяги в той или иной плоскости летательного аппарата (фиг.3-5). Если управляющие усилия одинаковы в вертикальной и горизонтальной плоскостях, то угол установки пилонов 9 между этими плоскостями α₁≈α₂≈45° (по диагонали) (фиг.4), если управляющие усилия в этих плоскостях разные, то углы установки пилонов между осями и пилонами β₁≈30° и β₂≈60° (фиг.5).

Количество окон 7 - два и более. Наличие только одного окна не позволяет создать различные по направлению силы, управляющие вектором тяги. Разные управляющие усилия необходимы для улучшения маневренных качеств самолета: управляющие силы в вертикальной плоскости должны быть обычно больше, чем в горизонтальной плоскости, что обеспечивается разными углами отклонения 7 и 15° в разных плоскостях. Выбор количества окон 7 зависит от параметров, заложенных в систему управления вектором тяги, в частности - от величины и направления создаваемых управляющих сил, действующих в одной плоскости или в нескольких плоскостях. Управляющие силы образуются за счет образования пониженных статических давлений на стенках камеры эжектора 4 при отклонении струи. Для создания управляющих сил в горизонтальной, вертикальной, а также в диагональных плоскостях управляемые заслонки 8 перекрывают различные комбинации окон 7: противоположно расположенные окна или одно окно, или три окна одновременно, или не полностью перекрывают одно окно. Возможны режимы работы, при которых управляемые заслонки 8 перекрывают либо два окна 7, расположенных сверху, либо два нижних - управление по каналу тангажа, либо два боковых - управление по каналу рыскания. Возможны режимы работы, при которых управляемые заслонки 8 перекрывают одно или три окна одновременно из четырех. При перекрытии управляемыми заслонками 8 одного из окон 7 в данном окне возникает пониженное давление p₁. В то же время в противоположном окне 7 эжектора 4 давление остается относительно высоким р₂, примерно равным атмосферному давлению. На поверхностях струи создается перепад давлений Δр=р₂-p₁≈0,5 кг/см², который приводит к отклонению струи на необходимые углы 7-15°.

Эжектор 4 имеет длину, равную 1-1,5 его диаметра. Длину эжектора 4 выбирают из условия, чтобы обеспечить отклонение струи на необходимые углы 7-15°, а значит, - при пониженном статическом давлении до Δр≈0,5 кг/см², образующемся на стенке эжектора 4, в сторону которой отклоняется струя - возникает управляющая сила Р_у, которая должна быть достаточной для данного конкретного летательного аппарата.

Величина управляющей силы может быть оценена по формуле:

Р_у≈Δр·S_бок,

где Δр - перепад статического давления на противоположных стенках камеры эжектора; S_бок - проекция площади боковой поверхности камеры эжектора, на которую действует пониженное статическое давление.

С другой стороны управляющая сила как результат отклонения струи на необходимый угол может быть определена по формуле

P_у=P·sinγ,

где Р - осевая сила тяги двигателя; γ - угол поворота струи.

При длине эжектора 4, меньшей его диаметра, полного поворота струи не достигается.

При длине эжектора 4 больше 1,5 его диаметра длина камеры 5 эжектора 4 становится чрезмерно большой, что отрицательно сказывается на габаритах двигателя и летательного аппарата в целом. Кроме этого, при значительном увеличении длины камеры эжектора начинают расти потери на трение газовой струи о стенки камеры.

Выбор диапазона отклонения струи на угол 7-15° обоснован требованиями со стороны летательного аппарата для обеспечения управления по «рысканию» и по «тангажу» соответственно при допустимом диапазоне перегрузок на летательный аппарат и летчика.

Выходное поперечное сечение камеры 5 эжектора имеет, например, овальную форму (см. фиг.5). Однако выходное сечение эжектора также может быть выполнено прямоугольной формы. Выполнение выходного поперечного сечения камеры 5 эжектора овальной или прямоугольной формы позволяет перераспределить управляющие усилия в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также улучшить внешнюю аэродинамику двигателя и компоновку на летательном аппарате.

Стенки камеры 5 эжектора 4 могут быть выполнены разъемными, разрезным в продольном направлении, с возможностью их размещения на боковой поверхности, на стенке двигателя или форсажной камеры и последующего выдвижения в рабочее положение при помощи приводов для образования поверхности, к которой отклоняется струя и образуется боковая управляющая сила Р_у (см. фиг.8, 9). Для этого на боковой поверхности двигателя 1 закреплены ролики 10, по которым перемещаются полозки 11, к которым прикреплены выдвижные стенки камеры 5 эжектора 4.

Работа двигателя с данным выходным устройством осуществляется следующим образом.

При работе двигателя поток газа (первичный поток) с большой скоростью (400-600 м/с) истекает из сопла 2 по его оси и поступает в камеру 5 эжектора, не касаясь его стенок. Окна 7 открыты. Одновременно через все открытые окна 7 происходит втягивание, эжекция атмосферного воздуха (вторичный поток) в камеру 5 эжектора 4, в камере 5 эжектора 4 происходит взаимодействие первичного и вторичного потоков.

При необходимости маневра управляемые заслонки 8 перекрывают окна 7 от поступления атмосферного воздуха. Причем перекрытие окон 7 осуществляют поочередно. При перекрытии группой заслонок 8 одного из окон 7 в соответствующую зону камеры 5 эжектора перестает поступать воздух из атмосферы, что приводит к понижению давления в этой зоне, и давление становится существенно ниже атмосферного давления. За счет образующегося перепада давлений на своих боковых границах струи газа из сопла происходит изменение траектории движения струи - отклонение струи. В таком процессе на внутренних поверхностях камеры 5 эжектора 4 происходит перераспределение статических давлений и возникают боковые управляющие усилия Р_у - результирующая сила пониженного давления на боковой стенке камеры 5 эжектора 4. Управляющее усилие создается за счет перепада давлений Δр≈0,5 кг/см², образуемых на боковых стенках камеры 5 эжектора 4. Таким образом, создается управляющее усилие, передаваемое на двигатель 1 и на летательный аппарат в целом.

При перекрытии других управляющих окон 7, расположенных на противоположной стороне камеры 5 эжектора, пониженное давление ≈ 0,5 кг/см² создается на этой поверхности и струя отклоняется в противоположную сторону.

Если количество окон, например - четыре, то перекрывая заслонками 8 попарно (по два окна - верхних или нижних, или боковых справа, или два слева) обеспечивают понижение давления в соответствующей зоне камеры 5 эжектора 4, отклонение струи в соответствующем направлении: вверх или вниз, вправо или влево.

Таким образом, путем смены порядка перекрытия окон 7 можно управлять вектором тяги во всех плоскостях управления.

Выходное устройство воздушно-реактивного двигателя, содержащее сопло и расположенный за соплом эжектор с камерой и кольцевым воздухозаборником с окнами и управляемыми заслонками, расположенными с возможностью перекрытия окон от поступления атмосферного воздуха, отличающееся тем, что управляемые заслонки размещены в каждом окне с возможностью управления от своих приводов и с возможностью перекрытия противоположно расположенных окон, или одного окна, или трех окон одновременно, или неполного перекрытия одного окна.