СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ВЕРТИКАЛЬНОГО ИЛИ УКОРОЧЕННОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ Российский патент 1999 года по МПК F02K1/00 

Изобретение относится к авиационно-ракетной технике, в частности к летательным аппаратам (ДА) вертикального или укороченного взлета и посадки и устройствам для управления вектором тяги ЛА.

Проблема увеличения управляющего усилия и снижения потерь тяги является одной из важных задач при проектировании силовых установок ЛА.

Известны силовые установки ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки, связанные с поворотом двигателя, сопла или его части (См. В.В.Володин, Н. К.Лисейцев, В.З.Максимович "Особенности проектирования реактивных самолетов вертикального взлета и посадки", М., Машиностроение, 1985).

Недостатками этих устройств являются: 1) управляющие усилия создаются за счет соответствующего уменьшения тягового усилия вдоль направления полета ЛА; 2) необходимость в сложных механизмах поворота и большие энергетические затраты для его осуществления; 3) при поворотах двигателя или сопла на взлетно-посадочных режимах ЛА выходное сечение сопла может оказаться близко к поверхности земли, что может ухудшить тяговые характеристики двигателя и аэродинамические характеристики ЛА.

Наиболее близким из известных технических решений является силовая установка ЛА вертикального взлета и посадки, включающая независимые маршевый и подъемный двигатели (см. там же, стр. 114, рис. 6.2).

Недостатком этого технического решения является то, что не используется кинетическая энергия струй, истекающих из маршевого и подъемного двигателей.

Задачей изобретения является увеличение управляющих и тяговых усилий силовой установки ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки, содержащей маршевый и подъемный двигатели.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение управляющих усилий и тяги силовой установки ЛА за счет использования кинетической энергии струй, истекающих из маршевого и подъемного двигателей.

Указанный технический результат достигается тем, что в силовой установке ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки, содержащей маршевый двигатель для полета на крейсерном режиме и подъемный двигатель для взлета и посадки и управления вектором тяги в ходе полета, маршевый и подъемный двигатели выполнены в едином блоке, в котором подъемный двигатель расположен за маршевым двигателем по ходу полета, сверхзвуковое сопло маршевого двигателя выполнено с несимметричным, например со ступенчатым, срезом выходного сечения и на его несимметричной части расположены сопла подъемного двигателя с поперечным выдувом струй в набегающий поток из симметричной части сопла маршевого двигателя.

При исследовании по патентной и научно-технической литературе не обнаружены решения с признаками, сходными с отличительными признаками заявленного устройства.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемой силовой установки ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки.

На фиг. 2 представлены основные варианты несимметричных выходных сечений сопла маршевого двигателя.

Отметим, что на ЛА может располагаться одна или несколько предложенных силовых установок, которые могут действовать комбинированно или независимо друг от друга. Работу устройства рассмотрим на примере единичной силовой установки.

Силовая установка А (фиг. 1) содержит маршевый двигатель (1) с камерой сгорания (2), симметричным (3) и несимметричным (4) участками сверхзвукового сопла маршевого двигателя, подъемный двигатель (5) с соплами (6) поперечного выдува струй в набегающий поток из маршевого сопла.

Несимметричная часть сопла может быть выполнена со ступенчатым срезом (фиг. 2а), с косым срезом (фиг. 2б) или с комбинацией косого и ступенчатого срезов (фиг. 2в и фиг. 2г). Косой срез (фиг. 2б) характеризуется углом Ψ, который может изменяться в диапазоне 0 < Ψ, < 90^o (угол Ψ = 90^o соответствует симметричному соплу). Ступенчатый срез (фиг. 2а) характеризуется длиной L и высотой H ступеньки.

Действие предлагаемого устройства заключается в следующем. В маршевом двигателе (1) газ из камеры сгорания (2) ускоряется на симметричном участке (3) сверхзвукового сопла и вытекает на симметричный участок (4). Из подъемного двигателя (5) через сопла (6) вытекают струи в поперечном направлении по отношению к струе, вытекающей из маршевого двигателя. Перед струями подъемного двигателя как перед препятствием образуются скачки уплотнения и зона с повышенным статическим давлением на стенке несимметричного участка сопла маршевого двигателя, которая и определяет величину управляющего усилия P_y. Таким образом, кинетическая энергия струй подъемного двигателя используется для торможения струи маршевого двигателя и преобразования ее кинетической энергии в потенциальную энергию сжатого газа.

Отметим, что направление силы тяги подъемного двигателя P_п совпадает с направлением силы давления на стенке сопла P_y, т.е. происходит усиление управляющей нагрузки, которое характеризуется коэффициентом усиления K=R_y/P_п. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз управляющее усилие, возникшее из-за зоны повышенного давления, больше тяги подъемного двигателя. Положительный эффект взаимодействия струй подъемного и маршевого двигателя будет наблюдаться практически при любом наборе определяющих параметров, а при оптимальном - коэффициент усиления может дойти до величины К=2.5 (см. Краснов Н. Ф. , Кошевой В.Н. "Управление и стабилизация в аэродинамике", М, Высшая школа, 1978). Из-за повышенного давления на стенке несимметричного участка сопла увеличивается и значение осевой составляющей тяги P маршевого двигателя.

Подъемный двигатель может снабжаться газом путем отбора его из камеры сгорания или аэродинамического тракта маршевого двигателя или с помощью независимой системы питания.

Работа устройства заключается в том, чтобы с помощью струй подъемного двигателя с возможно меньшими потерями полного давления из несимметричной части затормозить сверхзвуковой поток из симметричной части сопла маршевого двигателя. Этим фактором определяется выбор определяющих параметров устройства, таких как число и расположение сопел подъемного двигателя на несимметричном участке сопла, отношение массовых расходов газа через маршевый и подъемный двигатели, что в свою очередь пропорционально отношению тяговых усилий маршевого и подъемного двигателей. Маршевый или (и) подъемный двигатели могут иметь форсажные камеры для работы на режимах взлета и посадки.

Угол наклона оси сопел подъемного двигателя по отношению к оси сопла маршевого двигателя составляет примерно 90^o. Располагать сопла подъемного двигателя следует таким образом, чтобы, во-первых, не разрушить течение в симметричной части сопла маршевого двигателя, во-вторых, увеличить площадь возмущений зоны с повышенным давлением на несимметричной части сопла. Из этих же соображений выбирается угол косого среза Ψ, высота H и длина L ступенчатого среза сопла.

Сопла подъемного двигателя могут быть выполнены в виде сходящихся насадков или сверхзвуковыми с числом M в соответствии с располагаемым перепадом давления. Форма сопел подъемного двигателя может быть произвольной, например круглой, и располагаться они могут, например, в два ряда в шахматном порядке нормально к оси сопла маршевого двигателя.

Если рассмотреть тягово-управляющие характеристики всей системы, включающей маршевый и подъемный двигатели, то можно констатировать следующее:
1) осевая тяга маршевого двигателя увеличивается по сравнению с вариантом без взаимодействия со струями подъемного двигателя;
2) в результате взаимодействия струй подъемного и маршевого двигателей появляется управляющая сила, направленная в ту же сторону, что и тяга подъемного двигателя, и превышающая величину этой тяги до 2.5 раз в зависимости от числа M сопла маршевого двигателя и соотношения расходов газа маршевого и подъемного двигателей.

Предложенное устройство в сравнении с аналогами имеет следующие преимущества:
1) увеличенные управляющие (подъемные) усилия на режимах взлета и посадки при сохранении величины горизонтальной тяги на крейсерском режиме;
2) простота реализации - нет подвижных элементов и проблем с уплотнениями для предотвращения утечек газа;
3) возможность непрерывного изменения вектора тяги путем перераспределения расходов газа между маршевым и подъемным двигателями;
4) быстрая реакция системы отклонения вектора тяги, что позволяет использовать ее не только на режимах взлета и посадки ЛА, но и в условиях полета;
5) малая скорость взаимодействия струй с землей на режимах взлета и посадки ЛА, что уменьшает эрозию взлетно-посадочной полосы.

Предлагаемое устройство может найти применение в ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки, в системах управления вектором тяги ЛА, в аппаратах на воздушной подушке, в ранцевых системах перемещения человека на земле и в космосе.

Изобретение предназначено для использования в авиационно-ракетной технике, в частности, относится к летательным аппаратам (ЛА) вертикального или укороченного взлета и посадки и устройствам для управления вектором тяги ЛА. Силовая установка летательного аппарата вертикального или укороченного взлета и посадки содержит маршевый двигатель для полета на крейсерском режиме и подъемный двигатель для взлета и посадки и управления вектором тяги в ходе полета в едином блоке, в котором подъемный двигатель расположен за маршевым двигателем по ходу полета, сверхзвуковое сопло маршевого двигателя выполнено с несимметричным, например со ступенчатым срезом выходного сечения и на его несимметричной части расположены сопла подъемного двигателя с поперечным выдувом струй в набегающий поток из симметричной части сопла маршевого двигателя. Действие предлагаемого устройства заключается в следующем. В маршевом двигателе газ из камеры сгорания ускоряется на симметричном участке сверхзвукового сопла и вытекает на несимметричный участок. Из подъемного двигателя через сопла вытекают струи в поперечном направлении по отношению к струе, вытекающей из маршевого двигателя. Перед струями подъемного двигателя как перед препятствием образуются скачки уплотнения и зона с повышенным статическим давлением на стенке несимметричного участка сопла маршевого двигателя. Направление силы тяги подъемного двигателя совпадает с направлением силы давления на стенке сопла, т.е. происходит усиление управляющей нагрузки в оптимальных вариантах до 2,5 раз. Устройство может найти применение в ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки, в системах управления вектором тяги ЛА, в аппаратах на воздушной подушке, в ранцевых системах перемещения человека на земле и в космосе. Изобретение позволяет увеличить управляющие усилия и тягу силовой установки за счет использования кинетической энергии струй, истекающих из маршевого и подъемного двигателей. 2 ил.

Силовая установка летательного аппарата вертикального или укороченного взлета и посадки, содержащая маршевый двигатель для полета на крейсерском режиме и подъемный двигатель для взлета и посадки и управления вектором тяги в ходе полета, отличающаяся тем, что маршевый и подъемный двигатели выполнены в едином блоке, в котором подъемный двигатель расположен за маршевым двигателем по ходу полета, сверхзвуковое сопло маршевого двигателя выполнено с несимметричным, например со ступенчатым, срезом выходного сечения и на его несимметричной части расположены сопла подъемного двигателя с поперечным выдувом струй в набегающий поток из симметричной части сопла маршевого двигателя.