Высокоскоростной летательный аппарат и способ управления его тягой

 

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к сверхзвуковым или гиперзвуковым летательным аппаратам с воздушно-реактивными двигателями. Высокоскоростной летательный аппарат содержит воздушно-реактивную силовую установку с шарнирными двигательными модулями. Способ управления тягой заключается в изменении расхода воздуха через газовоздушный тракт путем взаимного перемещения и поворота парных двигательных модулей относительно друг друга в плоскостях, соответствующих плоскостям изменения местных углов атаки воздухозаборников. 2 н.з.п.ф-лы, 3 з.п. ф-лы., 6 ил.

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к сверхзвуковым или гиперзвуковым летательным аппаратам с воздушно-реактивными двигателями.

В проектах высокоскоростных сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) с воздушно-реактивными двигателями (ВРД) обычным является использование воздухозаборников, имеющих несимметричный участок внешнего сжатия.

Известной, например, является конфигурация гиперзвукового прямоточного двигателя (ГПВРД) с плоским двигательным трактом, включающим плоские несимметричные воздухозаборник и сопло. Для такого двигателя при большой сверхзвуковой скорости с увеличением угла атаки набегающего потока сначала происходит увеличение расхода струи, захватываемой воздухозаборником, и соответственно увеличение тяги двигателя, а затем, начиная с некоторого угла атаки, несмотря на дальнейшее увеличение расхода, тяга падает вследствие повышения потерь полного давления в скачках уплотнения внешнего и внутреннего сжатия. Аналогичное явление будет иметь место и для ГПВРД с неплоским (трехмерным) воздухозаборником, если он имеет протяженный участок с внешним сжатием в продольной плоскости, в которой должно быть обеспечено изменение углов атаки местного потока, набегающего на воздухозаборник. Конечно, с изменением угла атаки двигателя происходит и изменение направления действия результирующей тяги.

Известен проект гиперзвукового ЛА, у которого силовая установка выполнена в виде размещенной под крылом мотогондолы с двумя двигательными трактами, имеющими плоские несимметричные воздухозаборники [1] Существенным является то, что эти воздухозаборники имеют общий вертикальный клин сжатия и мотогондолу можно рассматривать как состоящую из двух соединенных неподвижно одинаковых двигательных модулей, несимметричные плоские воздухозаборники которых развернуты в противоположные стороны в плоскости, параллельной аэродинамической поверхности, под которой установлена мотогондола. Кроме того, здесь поток, набегающий на собственно воздухозаборники, формируется расположенной перед ними аэродинамической поверхностью, так что его направление и местный угол атаки однозначно определяются фиксированным положением мотогондолы в системе ЛА. Возможности управления тягой известного гиперзвукового ЛА являются обычными для высокоскоростных летательных аппаратов.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей управления тягой двигателя и соответственно летательного аппарата и, тем самым, повышение его маневренности при больших сверхзвуковых скоростях полета.

Решение поставленной задачи достигается тем, что, например, для ЛА с мотогондолой, установленной на аэродинамической поверхности и включающей парные двигательные модули, снабженные несимметричными воздухозаборниками, эти модули выполнены подвижными относительно друг друга и аэродинамической поверхности, причем с поворотом таким образом, что при фиксированном направлении потока, сформировавшегося перед воздухозаборниками при обтекании аэродинамической поверхности, местный угол атаки воздухозаборников изменяется и, тем самым, реализуется ется указанный эффект изменения расхода и тяги с изменением угла атаки каждого из подвижных двигательных модулей. Это обеспечивает новые возможности управления тягой ЛА.

Сущность предлагаемого устройства высокоскоростных ЛА, например, как у известного гиперзвукового ЛА, снабженного установленной под крылом или нижней аэродинамической поверхностью корпуса мотогондолой с парными двигательными модулями, несимметричные плоские воздухозаборники которых имеют вертикальные клинья сжатия и развернуты в противоположные стороны в плоскости, параллельной аэродинамической поверхности, заключается в том, что для управления тягой двигательные модули, в отличие от известного ЛА, выполнены подвижными, причем с поворотом относительно друг друга каждого из модулей в плоскостях, близких к аэродинамической поверхности и обеспечивающих изменение угла атаки местного потока, обтекающего несимметричные воздухозаборники. При этом, например, для увеличения тяги двигательные модули раздвигают с поворотом относительно друг друга. Указанное устройство могут иметь ЛА не обязательно с мотогондолой из двух модулей, как у известного гиперзвукового ЛА, расположенными под крылом. Мотогондолы с парными подвижными двигательными модулями могут иметь различное расположение в системе ЛА под или над аэродинамической поверхностью.

Способ управления перемещением подвижных двигательных модулей, и стало быть их тягой, заключается в следующем.

Во-первых, парные модули, подвижные, но имеющие фиксированную геометрию двигательного тракта, перемещают одновременно с поворотом в противоположные стороны на один и тот же угол. При этом будет изменяться величина и направление тяги каждого из модулей, но величина результирующей тяги парных модулей будет изменяться без изменения ее направления.

Во-вторых, эти модули перемещают согласованно, но с поворотом на различные углы. При этом будет изменяться как величина результирующей тяги парных модулей, так и ее направление.

Кроме того, предлагаемое устройство ЛА обеспечивает реализацию заявляемого способа управления его тягой с дополнительными возможностями, обеспечиваемыми тем, что при раздвижении модулей одновременно изменяют геометрию двигательного тракта каждого из модулей известным образом, например, изменяют геометрию сопла с помощью подвижной стенки (створки), так, чтобы площадь его выходного сечения возрастала. Это обеспечивает дополнительный эффект увеличения тяги.

Таким образом, отличительной особенностью предлагаемого устройства и связанного с ним способа управления тягой летательных аппаратов, например, при больших сверхзвуковых скоростях, является то, что двигательные модули выполнены подвижными, причем с поворотом относительно друг друга каждого из модулей в плоскостях, обеспечивающих изменение угла атаки воздухозаборника и соответственно изменения расхода и тяги каждого из подвижных двигательных модулей.

Указанные признаки, отличающие заявляемое техническое решение от известных, не выявлены в других технических решениях при изучении данной области техники и, следовательно, являются новыми и имеют изобретательский уровень.

На фиг. 1-6 показано предлагаемое устройство, например, гиперзвукового ЛА, снабженного установленной под крылом мотогондолой с двумя подвижными модулями ГПВРД, несимметричные плоские воздухозаборники которых имеют вертикальные клинья сжатия и развернуты в противоположные стороны относительно плоскости симметрии аппарата. На фиг.1 и 2 даны виды аппарата сбоку и снизу. На фиг.2 пунктирными линиями показаны контуры 1 I и 2 двигательных трактов и плоскость раздела 3 двигательных модулей, совпадающая с плоскостью симметрии. На фиг. 3 и 4 показана схема устройства аппарата, когда при изменении положения каждого из модулей сопло двигателя имеет фиксированную геометрию с постоянной площадью выходного сечения. На фиг.3 изображен вид на мотогондолу снизу, сплошной линией показано исходное положение 4 модулей и штриховой линией с двумя пунктирами положение 5 при повороте на угол . На фиг.4 изображен вид аппарата сзади, на котором заштрихованы выходные площади 6 сопл для повернутого положения модулей. На фиг.5 и 6 показана схема устройства аппарата, когда при изменении положения отдельного модуля одновременно изменяют площадь выходного сечения сопла, например, с помощью подвижной стенки (створки). На фиг. 5 дан вид на мотогондолу снизу и на фиг.6 вид аппарата сзади. Контуры положения модулей, исходного 4 и измененного 5, а также выходной площади 6 сопл показаны так же, как и на фиг.3 и 4.

Устройство работает следующим образом.

Например, для гиперзвукового ЛА с ГПВРД, показанного на фиг.1-6, двигательные модули поворачиваются относительно друг друга, раздвигаясь в плоскости, параллельной нижней поверхности крыла, причем осью поворота каждого из модулей является общая передняя кромка клиньев сжатия. Поворот модуля приводит к изменению расхода воздуха, захватываемого воздухозаборником. Этот расход определяется изменением поперечного размера H_b'>H_b, как показано для одного из двигательных модулей на фиг.3.

Для устройства аппарата, когда при изменении положения каждого из модулей сопло двигателя имеет фиксированную геометрию, площадь выходного сечения сопла при повороте модулей не изменяется. На фиг.3 для сопла одного из двигательных модулей показан его неизменяемый поперечный размер H_c'=H_c и на фиг. 4 площади выходных сечений сопел в повернутом положении двигательных модулей. Таким образом, в данном случае поворот модулей приводит к изменению тяги каждого модуля, главным образом, за счет изменения расхода воздуха.

Для устройства аппарата, когда при изменении положения отдельного модуля одновременно изменяют площадь выходного сечения сопла, например, с помощью подвижной стенки (створки), поворот модуля приводит как к изменению расхода воздуха, захватываемого воздухозаборником, так и к изменению степени расширения реактивной струи. На фиг.5 показано изменение поперечного размера одного из сопл H_c'>H_c, а на фиг.6 показана увеличенная площадь 6 выходных сечений сопл для повернутого положения двигательных модулей. То есть, здесь изменение тяги модуля будет происходить как за счет изменения расхода воздуха, так и за счет изменения эффективной площади расширения реактивной струи, то есть будет более значительным.

Возможность осуществления предлагаемого устройства высокоскоростного ЛА с управлением тягой ВРД указанным образом следует из физических особенностей обтекания несимметричных воздухозаборников при больших сверх- и гиперзвуковых скоростях, при которых и наиболее эффективно использование предлагаемого технического новшества. Кроме того, эффективность подтверждается, в частности, известными результатами расчетных оценок изменения в зависимости от угла атаки тяги плоского ГПВРД с несимметричным воздухозаборником внешнего сжатия, а также тяги ГЛА с несимметричным трактом ГПВРД, конструктивно неподвижно объединенным с планером в компоновке под несущим корпусом или крылом и имеющим плоский воздухозаборник с горизонтальным клином внешнего сжатия. Как показывают расчетные оценки, для получения изменения тяги на десятки процентов достаточно изменить угол атаки двигателя или ЛА на величину до 5-7 градусов.

Формула изобретения

1. Высокоскоростной летательный аппарат, содержащий воздушно-реактивную силовую установку с парными двигательными модулями, несимметричные участки внешнего сжатия воздухозаборников которых развернуты в противоположные стороны, отличающийся тем, что модули выполнены подвижными и с возможностью парного поворота относительно друг друга в плоскостях, соответствующих плоскостям изменения местных углов атаки воздухозаборников.

2. Способ управления тягой высокоскоростного летательного аппарата с воздушно-реактивной силовой установкой, включающий изменение расхода воздуха через газовоздушный тракт, отличающийся тем, что изменение расхода воздуха производят путем взаимного перемещения и поворота парных двигательных модулей относительно друг друга в плоскостях, соответствующих плоскостям изменения местных углов атаки воздухозаборников.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что парные двигательные модули перемещают одновременно с поворотом в противоположные стороны на один и тот же угол.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что парные двигательные модули перемещают согласованно с поворотом на различные углы.

5. Способ по пп.2 4, отличающийся тем, что согласованно с изменением положении модулей изменяют геометрию сопла, в том числе площадь его выходного сечения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6