Воздухозаборное устройство летательного аппарата

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике, в частности к воздухозаборным устройствам летательных аппаратов, оснащенных маршевым прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Воздухозаборное устройство летательного аппарата содержит корпус с размещенным внутри центральным телом, регулятор противопомпажной защиты и узел управления. Указанный регулятор состоит из штока и головной части, выполненной с возможностью продольного перемещения и фиксации в углублении в передней части центрального тела. Шток регулятора расположен в продолжении углубления и соединен с узлом управления. Внутри центрального тела расположен узел фиксации регулятора противопомпажной защиты. Технически результат - снижение амплитуды колебаний давлений помпажных явлений, нарушающих работоспособность бортового оборудования. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике, в частности к воздухозаборным устройствам (ВЗУ) летательных аппаратов (ЛА), оснащенных маршевым прямоточным воздушно-реактивным двигателем (ПВРД).

Известно ВЗУ сверхзвукового двигателя по патенту RU №2182670, МПК 7 В 64 D 33/02, С2, 28.03.1996, содержащее наружный обтекатель, сверхзвуковой диффузор, дозвуковой диффузор и расположенную между ними горловину. В стенках канала горловины выполнены проходы. Каждый проход открывается в нагнетательный канал. Кроме того, ВЗУ включает систему управления для отслеживания условий работы ВЗУ, условий полета и характеристик ЛА, включая измерение давления воздуха в различных точках внутри канала ВЗУ. Система управления определяет выходные установочные команды для различных компонентов ВЗУ для регулировки и создания максимально эффективной площади сечения канала для конкретных условий полета. Однако указанное техническое решение не обеспечивает на дроссельных режимах и на режимах с нулевыми расходами воздуха защиту ВЗУ от помпажных колебаний давления большой амплитуды, нарушающих работоспособность бортового оборудования, а в некоторых случаях - и целостность конструкции ЛА, поскольку в нем отсутствует плохообтекаемое тело, перед которым (как будет показано ниже) на сверхзвуковых скоростях полета образуется отошедшая головная волна, снижающая помпажные колебания, и реализуется переброс потока воздуха над наружным обтекателем корпуса ВЗУ (обечайкой).

Под понятием "дроссельные режимы" следует понимать режимы работы двигателя, когда в его проточном тракте происходит "запирание" потока и расход воздуха через двигатель, и ВЗУ снижается.

Под понятием "нулевой расход воздуха" следует понимать режим, когда при разгоне ЛА проточный тракт закрыт размещенным в камере сгорания (КС) стартовым двигателем (СД) и расход воздуха через ВЗУ вообще отсутствует.

Под понятием "помпажные колебания давления" или "помпаж" следует понимать возникновение и реализацию при сверхзвуковых скоростях полета ЛА продольных колебаний давления воздуха большой амплитуды в проточном тракте ВЗУ и двигателя на нерасчетных режимах работы, в частности на дроссельных режимах.

Под понятием "плохообтекаемое тело" следует понимать тело, имеющее в сверхзвуковом потоке большое внешнее волновое сопротивление.

Под понятием "отошедшая головная волна" следует понимать возникновение и реализацию перед телом при сверхзвуковых скоростях потока прямого скачка уплотнения с реализацией за ним дозвукового течения, при котором явление помпажа невозможно.

Под понятием "переброс потока воздуха над обечайкой" следует понимать возможность перетока части набегающего потока воздуха за отошедшей головной волной вне ВЗУ.

Известно ВЗУ летательных аппаратов, в частности ракет, использующих ПВРД по патенту RU №2221928, МПК 7 В 64 D 33/02, С1, 30.04.2001, содержащее канал ВЗУ, на котором размещена подвижная рампа, которая имеет возможность совершать поступательное движение вдоль канала. С помощью средств управления подвижная рампа может быть переведена в одно из двух устойчивых положений: убранное положение и выдвинутое положение. Таким образом, обеспечивается возможность изменения подачи воздуха. Однако рассмотренное техническое решение не обеспечивает на дроссельных режимах защиту от помпажных колебаний давления большой амплитуды, поскольку в нем не происходит переброса набегающего потока воздуха над обечайкой, снижающего, как будет показано ниже, амплитуду помпажных колебаний.

Известно ВЗУ по патенту RU №2117907, МПК 7 F 42 B 15/00, С1, 26.03.1997, содержащее корпус с размещенным внутри него центральным телом, соединенным с корпусом посредством элементов крепления. При этом ЛА, использующий указанное ВЗУ, содержит маршевый ПВРД, КС которого соединена воздушным каналом с ВЗУ, и СД, размещенный в КС маршевого ПВРД с возможностью отделения и выброса его (СД) через сопло двигателя.

Однако рассмотренное техническое решение при работе СД, когда через ВЗУ отсутствует расход воздуха, не обеспечивает защиту от помпажных колебаний большой амплитуды, поскольку в нем (в ВЗУ) отсутствует плохообтекаемое тело (перед которым на сверхзвуковых скоростях полета образуется отошедшая головная волна) и не происходит переброса потока воздуха над обечайкой, снижающего амплитуду помпажных колебаний.

Указанное последним техническое решение по патенту №2117907 является наиболее близким аналогом к заявленному предложению и выбрано в качестве прототипа.

Сущность заявленного предложения заключается в том, что в известное ВЗУ ЛА, выбранное прототипом и содержащее корпус с размещенным внутри него центральным телом, соединенным с корпусом посредством элементов крепления, введены узел управления и регулятор противопомпажной защиты, выполненный с возможностью продольного перемещения и фиксации и состоящий из головной части и штока; центральное тело в передней части имеет углубление, в котором расположена головная часть регулятора противопомпажной защиты, а продолжением углубления является полость, в которой размещен шток регулятора противопомпажной защиты, соединенный с узлом управления; внутри центрального тела помещен узел фиксации регулятора противопомпажной защиты; при этом площадь переднего края корпуса (обечайки) S_об и площадь переднего края углубления в передней части центрального тела S_цт связаны соотношением: S_цт/S_об≥0.04.

В частности, в конкретных формах выполнения изобретения отдельные его признаки характеризуются в следующем виде /п.п.2-8 формулы/: головная часть регулятора противопомпажной защиты выполнена в виде кругового конуса, переходящего в цилиндр, углубление в передней части центрального тела выполнено цилиндрическим, а узел фиксации регулятора противопомпажной защиты размещен в углублении в передней части центрального тела и выполнен, к примеру, в виде разжимного кольца; узел управления состоит из корпуса, внутри которого размещен поршень, соединенный со штоком регулятора противопомпажной защиты, также корпус имеет отверстие для подачи рабочего тела, воздействующего на поршень. В частном случае выполнения узла управления его корпусом является полость центрального тела, в которой размещен шток регулятора противопомпажной защиты, выполненный с возможностью продольного перемещения; шток регулятора противопомпажной защиты является поршнем, на который воздействует рабочее тело. Вершина кругового конуса регулятора противопомпажной защиты в убранном состоянии находится на уровне передней кромки центрального тела; передняя часть центрального тела представляет собой усеченный конус. ВЗУ ЛА содержит сбрасываемый обтекатель.

Также сущность изобретения заключается в том, что заявленное ВЗУ используется на ЛА, оснащенным маршевым ПВРД с вложенным в его КС разгонного СД. По окончании разгона корпус СД выталкивается через сопло ПВРД скоростным напором набегающего потока, поступающим через ВЗУ, освобождая тем самым объем КС ПВРД; далее включается маршевый двигатель. При такой схеме полета ЛА возникают режимы, при которых на сверхзвуковых скоростях полета выход из канала ВЗУ закрыт корпусом СД, что приводит к возникновению в проточном тракте ВЗУ помпажных колебаний давления большой амплитуды, нарушающих работоспособность бортового оборудования, а в некоторых случаях, и целостность конструкции. Для снижения амплитуды колебаний давления в тракте ВЗУ используется регулятор противопомпажной защиты, который в стартовом режиме разгона убран в углубление в передней части центрального тела, образуя при этом плохообтекаемое тело, перед которым на сверхзвуковых скоростях полета реализуется отошедшая головная волна. Это приводит к перебросу набегающего потока над обечайкой ВЗУ с соответствующим существенным снижением амплитуды колебаний давления в газовоздушном тракте, т.е. предохраняет от возникновения помпажных явлений и в то же время обеспечивается наддув воздуха в КС ПВРД, что необходимо для выталкивания корпуса СД. После отделения СД регулятор противопомпажной защиты выдвигается вперед, замыкая коническую поверхность центрального тела и реализуя конфигурацию ВЗУ ЛА для маршевых режимов полета.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого ВЗУ ЛА при убранном регуляторе противопомпажной защиты; на фиг.2 - при выдвинутом регуляторе противопомпажной защиты с реализацией конфигурации ВЗУ ЛА для маршевых режимов полета; на фиг.3 - ВЗУ ЛА с убранным регулятором противопомпажной защиты и со сбрасываемым обтекателем. На фиг.4 представлены величины относительной амплитуды колебаний давления воздуха в канале ВЗУ в зависимости от скорости ЛА V_ЛА с противопомпажной защитой и без нее.

ВЗУ ЛА содержит корпус 1, центральное тело 1, элементы крепления 3, узел управления 4, регулятор противопомпажной защиты 5, состоящий из головной части регулятора противопомпажной защиты 6 и штока 7, углубление в передней части центрального тела 8, полость в центральном теле для размещения штока регулятора противопомпажной защиты 9, узел фиксации регулятора противопомпажной защиты 10. При этом на фиг.1 обозначен диаметр углубления в передней части центрального тела d и диаметр входа воздухозаборника D по п.2 формулы изобретения, а на фиг.3 обозначен сбрасываемый обтекатель 11 по п.6 формулы изобретения.

Устройство работает следующим образом. Разгон ЛА до сверхзвуковых скоростей полета, соответствующих началу работы маршевого ПВРД, осуществляется СД, вложенным в КС ПВРД. До старта и в режиме разгона головная часть регулятора противопомпажной защиты 6 находится в убранном положении - см. фиг.1, т.е. в углублении в передней части центрального тела 8, образуя при этом плохообтекаемое тело, перед которым на сверхзвуковых скоростях полета образуется отошедшая головная волна. Это приводит к перебросу набегающего потока над обечайкой с соответствующим устранением колебаний давления в тракте, т.е. предохраняет от развития в тракте помпажных явлений и в то же время обеспечивается наддув воздуха перед КС ПВРД, что необходимо для выталкивания корпуса СД. По окончании разгона ЛА корпус СД выталкивается через сопло ПВРД скоростным напором набегающего потока, поступающим через открытое ВЗУ, освобождая тем самым объем КС ПВРД. После этого узел управления 4, воздействуя через шток 7, выдвигает регулятор противопомпажной защиты 5 вперед, замыкая при этом головной частью регулятора противопомпажной защиты 6 поверхность центрального тела 2. При этом фиксирование регулятора противопомпажной защиты 5 производится с помощью узла фиксации регулятора противопомпажной защиты 10. Таким образом, реализуется конфигурация ВЗУ для маршевых режимов работы - см. фиг.2.

В частных случаях при особых условиях использования ВЗУ на ЛА (например, стартующих с внешних подвесок самолетов-носителей) оно может содержать сбрасываемый обтекатель 11 - см. фиг.3, закрывающий вход в ВЗУ для предотвращения попадания посторонних предметов в проточный тракт и осадков в виде дождя, снега. Сброс обтекателя может осуществляться в момент после отделения ЛА от самолета-носителя, в момент окончания работы СД, а также в любой другой промежуточный момент времени, который выбирается и назначается в зависимости от программы и профиля полета ЛА. При сбросе обтекателя на сверхзвуковых скоростях полета ЛА с работающим СД, когда расход воздуха через ВЗУ отсутствует, заявленное устройство, как отмечалось выше, позволяет существенно снизить помпажные явления в ВЗУ ЛА.

Узел управления 4, обеспечивающий продольное перемещение вперед регулятора противопомпажной защиты 5, может быть выполнен согласно п.п.7, 8 формулы изобретения. Рабочим телом, воздействующим на поршень узла управления 4 (или на шток 7), могут служить поступающие под давлением воздух или пороховые газы, образованные при срабатывании пиропатрона. Возможны и другие очевидные реализации узла управления 4 (для обеспечения продольного перемещения регулятора противопомпажной защиты 5 возможно использование пружин, электромагнитных механизмов и т.п.), которые, однако, не являются предметом рассматриваемого изобретения.

Узел фиксации регулятора противопомпажной защиты 10 согласно п.4 формулы изобретения выполнен в виде разжимного кольца, расположенного в углублении в передней части центрального тела 8 и фиксирующего регулятор противопомпажной защиты 5 в выдвинутом вперед положении - см. фиг.2. Элементами крепления 3 могут служить пилоны, консоли или иные крепежные детали.

Сбрасываемый обтекатель 11 известен (см., например: "Военная авиация", кн.2. Справочник подготовили специалисты военной Академии Республики Беларусь Ю.В.Гордеенко, В.П.Морозов, А.С.Прибылов; изд-во Попурри, Минск, 1999 г., стр.326 или патент RU №9302, МПК 6 F 42 B 15/12, U1 (полезная модель), 13.05.1998), его сброс в полете с ВЗУ осуществим, например, подачей рабочего тела в требуемый момент времени в механизм сброса обтекателя. В качестве рабочего тела могут использоваться пороховые газы, образующиеся при срабатывании от соответствующей электрокоманды пиропатрона и поступающие по трубопроводу в механизм сброса (на фигурах по причине известности не показаны). Сброс обтекателя 11, как отмечалось выше, может осуществляться в любой момент времени, который выбирается и назначается в зависимости от программы и профиля полета ЛА.

Эффективность предложенного изобретения подтверждена экспериментальными исследованиями модели ВЗУ, результаты которых показаны на фиг.4, где представлены величины относительной амплитуды колебаний давления в тракте ВЗУ с противопомпажной защитой и без нее в зависимости от скорости полета ЛА. Здесь приняты следующие обозначения: Р_К - давление в канале ВЗУ; 2А - двойная амплитуда колебаний давления в канале ВЗУ; Р_он - давление набегающего потока; τ - время; V_ЛА - скорость полета ЛА. Темные значки - ВЗУ без противопомпажной защиты, светлые значки 0 - ВЗУ с противопомпажной защитой.

1. Воздухозаборное устройство летательного аппарата, содержащее корпус с размещенным внутри него центральным телом, соединенным с корпусом посредством элементов крепления, отличающееся тем, что введены узел управления и регулятор противопомпажной защиты, выполненный с возможностью продольного перемещения и фиксации и состоящий из головной части и штока, центральное тело в передней части имеет углубление, в котором расположена головная часть регулятора противопомпажной защиты, а продолжением углубления является полость, в которой размещен шток регулятора противопомпажной защиты, соединенный с узлом управления, внутри центрального тела размещен узел фиксации регулятора противопомпажной защиты, при этом отношение площади переднего края углубления в передней части центрального тела к площади переднего края корпуса больше или равно 0,04.

2. Воздухозаборное устройство по п.1, отличающееся тем, что головная часть регулятора противопомпажной защиты выполнена в виде кругового конуса, переходящего в цилиндр, а углубление в передней части центрального тела выполнено цилиндрическим.

3. Воздухозаборное устройство по п.2, отличающееся тем, что вершина кругового конуса головной части регулятора противопомпажной защиты в убранном положении находится на уровне передней кромки центрального тела.

4. Воздухозаборное устройство по п.1, отличающееся тем, что узел фиксации регулятора противопомпажной защиты размещен в углублении в передней части центрального тела и выполнен в виде разжимного кольца.

5. Воздухозаборное устройство по п.1, отличающееся тем, что передняя часть центрального тела выполнена в виде усеченного конуса.

6. Воздухозаборное устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит сбрасываемый обтекатель.

7. Воздухозаборное устройство по п.1, отличающееся тем, что узел управления состоит из корпуса, внутри которого размещен поршень, выполненный с возможностью продольного перемещения, соединенный со штоком регулятора противопомпажной защиты, также корпус имеет отверстие для подачи рабочего тела, воздействующего на поршень.

8. Воздухозаборное устройство по п.7, отличающееся тем, что корпусом узла управления является полость центрального тела, в котором размещен шток регулятора противопомпажной защиты, являющийся поршнем, на который воздействует рабочее тело.