Ограничитель потока воздухозаборника
Настоящее изобретение относится к гиперзвуковым транспортным средствам, в частности к воздушно-реактивным двигателям и ограничителям потока воздухозаборника для гиперзвуковых транспортных средств. Гиперзвуковое транспортное средство содержит корпус;
управляющую поверхность, сопряженную с корпусом; и гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель, сопряженный с корпусом, причем двигатель содержит: сужающийся воздухозаборник, содержащий неподвижную обечайку, имеющую первую площадь поперечного сечения, и горло, сообщающееся по текучей среде с обечайкой и имеющее вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения; и ограничитель потока, имеющий третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения, и выполненный с возможностью перемещения между убранным положением и полностью развернутым положением; причем при нахождении ограничителя потока в полностью развёрнутом положении между периферией ограничителя потока и внутренней поверхностью обечайки образован однородный зазор; и разница между первой площадью поперечного сечения обечайки и третьей площадью поперечного сечения ограничителя потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла. Это позволяет создать эффективное средство для предотвращения высокочастотных колебаний давления и незапуска воздухозаборника, которое может быть использовано во время ускорения и замедления гиперзвукового транспортного средства. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 12 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к гиперзвуковым транспортным средствам, в частности к воздушно-реактивным двигателям и ограничителям потока воздухозаборника для гиперзвуковых транспортных средств.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
К гиперзвуковым транспортным средствам относятся такие транспортные средства, как воздушные летательные аппараты, ракеты, космопланы, самолеты, дроны и т.д., способные перемещаться на гиперзвуковых скоростях. В настоящем документе гиперзвуковыми считаются скорости выше 5 Мах, сверхзвуковыми считаются скорости выше 1 Мах, а дозвуковыми считаются скорости ниже 1 Мах.
Гиперзвуковые транспортные средства могут в качестве движущего средства использовать воздушно-реактивный гиперзвуковой двигатель такого типа, как гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель представляет собой воздушно-реактивный двигатель, в котором сгорание происходит в сверхзвуковом потоке воздуха. Гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели полагаются на высокую скорость транспортного средства для принудительного сокращения входящего воздуха перед сгоранием и поддержания воздуха на сверхзвуковых скоростях по всему двигателю. Поддержание воздуха на сверхзвуковых скоростях по всему двигателю обеспечивает возможность эффективной работы гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя на очень высоких скоростях.
Обычный гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит три основных компонента: сужающийся воздухозаборник, в котором обеспечивается сжатие входящего воздуха; камеру сгорания, в которой обеспечивается сгорание топлива с атмосферным кислородом для образования тепла и увеличения получаемого в результате давления продуктов сгорания; и расходящееся сопло, в котором горячие выходящие газы ускоряются для образования тяги. В отличие от обычного реактивного двигателя, такого как турбореактивный двигатель или турбовентиляторный двигатель, гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель не использует вращающиеся компоненты наподобие лопастей для сжатия воздуха. Вместо этого, скорость транспортного средства обеспечивает сжатие воздуха внутри воздухозаборника. Таким образом, одно преимущество по сравнению с обычными двигателями сгорания заключается в отсутствии лопаток компрессора или подвижных деталей. Однако так как гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель не содержит механического компрессора, такие гиперзвуковые двигатели требуют большой кинетической энергии гиперзвукового потока для сжатия входящего воздуха до рабочего состояния. Таким образом, требуется ускорение гиперзвукового транспортного средства, питаемого гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем, до требуемой скорости (обычно приблизительно 4 Мах) другим движущим средством, таким как турбореактивный, ракетный двигатель, газовая пушка, рельсовая пушка и т.д., до скорости, на которой возможно зажигание гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
На протяжении некоторого периода времени во время ускорения скорость гиперзвукового транспортного средства будет слишком низкой для засасывания воздухозаборником гиперзвукового двигателя всего встречного потока воздуха. При невозможности прохождения всего потока, приближающегося к воздухозаборнику с определенной сверхзвуковой скоростью, давлением, температурой и углом атаки, через воздухозаборник, перед воздухозаборником будет образована сильная система ударной волны, уменьшающая скорость потока и направляющая часть встречного потока воздуха вокруг воздухозаборника. Это создает большое сопротивление воздухозаборника. Сильная ударная волна также разделяет пограничный слой потока воздуха у стенки, приводя к очень неустойчивому и шумному поведению потока воздухозаборника, именуемому «высокочастотными колебаниями давления в воздухозаборнике». Анализ прогнозов относительно «высокочастотных колебаний давления в воздухозаборнике» с использованием вычислительной динамики жидкости и газа, и фактических результатов теста «высокочастотных колебаний давления в воздухозаборнике» в сверхзвуковом воздухозаборнике двойного потока с малой интенсивностью звукового удара находится в документе Национальное управление по аэронавтике и космонавтике, NASA/TM - 2012-217612, Анализ высокочастотных колебаний давления_в сверхзвуковом воздухозаборнике («Analysis of Buzz in a Supersonic Inlet») (2012). Такое состояние работы воздухозаборника обычно именуют «незапуском». Подробное описание и анализ процесса «незапуска» находится в документе Центр Исследований Турбулентности, ежегодные отчеты исследований 2010, стр. 93-103, Численное исследование события незапуска в модели воздухозаборник/изолятор («А Numerical Study of the Unstart Event in an Inlet/Isolator Model») (2010). Дополнительно, подробное исследование влияния пограничных слоев на процесс «незапуска» находится в документе 17я конференция по интернациональным космическим летательным средствам и гиперзвуковых системах Американского института аэронавтики и астронавтики (AIAA), AIAA 2011-2349, Влияние пограничных слоев на незапуск сверхзвукового воздухозаборника («The Influence of Boundary Layers on Supersonic Inlet Unstart») (2011). Очень высокие акустические и вибрационные нагрузки, обусловленные высокочастотными колебаниями давления в воздухозаборнике, могут наносить повреждения конструкции транспортного средства, бортовым системам, и/или ухудшать устойчивость и управление транспортным средством, требуя возможных обременительных конструкторских решений для уменьшения отрицательных эффектов. Такая же проблема присутствует при замедлении гиперзвукового транспортного средства, например, при снижении для поражения цели для ракеты.
Существуют различные средства, обычно используемые для предотвращения отрицательных эффектов высокочастотных колебаний давления и незапуска воздухозаборника, в зависимости от того, является воздухозаборник гиперзвукового двигателя двухмерным воздухозаборником или трехмерным воздухозаборником. Двигатель с двухмерным воздухозаборником, таким как на фиг. 12 и в общем обозначенным ссылочной позицией 300, содержит прямоугольный воздухозаборник 310, в котором все стенки 320 являются линейными в плоскостях х-у. Эти двигатели 300 с двухмерным воздухозаборником могут содержать воздухозаборники различной геометрии для предотвращения незапуска воздухозаборника путем уменьшения относительного расширения воздухозаборника, обычно именуемого коэффициентом поджатая, при движении транспортного средства на более низких скоростях. В отличие от этого, двигатель с трехмерным воздухозаборником содержит изогнутый воздухозаборник, в котором стенки являются криволинейными и могут иметь сложные линии изгиба. Эти воздухозаборники могут обеспечивать преимущества в эффективности сжатия воздухозаборника, и сочетаются с камерами сгорания, имеющими круглые или эллиптические формы поперечного сечения, которые являются более эффективными в конструктивном отношении, чем камеры сгорания с прямоугольными формами поперечного сечения.
Для двигателя с двухмерным воздухозаборником одно существующее средство для предотвращения высокочастотных колебаний давления и незапуска воздухозаборника заключается в механическом закрывании воздухозаборника поворотной створкой обечайки до готовности двигателя к запуску, причем к этому времени обеспечивается поворотное открывание створки воздухозаборника. Поворотная створка обечайки выполнена с возможностью полного закрывания воздухозаборника, или его частичного открывания, предотвращая незапуск. Еще одно возможное средство для предотвращения высокочастотных колебаний давления и незапуска воздухозаборника заключается в использовании перепускных створок в воздухозаборнике, отклоняющих часть встречного потока воздуха в отдельные каналы, выпускающие поток воздуха в область низкого давления транспортного средства. Это эффективно увеличивает площадь горла воздухозаборника и уменьшает внутренний коэффициент поджатая воздухозаборника. Хотя высокий внутренний коэффициент поджатая воздухозаборника является первопричиной незапусков воздухозаборника, высокий коэффициент поджатая воздухозаборника требуется для достижения высокой производительности двигателя на высоких скоростях транспортного средства. Следовательно, хотя использование створки обечайки внутренних перепускных створок на двухмерном воздухозаборнике с низким внутренним коэффициент поджатия может решать указанную проблему, это конструкторское решение является механически сложным и увеличивает вес воздухозаборника. Однако поворотная створка обечайки не может быть просто встроена в трехмерный воздухозаборник, так как изгиб поверхности и механические проблемы перепускных створок отрицательно влияют на двигатели с трехмерным воздухозаборником.
Для двигателя с трехмерным воздухозаборником, который может улучшать общую производительность транспортного средства, требуется альтернативное средство для предотвращения отрицательных эффектов незапуска и высокочастотных колебаний давления воздухозаборника во время ускорения и замедления транспортного средства. Одно существующее средство для двигателей с трехмерным воздухозаборником заключается в покрывании воздухозаборника обтекателем или кожухом, выводимом из транспортного средства непосредственно перед запуском гиперзвукового двигателя. Однако после выведения обтекателя или кожуха ничто не защищает гиперзвуковой двигатель при замедлении транспортного средства.
Следовательно, существует необходимость в эффективном средстве для предотвращения высокочастотных колебаний давления и незапуска воздухозаборника в двухмерных и трехмерных воздухозаборниках двигателя, и в частности в трехмерных воздухозаборниках двигателя, поддерживающих высокий коэффициент поджатия трехмерного воздухозаборника двигателя, и которые могут быть использованы во время ускорения и замедления гиперзвукового транспортного средства.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте реализации настоящего изобретения гиперзвуковое транспортное средство содержит корпус, по меньшей мере одну управляющую поверхность, сопряженную с корпусом, и гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель, сопряженный с корпусом. Двигатель содержит сужающийся воздухозаборник и ограничитель потока. Сужающийся воздухозаборник содержит неподвижную обечайку, имеющую первую площадь поперечного сечения, и горло, сообщающееся по текучей среде с обечайкой и имеющее вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения. Ограничитель потока выполнен с возможностью перемещения между убранным положением и полностью развернутым положением. Ограничитель потока имеет третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения обечайки таким образом, что между периферией ограничителя потока и внутренней поверхностью обечайки образован однородный зазор при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении, и что разница между первой площадью поперечного сечения обечайки и третьей площадью поперечного сечения ограничителя потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла.
В другом варианте реализации настоящего изобретения воздушно-реактивный двигатель для гиперзвукового транспортного средства содержит сужающийся воздухозаборник и ограничитель потока. Сужающийся воздухозаборник содержит неподвижную обечайку и горло, сообщающееся по текучей среде с обечайкой. Ограничитель потока выполнен с возможностью перемещения между убранным положением и полностью развернутым положением. Однородный зазор образован между периферией ограничителя потока и внутренней поверхностью обечайки таким образом, что внутренний коэффициент поджатия воздухозаборника приблизительно составляет 1:1 при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении.
Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения предложен способ предотвращения высокочастотных колебаний давления и неполадок воздухозаборника, связанных с незапуском, в гиперзвуковом воздушно-реактивном двигателе, содержащий этапы: обеспечения сужающегося воздухозаборника, содержащего неподвижную обечайку, имеющую первую площадь поперечного сечения и горло, сообщающееся по текучей среде с обечайкой и имеющее вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения; и перемещения ограничителя потока из убранного положение в полностью развернутое положение, в котором ограничитель потока отклоняет часть потока воздуха снаружи воздухозаборника; причем ограничитель потока имеет третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения обечайки таким образом, что между периферией ограничителя потока и внутренней поверхностью обечайки образован однородный зазор при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении, и что разница между первой площадью поперечного сечения обечайки и третьей площадью поперечного сечения ограничителя потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла.
Характерные особенности, функции и преимущества, описанные ранее, могут быть достигнуты независимо в различных вариантах реализации или могут быть совмещены в других вариантах реализации, дополнительные подробности которых раскрыты со ссылкой на следующее описание и чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен перспективный вид снизу примера гиперзвукового транспортного средства с ограничителем потока воздухозаборника;
На фиг. 2 представлен вид спереди в разрезе гиперзвукового транспортного средства по фиг. 1 при нахождении ограничителя потока воздухозаборника в полностью развернутом положении;
На фиг. 3 представлен вид спереди в разрезе гиперзвукового транспортного средства по фиг. 1 при нахождении ограничителя потока воздухозаборника в полностью убранном положении;
На фиг. 4 представлен вид сзади в разрезе гиперзвукового транспортного средства по фиг. 1 при нахождении ограничителя потока воздухозаборника в полностью развернутом положении;
На фиг. 5 представлен вид сбоку в поперечном разрезе гиперзвукового транспортного средства по фиг. 1 при нахождении ограничителя потока воздухозаборника в полностью убранном положении;
На фиг. 6 представлен вид сбоку в поперечном разрезе гиперзвукового транспортного средства по фиг. 1 при нахождении ограничителя потока воздухозаборника в частично развернутом положении;
На фиг. 7 представлен вид сбоку в поперечном разрезе гиперзвукового транспортного средства по фиг. 1 при нахождении ограничителя потока воздухозаборника в полностью развернутом положении;
На фиг. 8 представлен вид сбоку в поперечном разрезе по фиг. 5 с линиями обтекания, изображающими поток воздуха через гиперзвуковое транспортное средство;
На фиг. 9 представлен вид сбоку в поперечном разрезе фиг. 7 с линиями обтекания, изображающими поток воздуха через гиперзвуковое транспортного средства и вокруг ограничителя потока воздухозаборника;
На фиг. 10 представлен вид сбоку в разрезе примера трехмерного воздухозаборника для гиперзвукового транспортного средства при нахождении ограничителя потока воздухозаборника в полностью развернутом положении;
На фиг. 11 представлен вид спереди в разрезе трехмерного воздухозаборника по фиг. 10; и
На фиг. 12 представлен перспективный вид снизу двухмерного воздухозаборника для гиперзвукового транспортного средства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один пример, описанный в настоящем документе, обеспечивает создание регулируемого воздухозаборника для использования в гиперзвуковом воздушно-реактивном двигателе гиперзвукового транспортного средства, обеспечивающий возможность регулируемого управления потоком во время дозвуковой и сверхзвуковой скоростей, например, во время ускорения перед запуском гиперзвукового двигателя или во время замедления транспортного средства. Это может предотвращать или уменьшать высокочастотные колебания давления и незапуск воздухозаборника и обеспечивает возможность использования оптимизированных трехмерных воздухозаборников с увеличенной кривизной и с высоким внутренним коэффициентом поджатия.
В этом примере ограничитель потока, выполненный с возможностью развертывания, может быть расположен перед неподвижной обечайкой, например криволинейной неподвижной обечайкой, сужающегося воздухозаборника, ограничивающего количество потока воздуха, засасываемого воздухозаборником для предотвращения высокочастотных колебаний давления и неполадок воздухозаборника, связанных с незапуском, со скоростями потока воздуха ниже рабочего предела двигателя. В развернутом состоянии ограничитель потока выполнен с возможностью плавного отклонения большой части входного потока воздуха вокруг воздухозаборника и обеспечения возможности засасывания небольшой части входного потока воздуха воздухозаборником для прохождения через горло воздухозаборника со сверхзвуковой скоростью. В полностью развернутом состоянии на рабочих скоростях ограничитель потока выполнен с возможностью снятия или отделения части толщины потери импульса сверхзвукового пограничного слоя для предотвращения отделения пограничного слоя и, следовательно, незапуска. Часть может быть определена как функция конструкции воздухозаборника и предназначенной рабочей гиперзвуковой среды, которая, в свою очередь, позволит установить оптимальный зазор или интервалы зазора, позволяющие воздухозаборнику уменьшать эффекты, приводящие к незапуску. Уменьшение количества входного потока воздуха, засасываемого воздухозаборником на дозвуковой и сверхзвуковой скоростях, обеспечивает предотвращение сжатия воздуха воздухозаборника, или обеспечивает его минимально сжатие в воздухозаборнике без звуковой скорости (скорость 1 Мах) на горле воздухозаборника, именуемое «запиранием», таким образом обеспечивая возможность прохождения его всего через воздухозаборник на сверхзвуковой или гиперзвуковой скоростях, предотвращая незапуск и высокочастотные колебания давления воздухозаборника. Ограничитель потока обеспечивает возможность сплошной и непрерывной конструкции воздухозаборника, таким образом сохраняя прочность и возможность содержания высокого давления воздухозаборника. Дополнительно, ограничитель потока может быть приведен в действие от своего центра, устраняя консольные нагрузки, которым в противном случае должен противодействовать закрылок.
Со ссылкой на фиг. 1-4, один пример гиперзвукового транспортного средства 10 содержит корпус 20 и по меньшей мере одну управляющую поверхность 30, сопряженную с корпусом 20. Управляющая поверхность 30 может представлять собой элевон крыла, хвост, руль высоты, закрылок или любой другой тип управляющей поверхности, выполненной с возможностью управления гиперзвуковым транспортным средством 10 во время полета, и соединения с корпусом 20, или выполнения заодно целое с ним. Гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель 40 также сопряжен с корпусом 20 и может быть соединен с корпусом 20, выполнен заодно целое с ним, или расположен внутри него.
Со ссылкой на фиг. 5-11 показан один пример сужающегося воздухозаборника 100 и ограничителя 200 потока, которые могут быть использованы как часть гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя 40 гиперзвукового транспортного средства 10. В изображенном примере сужающийся воздухозаборник 100 представляет собой трехмерный воздухозаборник, содержащий криволинейную неподвижную обечайку 110 и горло 120. Хотя пример сужающегося воздухозаборника 100 представляет собой трехмерный воздухозаборник, следует понимать, что настоящее изобретение также может быть использовано с двухмерными воздухозаборниками. Обечайка 110 содержит одну или более стенок 112, имеющих криволинейную форму, причем они могут иметь очень сложные криволинейные формы. Криволинейные формы стенок 112 оптимизируют обечайку 110 для засасывания гиперзвукового потока, и определяют первую площадь поперечного сечения, перпендикулярную продольной оси А воздухозаборника 100, внутри внутренней поверхности 114 обечайки 110, как показано на фиг. 5. Например, гиперзвуковое транспортное средство, длина которого составляет 10-15 футов (3,05-4,57 м), может содержать обечайку с площадью поперечного сечения, составляющей 0,6-1,3 фут2 (557-1208 см2), гиперзвуковое транспортное средство, длина которого составляет 30-50 футов (9,1-15,2 м), может содержать обечайку с площадью поперечного сечения, составляющей 5,1-14,0 фут2 (4738-13000 см2), а гиперзвуковое транспортного средства, длина которого составляет 100-150 футов (30,5-45,7 м), может содержать обечайку с площадью поперечного сечения, составляющей 56,0-126,0 фут2 (5,20-11,71 м2). Горло 120 сообщается по текучей среде с обечайкой 110 и сжимает поток воздуха, входящий через обечайку 110 перед проникновением потока воздуха в участок сгорания двигателя 40. Для сжатия потока воздуха, проникающего в воздухозаборник 100 через обечайку 110, горло 120 определяет вторую площадь поперечного сечения, перпендикулярную продольной оси А, которая меньше первой площади поперечного сечения обечайки 110. Например, гиперзвуковое транспортное средство, длина которого составляет 10-15 футов (3,05-4,57 м), может содержать горло с площадью поперечного сечения, составляющей 0,1-0,2 фут2 (92,9-185,8 см2), гиперзвуковое транспортное средство, длина которого составляет 30-50 футов (9,1-15,2 м), может содержать горло с площадью поперечного сечения, составляющей 0,7-2,1 фут2 (650,3-1951,0 см2), а гиперзвуковое транспортное средство, длина которого составляет 100-150 футов (30,5-45,7 м), может содержать горло с площадью поперечного сечения, составляющей 8,2-18,5 фут2 (7618,0-17187,1 см2).
Как показано линиями обтекания на фиг. 8, при эксплуатации поток воздуха проникает в воздухозаборник 100 через обечайку 110, а криволинейные стенки 112 направляют поток воздуха к горлу 120. Стенки 112 сжимают поток воздуха без замедления потока воздуха ниже сверхзвуковых скоростей, и направляют поток воздуха к камере сгорания или камере горения, в которой топливо смешивается со сжатым потоком воздуха для образования тепла и дополнительного увеличения давления воздуха. Нагретый воздух под высоким давлением затем ускоряют расходящимся соплом двигателя 40 для образования тяги.
Как описано ранее, при передвижении гиперзвукового транспортного средства 10 на сверхзвуковых скоростях ниже определенного порога, воздухозаборник 100 гиперзвуковой двигатель выполнен без возможности засасывания всего встречного потока воздуха, что может приводить к системе сильной ударной волны, образующейся перед воздухозаборником 100, отклоняющей поток воздуха от стенки транспортного средства, образуя высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском. Для предотвращения или уменьшения возможных высокочастотных колебаний давления и неполадок воздухозаборника, связанных с незапуском, приведенный в качестве примера двигатель 40 может содержать ограничитель 200 потока, выполненный с возможностью перемещения между убранным, или сложенным положением (фиг. 3, 5 и 8), частично развернутым положением (фиг. 6) и полностью развернутым положением (фиг. 1-2, 4, 7 и 9-11).
В частности со ссылкой на фиг. 5 и 10, в убранном или сложенном положении ограничитель 200 потока выполнен с возможностью убирания внутрь конформного углубления 130 для ограничителя, образованного в одной из стенок 112 воздухозаборника 100. Конформное углубление 130 для ограничителя имеет такую же форму, как и ограничитель 200 потока, а ограничитель 200 потока расположен внутри углубления 130 таким образом, что ограничитель 200 потока не препятствует потоку воздуха в воздухозаборнике, как показано линиями SL обтекания на фиг. 8, в убранном положении. Путем обеспечения углубления 130 в стенке 112 воздухозаборника 100 конструкция воздухозаборника 100 остается непрерывной и является хорошим барьером давления.
Со ссылкой на фиг. 6, ограничитель потока при желании также может быть переведен в частично развернутое положение, которое может быть использовано для уменьшения количества потока воздуха, направляемого в воздухозаборник 100.
Со ссылкой на фиг. 7 и 9-11, в полностью развернутом положении, которое в изображенном примере составляет приблизительно 30 градусов от продольной оси А, первая часть потока воздуха, приближающаяся к воздухозаборнику 100 ударится об ограничитель 200 потока, который плавно отклонит часть первой части потока воздуха наружу воздухозаборника, как показано линиями обтекания на фиг. 9. Это плавное отклонение потока воздуха наружу воздухозаборника 100 ограничителем 200 потока предотвращает накопление сильной ударной волны перед воздухозаборником 100, что предотвращает высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском, при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении и скоростях потока воздуха ниже скорости, на которой возможен запуск воздухозаборника.
Дополнительно, как лучше всего видно на фиг. 11, в полностью развернутом положении ограничитель 200 потока имеет третью площадь поперечного сечения, перпендикулярную продольной оси А, которая меньше первой площади поперечного сечения обечайки 110 таким образом, что однородный зазор 210 образован вокруг ограничителя 200 потока между периферией 220 ограничителя 200 потока и внутренней поверхностью 114 обечайки 110, обеспечивая возможность прохождения второй части потока воздуха, не отклоненной ограничителем 200 потока, в воздухозаборник 100, как показано линиями SL обтекания (частично) на фиг. 9. Например, гиперзвуковое транспортное средство, длина которого составляет 10-15 футов (3,05-4,57 м), может содержать зазор, приблизительно составляющий 0,3-0,5 дюйма (0,762-1,27 см), гиперзвуковое транспортное средство, длина которого составляет 30-50 футов (9,1-15,2 м), может содержать зазор, приблизительно составляющий 1,0-1,6 дюйма (2,54-4,064 см), а гиперзвуковое транспортное средство, длина которого составляет 100-150 фут (30,48-45,72 м), может содержать зазор, приблизительно составляющий 3,2-4,8 дюйма (8,128-12,192 см). В изображенном примере, разница между первой площадью поперечного сечения обечайки 110 и третьей площадью поперечного сечения ограничителя 200 потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла 120. Это обеспечивает внутренний коэффициент поджатия, приблизительно составляющий 1:1, при нахождении ограничителя 200 потока в полностью развернутом положении, что обеспечивает отсутствие сжатия потока воздуха, проходящего в воздухозаборник 100, или его минимальное сжатие, и исключает его замедление ниже сверхзвуковых скоростей в случае сверхзвукового полета, а также исключает его ускорение до звуковой скорости в случае дозвукового полета, вследствие сжатия входного потока воздуха. Зазор 210 между ограничителем 200 потока и внутренней поверхностью 114 обечайки 110 обеспечивает возможность прохождения пограничного слоя под ограничитель 200 потока, предотвращая отделение потока вследствие сопротивления пограничного слоя, созданного ограничителем 200 потока, который может быть регулирован по желанию таким образом, что полученный в результате внутренний коэффициент поджатия является достаточно низким для предотвращения высокочастотных колебаний давления и неполадок, связанных с незапуском.
Один способ разработки формы ограничителя 200 потока заключается в повороте участка внутренней поверхности 114 обечайки 110 под углом, который переведет ограничитель 200 потока в полностью развернутое положение, например, 30 градусов. Границу первой площади поперечного сечения обечайки, перпендикулярной продольной оси А, затем проецируют на переднюю панель и смещают внутрь на зазор 210 для создания профиля ограничителя 200 потока.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что следующие формулы могут быть использованы для определения пограничного слоя и, следовательно, оптимального размера ограничителя потока и зазора. Эти формулы позволяют задать грубый размер ограничителя 200 потока и зазора 210 путем обеспечения возможности общего анализа пограничных слоев для приграничного и турбулентного потока, эти соотношения в двух плоскостях следует адаптировать к желаемой структурной конфигурации предполагаемого ограничителя потока, который предположительно не является плоским. Специалистам в соответствующей области техники аэродинамических технологий будет понятно, что сочетание анализ вычислительной динамики жидкости и газа может быть применен для создания большего количества анализов пограничного слоя, направленных на применение, и, в результате, конфигурации ограничителя 200 потока и зазора 210.
ПРИГРАНИЧНЫЙ ПОТОК
где
Rex=ρeVex/μe
TeinK
ТУРБУЛЕНТНЫЙ ПОТОК
δi=0,37x/(Rex)1/5
где
δ = толщина пограничного слоя
δ* = толщина вытеснения пограничного слоя
θ = толщина потери импульса пограничного слоя
ρ = плотность потока
V = скорость потока
х = расстояние от ведущего конца
μ = вязкость газа
Re = число Рейнольдса
Верхний индекс * = эталонная величина
НИЖНИЙ ИНДЕКС
е =краевое значение
i = несжимаемый
с = сжимаемый
Для перемещения ограничителя 200 потока между убранным, частично развернутым и полностью развернутым положениями, ограничитель 200 потока содержит пару рычагов 230, отходящих от периферии 220 ограничителя 200 потока, и между периферией 220 и стенкой 112 обечайки 110. Хотя изображенный пример содержит два рычага 230, любое количество рычагов может быть использовано в соответствии с частными требованиями к конструкции. Рычаги 230 имеют ось В вращения, определенную осью шарнира, несколькими отдельными осями шарнира или любым другим известным способом, соединяющим ограничитель 200 потока с обечайкой 110 и обеспечивающим возможность поворота ограничителя 200 потока вокруг оси В вращения при перемещении между убранным или сложенным, частично развернутым и полностью развернутым положениями. Рычаги 230 могут содержаться в отдельных углубленных полостях в стенке 112 обечайки 110, что может упростить требования к герметичности.
В работе ограничитель 200 потока может быть перемещен в полностью развернутое положение, как показано на фиг. 1-2, 7 и 9-11, при передвижении гиперзвукового транспортного средства 10 на сверхзвуковой или дозвуковой скоростях, например, при ускорении гиперзвукового транспортного средства 10 до гиперзвуковых скоростей или его замедлении из гиперзвуковых скоростей. Как описано ранее, при нахождении ограничителя 200 потока в полностью развернутом положении, обеспечивается отклонение первой части догиперзвукового потока воздуха снаружи воздухозаборника 100, и обеспечивается прохождение второй части в воздухозаборник 100, как показано на линиями обтекания на фиг. 9, что исключит образование ударной волны перед воздухозаборником 100 и предотвратит высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском. При достижении гиперзвуковым транспортным средством 10 рабочей скорости воздушно-реактивного двигателя или при приближении к ней, обеспечивается убирание ограничителя 200 потока в убранное или сложенное положение, в котором ограничитель 200 потока расположен внутри углубления 130 в обечайке 110. В этом положении обеспечивается прохождение всего встречного гиперзвукового потока воздуха в воздухозаборник 100, и гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель 40 может быть включен.
Далее описание содержит варианты реализации в соответствии со следующими пунктами:
Пункт 1. Гиперзвуковое транспортное средство, содержащее:
корпус;
по меньшей мере одну управляющую поверхность, сопряженную с корпусом; и
гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель, сопряженный с корпусом, причем двигатель содержит:
сужающийся воздухозаборник, содержащий неподвижную обечайку, имеющую первую площадь поперечного сечения, и горло, сообщающееся по текучей среде с обечайкой и имеющее вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения; и
ограничитель потока, имеющий третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения, и выполненный с возможностью перемещения между убранным положением и полностью развернутым положением; причем
между периферией ограничителя потока и внутренней поверхностью обечайки образован однородный зазор при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении; и
разница между первой площадью поперечного сечения обечайки и третьей площадью поперечного сечения ограничителя потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла.
Пункт 2. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 1, в котором ограничитель потока не препятствует прохождению потока воздуха в воздухозаборник в убранном положении, а ограничитель потока отклоняет участок потока воздуха наружу воздухозаборника в полностью развернутом положении.
Пункт 3. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 1, в котором неподвижная обечайка имеет криволинейную форму.
Пункт 4. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 1, в котором:
воздухозаборник дополнительно содержит конформное углубление для ограничителя, образованное в стенке воздухозаборника; и
ограничитель потока убран внутрь конформного углубления для ограничителя в убранном положении.
Пункт 5. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 4, в котором ограничитель потока дополнительно содержит по меньшей мере один рычаг, проходящий между периферией ограничителя потока и стенкой воздухозаборника
Пункт 6. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 5, в котором по меньшей мере один рычаг содержит ось вращения, а ограничитель потока выполнен с возможностью поворота вокруг оси вращения между убранным и полностью развернутым положениями.
Пункт 7. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 1, в котором по меньшей мере одна управляющая поверхность соединена с корпусом.
Пункт 8. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 1, в котором по меньшей мере одна управляющая поверхность выполнена заодно целое с корпусом.
Пункт 9. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 1, в котором двигатель расположен внутри корпуса.
Пункт 10. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 1, в котором двигатель соединен с корпусом.
Пункт 11. Гиперзвуковое транспортное средство по пункту 1, в котором ограничитель потока предотвращает высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском, при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении и скоростях потока воздуха ниже рабочего предела двигателя.
Пункт 12. Воздушно-реактивный двигатель для гиперзвукового транспортного средства, содержащий:
сужающийся воздухозаборник, содержащий неподвижную обечайку и горло, сообщающееся по текучей среде с обечайкой; и
ограничитель потока, выполненный с возможностью перемещения между убранным положением и полностью развернутым положением; причем
между периферией ограничителя потока и внутренней поверхностью обечайки образован однородный зазор таким образом, что внутренний коэффициент поджатия воздухозаборника приблизительно составляет 1:1 при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении.
Пункт 13. Двигатель по пункту 12, в котором ограничитель потока не препятствует прохождению потока воздуха в воздухозаборник в убранном положении, и ограничитель потока отклоняет первую часть потока воздуха снаружи воздухозаборника и обеспечивает возможность прохождения второй части потока воздуха в воздухозаборник в полностью развернутом положении.
Пункт 14. Двигатель по пункту 12, в котором неподвижная обечайка имеет криволинейную форму.
Пункт 15. Двигатель по пункту 12, в котором:
обечайка имеет первую площадь поперечного сечения;
горло имеет вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения обечайки;
ограничитель потока имеет третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения обечайки; и
разница между первой площадью поперечного сечения обечайки и третьей площадью поперечного сечения ограничителя потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла.
Пункт 16. Двигатель по пункту 12, в котором горло имеет вторую площадь поперечного сечения, а зазор определяет четвертую площадь поперечного сечения, приблизительно равную второй площади поперечного сечения горла.
Пункт 17. Двигатель по пункту 12, в котором:
воздухозаборник дополнительно содержит конформное углубление для ограничителя, образованное в стенке воздухозаборника; и
ограничитель потока убран внутрь конформного углубления для ограничителя в убранном положении.
Пункт 18. Двигатель по пункту 17, в котором ограничитель потока дополнительно содержит по меньшей мере один рычаг, проходящий между периферией ограничителя потока и стенкой воздухозаборника.
Пункт 19. Двигатель по пункту 18, в котором по меньшей мере один рычаг содержит ось вращения, а ограничитель потока выполнен с возможностью поворота вокруг оси вращения между убранным и полностью развернутым положениями.
Пункт 20. Двигатель по пункту 12, в котором ограничитель потока предотвращает высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском, при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении и скоростях потока воздуха, проникающего в двигатель, ниже рабочего предела двигателя.
Пункт 21. Способ предотвращения высокочастотных колебаний давления и неполадок воздухозаборника, связанных с незапуском, в гиперзвуковом воздушно-реактивном двигателе, содержащий этапы:
обеспечения сужающегося воздухозаборника, содержащего неподвижную обечайку, имеющую первую площадь поперечного сечения, и горло, сообщающееся по текучей среде с обечайкой и имеющее вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения; и
перемещения ограничителя потока, имеющего третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения, из убранного положения в полностью развернутое положение, в котором ограничитель потока отклоняет часть потока воздуха снаружи воздухозаборника; причем
между периферией ограничителя потока и внутренней поверхностью обечайки образован однородный зазор; и
разница между первой площадью поперечного сечения обечайки и третьей площадью поперечного сечения ограничителя потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла.
Пункт 22. Способ по пункту 21, в котором неподвижная обечайка имеет криволинейную форму.
Пункт 23. Способ по пункту 21, дополнительно содержащий этапы:
обеспечения конформного углубления для ограничителя, образованного в стенке воздухозаборника; и
убирания ограничителя потока внутрь конформного углубления для ограничителя в убранном положении.
Пункт 24. Способ по пункту 23, дополнительно содержащий этапы:
обеспечения по меньшей мере одного рычага, проходящего между периферией ограничителя потока и стенкой воздухозаборника, причем по меньшей мере один рычаг содержит ось вращения; и
поворота ограничителя потока вокруг оси вращения между убранным и полностью развернутым положениями.
Пункт 25. Способ по пункту 21, в котором ограничитель потока предотвращает высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском, при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении и скоростях потока воздуха ниже рабочего предела двигателя.
Хотя ранее были описаны различные варианты реализации, это описание не ограничивается ими. В раскрытых вариантах реализации могут быть осуществлены вариации, находящиеся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.
1. Гиперзвуковое транспортное средство (10), содержащее:
корпус (20);
по меньшей мере одну управляющую поверхность (30), сопряженную с корпусом (20); и
гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель (40), сопряженный с корпусом (20), причем двигатель содержит:
сужающийся воздухозаборник (100), содержащий неподвижную обечайку (110), имеющую первую площадь поперечного сечения, и горло (120), сообщающееся по текучей среде с обечайкой (110) и имеющее вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения; и
ограничитель (200) потока, имеющий третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения, и выполненный с возможностью перемещения между убранным положением и полностью развернутым положением; причем
при нахождении ограничителя (200) потока в полностью развёрнутом положении между периферией (220) ограничителя (200) потока и внутренней поверхностью (114) обечайки (110) образован однородный зазор (210); и
разница между первой площадью поперечного сечения обечайки (110) и третьей площадью поперечного сечения ограничителя (200) потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла (120).
2. Гиперзвуковое транспортное средство (10) по п. 1, в котором ограничитель (200) потока не препятствует прохождению потока воздуха в воздухозаборник в убранном положении, и ограничитель (200) потока отклоняет часть потока воздуха снаружи воздухозаборника в полностью развернутом положении.
3. Гиперзвуковое транспортное средство (10) по п. 1, в котором неподвижная обечайка (110) имеет криволинейную форму.
4. Гиперзвуковое транспортное средство (10) по п. 1, в котором:
воздухозаборник дополнительно содержит конформное углубление (130) для ограничителя, образованное в стенке (112) воздухозаборника (130); и
ограничитель (200) потока убран внутрь конформного углубления (130) для ограничителя в убранном положении,
причем ограничитель (200) потока дополнительно содержит по меньшей мере один рычаг (230), проходящий между периферией (220) ограничителя (200) потока и стенкой (112) воздухозаборника; и
причем по меньшей мере один рычаг (230) содержит ось (B) вращения, а ограничитель (200) потока выполнен с возможностью поворота вокруг оси (B) вращения между убранным и полностью развернутым положениями.
5. Гиперзвуковое транспортное средство (10) по п. 1, в котором по меньшей мере одна управляющая поверхность (30) соединена с корпусом (20).
6. Гиперзвуковое транспортное средство (10) по п. 1, в котором по меньшей мере одна управляющая поверхность (30) выполнена заодно целое с корпусом (20).
7. Гиперзвуковое транспортное средство (10) по п. 1, в котором двигатель (40) расположен внутри корпуса (20).
8. Гиперзвуковое транспортное средство (10) по п. 1, в котором двигатель (40) соединен с корпусом (20).
9. Гиперзвуковое транспортное средство (10) по п. 1, в котором ограничитель (200) потока предотвращает высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском, при нахождении ограничителя потока в полностью развернутом положении и скоростях потока воздуха ниже рабочего предела двигателя.
10. Воздушно-реактивный двигатель (40) для гиперзвукового транспортного средства (10), содержащий:
сужающийся воздухозаборник (100), содержащий неподвижную обечайку (110), имеющую первую площадь поперечного сечения, и горло (120), сообщающееся по текучей среде с обечайкой (110) и имеющее вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения; и
ограничитель (200) потока, имеющий третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения, и выполненный с возможностью перемещения между убранным положением и полностью развернутым положением; причем
при нахождении ограничителя (200) потока в полностью развёрнутом положении между периферией (220) ограничителя (200) потока и внутренней поверхностью (114) обечайки (110) образован однородный зазор (210), а
разница между первой площадью поперечного сечения обечайки (110) и третьей площадью поперечного сечения ограничителя (200) потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла (120).
11. Двигатель (40) по п. 10, в котором ограничитель (200) потока не препятствует прохождению потока воздуха в воздухозаборник (100) в убранном положении, и ограничитель (200) потока отклоняет первую часть потока воздуха снаружи воздухозаборника (100) и обеспечивает возможность прохождения второй части потока воздуха в воздухозаборник (100) в полностью развернутом положении.
12. Двигатель (40) по п. 10, в котором неподвижная обечайка (110) имеет криволинейную форму.
13. Двигатель (40) по п. 10, в котором горло (120) имеет вторую площадь поперечного сечения, а зазор (210) определяет четвертую площадь поперечного сечения, приблизительно равную второй площади поперечного сечения горла (120).
14. Двигатель (40) по п. 10, в котором:
воздухозаборник (100) дополнительно содержит конформное углубление (130) для ограничителя, образованное в стенке (112) воздухозаборника (100); и
ограничитель (200) потока убран внутрь конформного углубления (130) для ограничителя в убранном положении; причем
- ограничитель (200) потока дополнительно содержит по меньшей мере один рычаг (230), проходящий между периферией (220) ограничителя (200) потока и стенкой (112) воздухозаборника (100);
- по меньшей мере один рычаг (230) содержит ось (B) вращения, а ограничитель (200) потока выполнен с возможностью поворота вокруг оси (B) вращения между убранным и полностью развернутым положениями; и
- ограничитель (200) потока предотвращает высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском, при нахождении ограничителя (200) потока в полностью развернутом положении и скоростях потока воздуха, проходящего в двигатель (40), ниже рабочего предела двигателя (40).
15. Способ предотвращения высокочастотных колебаний давления и неполадок воздухозаборника, связанных с незапуском, в гиперзвуковом воздушно-реактивном двигателе (40), включающий этапы:
обеспечения сужающегося воздухозаборника (100), содержащего неподвижную обечайку (110), имеющую первую площадь поперечного сечения, и горло (120), сообщающееся по текучей среде с обечайкой (110) и имеющее вторую площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения; и
перемещения ограничителя (200) потока, имеющего третью площадь поперечного сечения, меньшую чем первая площадь поперечного сечения, из убранного положения в полностью развернутое положение, в котором ограничитель (200) потока отклоняет часть потока воздуха снаружи воздухозаборника (100); причем
между периферией (220) ограничителя (200) потока и внутренней поверхностью (114) обечайки (110) образован однородный зазор (210); и
разница между первой площадью поперечного сечения обечайки (110) и третьей площадью поперечного сечения ограничителя (200) потока приблизительно равна второй площади поперечного сечения горла (120).
16. Способ по п. 15, в котором неподвижная обечайка (110) имеет криволинейную форму.
17. Способ по п. 15, дополнительно включающий этапы:
обеспечения конформного углубления (130) для ограничителя, образованного в стенке (112) воздухозаборника (100); и
убирания ограничителя (200) потока внутрь конформного углубления (130) для ограничителя в убранном положении;
обеспечения по меньшей мере одного рычага (230), проходящего между периферией (220) ограничителя (200) потока и стенкой (112) воздухозаборника (100), причем по меньшей мере один рычаг (230) содержит ось (B) вращения; и
поворота ограничителя (200) потока вокруг оси (B) вращения между убранным и полностью развернутым положениями.
18. Способ по п. 15, в котором ограничитель (200) потока предотвращает высокочастотные колебания давления и неполадки воздухозаборника, связанные с незапуском, при нахождении ограничителя (200) потока в полностью развернутом положении и скоростях потока воздуха ниже рабочего предела двигателя (40).
