УСТРОЙСТВО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ОБДУВА РУЛЕВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2000 года по МПК F02K1/38 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к средствам повышения эффективности рулевой поверхности летательного аппарата (ЛА)
Уровень техники заключается в следующем. Известны самолеты (см. А.Н. Глаголев, М.Я. Гольдинов и др. Конструкция самолетов. - М.: Машиностроение, 1975, с.16, рис. 15), например "Ан-22", у которого рули высоты и направления находятся в зоне обдува спутной струей от винтов газотурбинных двигателей. Такое техническое решение обеспечивает несущественное повышение эффективности рулевых поверхностей, и кроме того эффективность рулевых поверхностей горизонтального оперения снижается за счет скоса воздушного потока от крыла.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению являются применяемые на ЛА газовые рули, находящиеся в реактивной струе ракетных двигателей (см. В.Н.Новиков, Б.М.Авхимович и др. Основы устройств и конструкции ЛА. - М.: Машиностроение, 1991 г., рис. 2.21, с. 60). В конструкцию газовых рулей входят рулевые поверхности, расположенные симметрично продольной оси ЛА, оси вращения, закрепленные неподвижно на кронштейнах, которые жестко связаны с конструкцией ЛА, и система их управления. Конструкция газовых рулей имеет большую относительную массу и небольшой ресурс эксплуатации.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности системы управления ЛА, в частности рулевых поверхностей.

Технический результат, который может быть получен, заключается в использовании обдува рулевых поверхностей от удлинительной трубы двигателя, которая является каналом для подвода выхлопных газов к рулевой поверхности.

Ограничительные признаки: корпус ЛА, шасси, двигатель, выхлопной тракт двигателя, рулевые поверхности Л.А.

Отличительные признаки: удлинительная труба двигателя служит каналом подвода выхлопных газов к рулевой поверхности, профилированная насадка, подвод холодного воздуха к удлинительной трубе.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявленного изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что удлинительная труба служит каналом подвода выхлопных газов к рулевой поверхности, что существенно повышает эффективность рулевой поверхности.

На фиг. 1 показана компоновка предлагаемого технического решения на летательном аппарате (самолет вертикального взлета и посадки - СВВП).

На фиг. 2 приведено предлагаемое устройство при виде сбоку.

На фиг. 3 изображено предлагаемое устройство при виде сверху.

Устройство включает в себя канал воздухозаборника двигателя 1, двигатель 2 (газотурбинный или внутреннего сгорания), канал выхлопных газов двигателя 3, канал отбора воздуха от компрессора двигателя 4 (если газотурбинный двигатель), воздухозаборник 5 (дополнительный), ось вращения рулевой поверхности 6 (в нашем случае - руля высоты), руль высоты 7, профилированную насадку 8 обдува рулевой поверхности и конструктивные элементы системы управления рулевой поверхности 9.

Предлагаемое устройство работает как на взлетном режиме самолета (V_∞= 0), так и при крейсерском режиме полета.

Рассмотрим работу данного устройства на примере самолета вертикального взлета и посадки (см. фиг. 1-3).

При вертикальном взлете СВВП данное устройство обеспечивает продольную устойчивость и управляемость самолета, исключая при этом применение струйных (реактивных) рулей.

Работа устройства происходит следующим образом.

Канал воздухозаборника 1 обеспечивает работу двигателя (ГТД) 2, выхлопные газы которого поступают в канал (тракт) 3 и в этот же канал подается (только на режиме взлета) воздух от компрессора двигателя по каналу 4. После перемешивания холодного (по каналу 4) и горячего (по каналу 3), компонентов воздушная смесь поступает в профилированную насадку 8, через которую происходит дополнительный обдув рулевой поверхности 7 (руля высоты). При вращении руля высоты относительно оси 6 обеспечивается создание управляющего момента, который стабилизирует продольное положение самолета относительно его центра тяжести.

После взлета и разгона самолета до скорости полета, обеспечивающей его горизонтальный полет, канал 4 перекрывается и холодный воздух поступает в канал обдува через дополнительный воздухозаборник 5.

Следует отметить, что дополнительный воздухозаборник 5 в предлагаемом устройстве может не применяться при условии, что отбор воздуха в полете от компрессора двигателя приводит к нецелесообразной потере мощности силовой установки (двигателя) или применяемый конструкционный материал рулевой поверхности позволяет производить кратковременный обдув без холодной компоненты воздуха.

Известно, что конструкции из алюминиевых сплавов допускают кратковременные температурные нагрузки до 150^oC. Следовательно, обдув рулевой поверхности должен быть обеспечен потоком с температурой T<150^oC, чтобы не применять в конструкции стальные жаропрочные материалы, у которых удельный вес почти в три раза больше, чем у алюминиевых сплавов.

Поэтому, допуская площадь рулевой поверхности S_р.п одинаковой без и при применении системы обдува, будет обеспечиваться эффект от применения предлагаемого газодинамического обдува за счет того, что удлинительная труба выхлопных газов двигателя служит каналом подвода выхлопных газов к рулевой поверхности. Кроме того, предлагаемое устройство, благодаря принудительному обдуву рулевой поверхности, обеспечивает создание подъемной силы и, как следствие, управляющего момента относительно центра тяжести самолета и в случае, когда скорость набегающего потока V_∞= 0.
Установим взаимосвязь между параметрами горячего и холодного воздуха и составляющей подъемной силы У_осн, обусловленной скоростным напором, и ΔУ, возникающей за счет газодинамического обдува. Параметры холодного воздуха:
p₁, ρ₁, T₁, С_р1, m₁. (1)
Параметры горячего (выхлопных газов двигателя) воздуха:
p₂, ρ₂, T₂, C_p=С_р2, m₂. (2)
Параметры смеси:
p, ρ, T, C_p=С_р1=С_р2, m₃. (3)
Исходное уравнение теплового баланса будет иметь вид:
С_р1m₁(T-T₁)-С_р2m₂(T₂-T)= С_р3m₃T (4)
В (1) - (4) приняты следующие обозначения:
p₁, p₂ - давление холодного и горячего воздуха соответственно;
ρ₁,ρ₂ - плотность холодного и горячего воздуха соответственно;
T₁, T₂, T - температура воздуха в канале подвода холодного и горячего воздуха и их смеси соответственно;
С_р1, С_р2, C_p - удельная теплоемкость холодного и горячего воздуха и их смеси соответственно;
m₁, m₂, m₃ - секундный расход воздуха через каналы холодного, горячего воздуха и их смеси в профилированной насадке.

Допуская, что C_p= С_р1=С_р2 (5)
получим:

Поскольку T>T₁, T₂>Т, то выражение (6) всегда положительно, тогда
m₂>m₁. (7)
Следовательно, масса холодного воздуха, поступающего через воздухозаборник, будет больше массы выхлопных газов двигательной установки.

Выражение (6) при известном Т, T₁, T₃ и скорости полета V_л.а, позволяет получить потребную площадь воздухозаборника поперечного сечения S_возд воздухозаборника для рассматриваемого устройства газодинамического обдува из известного выражения:
m₂= ρ VS_возд, (8)
где ρ - плотность воздушного потока;
V - скорость воздушного потока;
S_возд = S - площадь поперечного сечения воздушного потока.

Произведем оценку значений увеличения подъемной силы на рулевой поверхности за счет применения системы газодинамического обдува.

Подъемная сила, возникающая на рулевой поверхности У, будет складываться из составляющей У_осн, обусловленной скоростным напором, и составляющей ΔУ, возникающей за счет газодинамического обдува:
У=У_осн+ Δ У (9)
или
C_y=C_yосн+ Δ C, (10)
где C_yосн - коэффициент подъемной силы рулевой поверхности при скорости набегающего потока V_∞;
ΔC_у - приращение коэффициента подъемной силы рулевой поверхности за счет обдува струей от системы газодинамического обдува. Тогда, используя (9) и (10) и зависимость для подъемной силы, получим:

Умножая вторую составляющую в выражении (II) на

получим

Из выражений (10), (12) и (13) следует, что:

В формулах (11)-(14), через V, V_c, S и S_o соответственно обозначены:
V_c - скорость обдува рулевой поверхности из системы газодинамического обдува;
V = V_∞+V_c - суммарная скорость обдува рулевой поверхности;
S = S_р.п - площадь рулевой поверхности;
S_o - площадь рулевой поверхности, обслуживаемая струйным обдувом из системы газодинамического обдува.

Полученные зависимости (6) и (14) позволяют, в итоге, оценивать потребные величины секундного расхода горячего воздуха, площадь воздухозаборника S_возд, а также коэффициент подъемной силы C_y (см. (14)), при известных S_o, S, V_c и V_∞.
В качестве примера определим, каково должно быть соотношение между m₁ и m₂ при применении на ЛА газотурбинного двигателя типа ГТД-350, у которого T₂= 800 K. Приняв T₁=300 K и T = 330 К, получим (см. (6)) следующее соотношение для секундных расходов воздуха:

В формуле (14) S, V_∞ для данного типа ЛА - известны, a S_o и V_c можно определить по приближенным зависимостям, а затем уточнить по результатам эксперимента.

Формула (14) применима при V_∞≠ 0, т.е. для оценки C_y и соответственно Y при полете ЛА, а при V_∞= 0 (например, при старте СВВП), подъемная сила рулевой поверхности обуславливается только приращением ΔУ счет струйного обдува от устройства газодинамического обдува.

Устройство предназначено для газодинамического обдува рулевой поверхности летательного аппарата. В устройстве газодинамического обдува рулевой поверхности летательного аппарата, содержащем двигатель, канал воздухозаборника, канал выхлопных газов двигателя, рулевую поверхность, удлинительная труба двигателя служит каналом подвода выхлопных газов к рулевой поверхности. Перед последней этот канал выполнен в виде профилированной насадки, при этом к удлинительной трубе организован подвод воздуха с более низкой температурой, чем выхлопные газы двигателя. Устройство работает как на взлетном режиме самолета, так и при крейсерском режиме полета. Такое выполнение устройства позволит повысить его эффективность за счет дополнительного обдува рулевой поверхности, что обусловливает создание подъемной силы, а следовательно, управляющего момента. Кроме того, за счет объединения удлинительной трубы двигателя и канала подвода выхлопных газов к рулевой поверхности достигается снижение веса (массы) рулевой поверхности. 3 ил.

Устройство газодинамического обдува рулевой поверхности летательного аппарата, содержащее двигатель, канал воздухозаборника, канал выхлопных газов двигателя, рулевую поверхность, отличающееся тем, что удлинительная труба двигателя служит каналом подвода выхлопных газов к рулевой поверхности, перед которой этот канал выполнен в виде профилированной насадки, при этом к удлинительной трубе организован подвод воздуха с более низкой температурой, чем выхлопные газы двигателя.