СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЯГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЯГИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК F02K9/08 F02K9/80 

Изобретения относятся к ракетно-космической и авиационной технике, а именно к разработке способа получения тяги реактивной двигательной установки (РДУ) и устройству РДУ для получения тяги летательного аппарата (ЛА).

Могут быть использованы при создании ЛА различного назначения: многоразовых транспортно-космических систем (МТКС), ракет-носителей (РН), гиперзвуковых ЛА с горизонтальным взлетом и посадкой и т.д.

Известен способ получения тяги РДУ ЛА, включающий воздействие истекающей недорасширенной струей РДУ с большой степенью расширения (P_a/P_н > 1, где P_a давление на срезе сопла, P_н давление окружающей среды) на ее элементы конструкции, например, выдвигающийся сопловой насадок (Космонавтика. Энциклопедия, под ред. В. П. Глушко. М. Советская энциклопедия, 1985 г. с. 368) (1).

Известно также устройство для получения тяги, содержащее реактивный двигатель (РД), сопловой блок которого снабжен профилированной периферийно расположенной вокруг сопла обечайкой (1).

Известный способ и устройство для получения тяги обеспечивает увеличение тяги РДУ ЛА только на больших высотах за счет воздействия истекающей недорасширенной струей с большой степенью расширения струи на выдвигающуюся обечайку.

Недостаток известных технических решений существенные потери эффективной тяги на разгонном участке траектории при истечении струи ЛА в перерасширенном и расчетном режимах (P_a/P_н<1). К тому же, конструкция выдвижного насадка требует увеличения массы РДУ и приводит к уменьшению конечной скорости ЛА.

Наиболее близкими техническими решениями к предлагаемым и принятыми авторами за прототипы являются:
способ создания тяги, заключающейся в выработке продуктов сгорания высокого давления и температуры, разгоне их до скорости, соответствующей сверхкритическому перепаду давления с последующим истечением струи в окружающую среду, и вдуве газа в периферийную часть перерасширенной или расчетной струи (пат. США, кл. 60--233, N 3304722, 1967 г.) (2);
устройство для получения тяги, содержащее реактивный двигатель, сопловой блок которого снабжен профилированной обечайкой с системой подачи газа в направлении оси двигателя (2).

Недостатком этого способа и устройства являются существенные потери эффективной тяги при истечении струи РДУ в перерасширенном и расчетном режимах при полете ЛА на разгонном участке траектории в диапазоне скоростей от момент старта до достижения сверхзвуковых скоростей полета.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства РДУ за счет получения тяги при полете ЛА на разгонном участке траектории полета.

Техническим результатом разработанного способа получения тяги и устройства для получения тяги (его варианты) является уменьшение потерь эффективной тяги РДУ при истечении струй РД в перерасширенном и расчетном режимах.

Техническим результатом изобретения является также уменьшение возмущающих моментов, действующих на РДУ на разгонном участке траектории за счет исключения кабрирующего газодинамического момента M_z от силы Y относительно центра тяжести ЛА, обусловленного разрежением на профилированной обечайке, и тем самым снижение нагрузок на систему управления.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения тяги, заключающемся в выработке продуктов сгорания высокого давления и температуры, разгоне их до скорости, соответствующей сверхкритическому перепаду с последующим истечением струи в окружающую среду, и вдуве газа в периферийную часть перерасширенной или расчетной струи, согласно изобретению одновременно с вдувом газа осуществляют экранирование эжектирующего участка струи, а вдув осуществляют массой, не менее присоединенной массы экранированного участка струи.

Поставленная цель достигается тем, предложенное устройство для получения тяги (вариант 1), содержащее реактивный двигатель, сопловой блок которого снабжен профилированной обечайкой с системой подачи газа в направлении оси двигателя, согласно изобретению снабжено боковым экраном, скрепленным с обечайкой, и шарнирно закрепленным на периферии обечайки донным экраном с образованием между ним, обечайкой и боковым экраном ресивера.

Поставленная цель достигается также тем, что предложенное устройстве для получения тяги (вариант 2), содержащее реактивный двигатель, сопловой блок которого снабжен профилированной обечайкой с системой подачи газа в направлении оси двигателя, согласно изобретению снабжено расположенными в районе выходного среза обечайки дополнительными реактивными двигателями с образованием между ними и обечайкой ресивера.

На фиг. 1 представлен общий вид одного из возможных вариантов устройства (МТКС) и выделен элемент РДУ, здесь же приведена типичная схема действующих на обечайку сил при работе РД в перерасширенном и расчетном режимах истечения струй; на фиг. 2 основные элементы РДУ МТКС (вариант 1); на фиг. 3 - основные элементы РДУ МТКС (вариант 2); на фиг. 4 зависимости давления, действующего на обечайку РДУ МТКС, от числа Маха полета МТКС и потери эффективной тяги; на фиг. 5 зависимость относительной массы вдуваемого газа по числам М для уменьшения потери тяги РДУ МТКС; на фиг. 6 применение изобретения для РН с односопловой РДУ (вариант 1); на фиг. 7 то же (вариант 2).

РДУ ЛА (фиг. 2, 3, 6) содержит РД 1 и профилированную периферийно расположенную по отношению к соплам двигателя обечайку 2.

В варианте 1 (фиг. 2, 6) РДУ дополнительно снабжена боковым 3 и шарнирно закрепленным с обечайкой донным экраном 4, выполненным по форме в виде профилированного щитка. При этом донный экран смонтирован по периферии обечайки, образуя замкнутый объем между струями двигателя и обращенными к ним элементами конструкции с возможностью образования с ней ресивера 5. В ресивер обеспечивают подачу газа посредством системы 6.

В варианте 2 (фиг. 3, 7) РДУ снабжена дополнительным РД 7 с соплами, расположенными под углом к оси основного РД, также, как в варианте 1, с возможностью образования с обечайкой, струями основного и дополнительного двигателей ресивера 5 и системой 6 подачи газа в этот ресивер, при этом сопла дополнительного двигателя смонтированы по периметру обечайки.

Предлагаемый способ увеличения эффективной тяги ЛА реализуется следующим образом на примере работы РДУ МТКС.

При полете МТКС на разгонном участке траектории происходит истечение струй ДУ в перерасширенном (P_a/P_н<1) и расчетном (P_a/P_н режимах, на маршевом участке в недорасширенном (P_a/P_н>1) режиме.

Для прототипа при истечении струй в перерасширенном и расчетном режимах струи РД эжектируют окружающую атмосферу и создают на элементах конструкции отрицательное избыточное давление (по отношению к атмосферному), приводящее к потере эффективной тяги на участке полета, соответствующем этому режиму истечения струи. Причем отрицательное избыточное давление тем больше, чем больше степень нерасчетности струи РД.

Для одной из траекторий МТКС на фиг. 4 приведены зависимость изменения среднеинтегрального относительного давления P_д/P_н, действующего на обечайку, от числа М полета и соответствующие этой зависимости потери эффективной тяги Видно, что давление на обечайке уменьшается на разгонном участке траектории, что приводит к существенной потере эффективной тяги (здесь X_д/P, X_д потери эффективной тяги за счет аэродинамического сопротивления обечайки, P суммарная тяга РД).

На этой же фиг. приведена физическая картина образования присоединенной массы, приводящей к возникновению отрицательного избыточного давления и, следовательно, к потере эффективной тяги РДУ. Здесь 1 струя ДУ, 2 - обечайка, 3 сдвиговый пограничный слой струи, интегрирование распределения параметров по которому приводит к получению присоединенной массы, 4 - сдвиговый пограничный слой внешнего потока, также инициирующий донное разрежение, 5 вихревое течение, приводящее к эжекции газа из донной области.

При истечении струи в недорасширенном режиме истекающая струя непосредственно воздействует на конструкцию и частично компенсирует потери тяги на начальном участке движения.

Для достижения поставленной цели согласно изобретению наряду с воздействием недорасширенными струями на элементы конструкции производят экранирование струй ДУ. Экранирование осуществляют посредством бокового экрана 4 и донного экрана 5 (вариант 1, фиг. 2) либо посредством создания "жидкой" стенки струями дополнительного РД 7 (вариант 2, фиг. 3). Причем полное давление по длине струи этого РД до встречи со струями основного РД должно превышать давление в полости ресивера 5.

Одновременно с экранированием производят вдув газа в ресивер 5. При этом массу вдуваемого газа можно определить, например, путем сравнения массы газа, истекающей через сопло основного РД и массы газа, проходящего через поперечное сечение струи в месте встречи с донным экраном 4 (вариант 1), либо дополнительного РД 7 (вариант 2), полученной экспериментально путем измерения профилей скоростей, температур и давлений. Причем экранирование и вдув газа производят на участке полета, соответствующем P_a/P_н<1.

В результате вдува массы газа, величина которой составляет не менее присоединенной массы струи основного РД, происходит увеличение давления на поверхности обечайки и, следовательно, увеличение эффективной тяги за счет уменьшения или обнуления составляющей продольной донной силы X (фиг. 1).

На фиг. 5 приведена расчетная зависимость относительно массы вдуваемого газа от числа М, каждое значение которой соответствует фиксированному параметру нерасчетности струи P_a/P_н (здесь =G_г/G, G_г масса горючего, G_г масса горючего (керосина), необходимая для образования продуктов сгорания керосин + воздух, обеспечивающих необходимый вдув газа в ресивер, G масса топлива РД).

На этой же фиг. приведена расчетная полоса ожидаемых величин донного давления P_д/P_н на донном экране 4 и соответствующая ей полоса потерь эффективной тяги X.

Из графиков фиг. 4 и 5 следует, что установка бокового экрана 3 и донного экрана 4 приводит к значительному повышению давления. При этом потери эффективной тяги уменьшаются более чем в два раза.

Для варианта 2 потери эффективной тяги за счет разрежения на донном экране 4 исключаются, поскольку донный экран заменен струей дополнительного РД 7.

При движении МТКС на маршевом участке траектории, на котором происходит истечение струи в недорасширенном режиме, боковой экран 3 и донный экран 4 (вариант 1) сбрасывают либо разворачивают вокруг оси крепления для создания дополнительной тяги, а дополнительный РД 7 (вариант 2) отключают либо также разворачивают для создания дополнительной тяги.

Изобретения могут быть использованы также при создании РДУ для РН. В этом случае функции бокового экрана в МТКС выполняет концентрически расположенная вокруг РД профилированная обечайка.

Аналогично изобретению могут быть использованы при создании РДУ для РН с многосопловыми компонентами.

Использование: в ракетно-космической и авиационной технике, а именно для разработки способа получения тяги реактивной двигательной установки и устройства для получения тяги. Сущность изобретения: в способе получения тяги, заключающемся в выработке продуктов сгорания высокого давления и температуры, разгоне их до скорости, соответствующей сверхкритическому перепаду давления с последующим истечением струи в окружающую среду, и вдуве газа в периферийную часть перерасширенной или расчетной струи, одновременно с вдувом газа осуществляют экранирование эжектирующего участка струи, а вдув осуществляют массой, не менее присоединенной массы экранированного участка струи. Устройство для получения тяги выполнено в виде ракетного двигателя 1, сопловой блок которого снабжен профилированной обечайкой 2 с системой подачи газа 6 в направлении оси двигателя, снабженной боковым экраном 3 и шарнирно закрепленным на ней донным экраном 4 с образованием между ними, обечайкой 2 и боковым экраном 3 ресивера 5. 3 с.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ получения тяги, заключающийся в выработке продуктов сгорания высокого давления и температуры, разгоне их до скорости, соответствующей сверхкритическому перепаду давления с последующим истечением струи в окружающую среду, и вдуве газа в периферийную часть перерасширенной или расчетной струи, отличающийся тем, что в нем одновременно с вдувом газа осуществляют экранирование эжектирующего участка струи, а вдув осуществляют массой не менее присоединенной массы экранированного участка струи. 2. Устройство для получения тяги, содержащее реактивный двигатель, сопловой блок которого снабжен профилированной обечайкой с системой подачи газа в направлении оси двигателя, отличающееся тем, что устройство снабжено боковым экраном, скрепленным с обечайкой, и шарнирно закрепленным на периферии обечайки донным экраном с образованием между ним, обечайкой и боковым экраном ресивера. 3. Устройство для получения тяги, содержащее реактивный двигатель, сопловой блок которого снабжен профилированной обечайкой с системой подачи газа в направлении оси двигателя, отличающееся тем, что устройство снабжено расположенными в районе выходного среза обечайки дополнительными реактивными двигателями с образованием между ними и обечайкой ресивера.