ВОЗДУХОЗАБОРНИК С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ДЛЯ ПРЯМОТОЧНОГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ СО СВЕРХЗВУКОВЫМ ГОРЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК F02C7/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к воздухозаборникам с изменяемой геометрией для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) со сверхзвуковым горением, оснащенных одной или более секциями, предназначенными для создания тяги гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА).

Правительство США обладает оплаченной лицензией на настоящее изобретение и вправе требовать от патентовладельца в определенных обстоятельствах выдачи лицензии третьей стороне на разумных условиях, в соответствии с положениями Контракта №NAS1-97032 и Субконтракта №G1051-0004, которые были заключены с НАСА.

Уровень техники

Для обеспечения эксплуатационно-технических характеристик, ПВРД со сверхзвуковым горением (scram jet engine) обычно должен иметь в своем составе воздухозаборник с изменяемой геометрией (регулируемый воздухозаборник). В качестве общего направления конструирования таких узлов можно отметить оснащение воздухозаборников створками, положением которых можно управлять во время полета. В предшествующем уровне техники существует несколько подходов к процессу конструирования воздухозаборников с изменяемой геометрией и используются воздухозаборники с различными системами привода створок, хотя и не ограничиваются таковыми. Изменение положения створок может осуществляться при помощи системы привода, где приводное усилие передается через стойки воздухозаборника, расположенные в воздушном потоке - Фиг.1, через стойки воздухозаборника в виде боковых стенок - Фиг.2 и посредством механического привода с шарниром, как показано на Фиг.3.

Изменение положения створок посредством усилия, прилагаемого через стойки воздухозаборника, хотя и является эффективным решением с конструкторской точки зрения, поскольку усилия срабатывания распределяются по ширине створки, но чревато нежелательными возмущениями потока в воздухозаборнике и требует сложных уплотнений в местах, где имеет место внедрение стоек в панель корпуса. Изменение положения створок через стойки воздухозаборника, расположенные по боковой стенке, исключает недостатки системы привода створок через стойки воздухозаборника, расположенные в воздушном потоке, и не вызывает возмущения этого потока, обусловленного стойками, но опять-таки требует сложных уплотнений там, где элементы системы привода внедряются в проходящую конструкцию боковой стенки. В случае шарнирной подвески створок, уплотнений не требуется и не возникает препятствий проходящему воздушному потоку, но для расположения механических элементов такого привода требуется больший диаметр шарнира, и подобная система привода створок более сложна в механическом отношении.

Таким образом, требуется простое решение, позволяющее избежать наличия препятствий в виде стоек, имеющихся по ходу воздушного потока, которое дало бы возможность отказаться от сложных уплотнений.

Из предшествующего уровня техники известны также воздухозаборники из двух и более секций, предназначенные для решения различных задач. В частности, в патенте США 5116251 раскрыт воздухозаборник с изменяемой геометрией для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, содержащий две входные секции обтекателя и расположенные ниже по потоку секции с шарнирной подвеской. В этом патенте достигается возможность устойчивой работы двигателя на различных режимах работы, но за счет значительного усложнения конструкции воздухозаборника.

Сущность изобретения

Соответственно задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного воздухозаборника с изменяемой геометрией для ПВРД со сверхзвуковым горением.

Также задачей настоящего изобретения является создание вышеуказанного усовершенствованного воздухозаборника с изменяемой геометрией, в котором устранены препятствия на пути воздушного потока и необходимость сложных уплотнений.

Еще одной задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции вышеуказанного усовершенствованного воздухозаборника с изменяемой геометрией.

Вышеуказанные задачи достигаются при помощи воздухозаборника с изменяемой геометрией в соответствии с настоящим изобретением.

Согласно данному изобретению предлагается воздухозаборник с изменяемой геометрией для ПВРД со сверхзвуковым горением, включающий в себя по меньшей мере одну секцию камеры сгорания. Каждая из секций камеры сгорания имеет две боковые стенки с центральной частью определенной толщины и клиновидным профилем, расположенным впереди центральной части и имеющем на конце острую переднюю кромку. Каждая из секций камеры сгорания имеет нижнюю стенку и подвижную створку обтекателя или капота (далее - "перепускная створка"), расположенную впереди нижней стенки и имеющую переднюю кромку, причем передние кромки боковой стенки пересекают переднюю кромку перепускной створки. Воздухозаборник дополнительно содержит средство привода перепускной створки, причем по меньшей мере одна из боковых стенок имеет переднюю кромку, расположенную впереди передней кромки перепускной створки.

В другом предпочтительном варианте выполнения каждая боковая стенка имеет толщину, достаточную для размещения по крайней мере одного элемента привода перепускной створки, причем перепускная створка имеет заднюю кромку и расширяется от задней кромки к передней кромке в соответствии с профилем боковой стенки.

Согласно другому варианту данного изобретения предлагается воздухозаборник с изменяемой геометрией для прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым горением, включающий в себя группу секций камеры сгорания, образованных парой наружных боковых стенок и по меньшей мере одной внутренней боковой стенкой, причем каждая из наружных и внутренних боковых стенок имеет центральную часть определенной толщины и клиновидный профиль, расположенный впереди центральной части и имеющий на конце острую переднюю кромку.

В предпочтительном варианте выполнения каждая из секций камеры сгорания содержит нижнюю стенку и подвижную перепускную створку, имеющую переднюю кромку и расположенную впереди нижней стенки между двумя боковыми стенками, причем каждая из передних кромок двух указанных боковых стенок пересекает переднюю кромку перепускной створки. Каждая из наружных боковых стенок имеет переднюю кромку, расположенную впереди передней кромки каждой подвижной перепускной створки, причем каждая из перепускных створок имеет заднюю кромку и расширяющиеся кромки, расположенные от задней кромки до передней кромки и повторяющие клиновидную форму профиля смежной кромки одной из боковых стенок. Между каждой из расширяющихся кромок и указанной смежной кромкой одной из боковых стенок имеется постоянный зазор.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения секции камеры сгорания выполнены с одинаковой шириной с возможностью обеспечения равных величин регулируемого потока или секции камеры сгорания имеют одинаковую ширину захвата.

Перепускные створки установлены с возможностью вращения вокруг общей шарнирной оси и дополнительно содержат средства привода каждой из перепускных створок, каждое из которых содержит плечо кривошипа, прикрепленное к каждой створке, и группу средств привода каждого плеча кривошипа. Эти средства привода дополнительно содержат шарнирные оси, опоры и механические средства крепления шарнирных осей и опор к неподвижному элементу конструкции (двигателя). Механические средства крепления имеют по крайней мере одну опору.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения воздухозаборник дополнительно содержит стреловидное удлинение, расположенное на каждой передней кромке наружной боковой стенки с возможностью снижения местных утечек.

В другом предпочтительном варианте выполнения клиновидный профиль каждой наружной боковой стенки снабжен наружной поверхностью, содержащей первую часть стенки, расположенную в первой плоскости, и вторую часть стенки, расположенную относительно первой части с наклоном во внутреннем направлении, и внутренней поверхностью, содержащей третью часть стенки, расположенную в основном параллельно первой части стенки, и четвертую часть стенки, расположенную относительно третей части с наклоном в наружном направлении.

Более подробно воздухозаборник с изменяемой геометрией для ПВРД со сверхзвуковым горением, в соответствии с настоящим изобретением, а равно как и иные сопутствующие задачи и преимущества, раскрываются в нижеследующем описании и на прилагаемых чертежах, на которых одни и те же элементы конструкции обозначены одинаковыми ссылочными номерами.

Перечень фигур чертежей и иных материалов

На Фиг.1 представлен известный из уровня техники воздухозаборник с изменяемой геометрией, с системой передачи приводного усилия на перепускные створки по стойкам, расположенные в воздушном потоке.

На Фиг.2 представлен известный из уровня техники воздухозаборник с изменяемой геометрией, с системой передачи приводного усилия на перепускные створки по стойкам в виде боковых стенок.

На Фиг.3 представлен воздухозаборник с изменяемой геометрией, известный из уровня техники, с механической системой привода перепускных створок на шарнире.

На Фиг.4 представлен вид сбоку воздухозаборника с изменяемой геометрией, в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.5 представлен вид в разрезе воздухозаборника с изменяемой геометрией, в соответствии с настоящим изобретением, изображенного на Фиг.4.

На Фиг.6 представлен аксонометрический вид воздухозаборника с изменяемой геометрией, в соответствии с настоящим изобретением, изображенного на Фиг.4.

На Фиг.7 представлен отдельный вид системы привода перепускной створки.

На Фиг.8 представлен вид системы привода в разрезе, выполненном по оси шарнира перепускной створки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На Фиг.4-6 изображен воздухозаборник 10 с изменяемой геометрией для ПВРД со сверхзвуковым горением, сконструированный для создания одинакового и регулируемого потока 12 и 13 соответственно в каждой секции 14 камеры сгорания двигателя. Как следует из Фиг.5, каждая из секций 14 имеет одинаковую ширину 15 и нижнюю поверхность (стенку) 60. Впереди (относительно входа потока) каждой из нижних поверхностей 60 соответствующих секций 14 имеются подвижные перепускные створки 19, 20, или 21 (створки обтекателя).

У боковых стенок 16 между соседними секциями 14 имеется центральная часть 62 желаемой толщины и клиновидный профиль 61, расположенный впереди центральной части. На конце клиновидного профиля 62 имеется острая передняя кромка 17. На Фиг.5 и 6 показано, что кромки 17 пересекаются в точках 18 с передними кромками перепускных створок 19, 20 и 21 соответственно. Подобное расположение передних кромок 17 боковой стенки позволяет в принципе избежать взаимодействия потенциально опасных скачков уплотнения "четвертого типа" на передних кромках 17 боковых стенок. Это также обеспечивает конструктивное пространство 23 для расположения в нем элементов привода 24.

Воздухозаборник 10 с изменяемой геометрией также снабжен двумя наружными боковыми стенками 63. Каждая из боковых стенок 63 содержит центральную часть 64 определенной толщины и клиновидный профиль 65, расположенный впереди центральной части. У каждого клиновидного профиля 65 имеется наружная поверхность, которая содержит первую частью стенки 66, проходящую в первой плоскости, и вторую часть стенки 67, расположенную относительно первой части с наклоном во внутреннем направлении, а внутренняя поверхность содержит третью часть стенки 68, проходящую в основном параллельно первой части стенки 66, и четвертую часть стенки 69, расположенную относительно третей части с наклоном в наружном направлении. Вторая часть стенки 67 и четвертая часть стенки 69 сходятся друг с другом с образованием острой передней кромки 70. На Фиг.5 показано, что передняя кромка 70 каждой наружной боковой стенки 63 расположена впереди передних кромок 17 внутренней боковой стенки 16 и передних кромок 22 перепускных створок 19, 20 и 21.

На Фиг.5 и 7 показано, что каждая из створок 19, 20 и 21 имеет боковые кромки 71 (расширяющиеся кромки), которые образуют расширение 25 от задней кромки 72 к передней кромке 22 таким образом, чтобы следовать профилю или повторять профиль передних кромок 17 или 70 смежной кромки боковых стенок 16 или 63. Ширина каждой из перепускных створок 19, 20 и 21 в области их передних кромок является наибольшей. Такая конфигурация определяет ширину 26 захвата секции. Для обеспечения равной ширины 26 захвата для каждой из секций 14, внешние створки 19 и 21 выполнены идентичными внутренней створке (створкам) 20, а наружные боковые стенки 63 повторяют профиль внутренней боковой стенки 27.

Створки 19, 20 и 21 поворачиваются вокруг соответствующей шарнирной оси 28 между боковыми стенками 16 и 63. В результате передние кромки 17 и 70 боковых стенок образуют тело вращения 29 вокруг шарнирной оси 28 для поддержания постоянной величины зазора 30 между боковой кромкой 71 соответственной створки 19, 20 или 21 и смежной кромкой боковой стенки.

Дополнительным элементом для передних кромок 70 наружных боковых стенок может быть стреловидное удлинение 31 (Фиг.6), улучшающее рабочие параметры воздухозаборника за счет снижения местных утечек.

Движение системы створок осуществляется от приводных устройств 32 с соответствующими габаритами, которые толкают либо тянут плечи кривошипа 34, жестко соединенные с перепускными створками 19, 20 и 21. Как представлено на Фиг.7 и 8, створки 19, 20 и 21 механически согласованы и поворачиваются вокруг шарнирных осей 35 и систем опор 36, которые механически связаны с неподвижным элементом 37 конструкции двигателя при помощи одной или нескольких опор 38. Компактное расположение этих элементов привода створок, как показано на Фиг.7 и 8, является важным моментом для уменьшения толщины боковой стенки 39 в центральных частях 62 и 64, для снижения лобового аэродинамического сопротивления и эффективного использования ширины двигателя.

Очевидно, что в соответствии с настоящим изобретением предложена конструкция воздухозаборника с изменяемой геометрией для ПВРД со сверхзвуковым горением, которая полностью соответствует заявленным ранее задачам, средствам и преимуществам. Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано на конкретном примере его выполнения, для специалистов, ознакомившихся с приведенным описанием, будут очевидны и другие его альтернативы, модификации и варианты. Соответственно изобретение охватывает все альтернативы, модификации и варианты, попадающие в область притязаний приложенной формулы.

Воздухозаборник с изменяемой геометрией для прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым горением включает в себя по меньшей мере одну секцию камеры сгорания, а его вариант - группу секций камеры сгорания, каждая из секций камер сгорания имеет две боковые стенки с центральной частью определенной толщины и клиновидным профилем, расположенным впереди указанной центральной части и имеющем на конце острую переднюю кромку. Каждая из секций камеры сгорания содержит нижнюю стенку и подвижную створку обтекателя, расположенную впереди указанной нижней стенки и имеющую переднюю кромку. Клиновидный профиль каждой наружной боковой стенки, одного из вариантов, снабжен наружной поверхностью, содержащей первую часть стенки, расположенную в первой плоскости, и вторую часть стенки, расположенную относительно первой части с наклоном во внутреннем направлении, и внутренней поверхностью. Последняя содержит третью часть стенки, расположенную в основном параллельно указанной первой части стенки, и четвертую часть стенки, расположенную относительно третьей части с наклоном в наружном направлении. Изобретение упрощает конструкцию воздухозаборника. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Воздухозаборник с изменяемой геометрией для прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым горением, отличающийся тем, что он включает в себя по меньшей мере одну секцию камеры сгорания, каждая из которых имеет две боковые стенки с центральной частью определенной толщины и клиновидным профилем, расположенным впереди указанной центральной части и имеющем на конце острую переднюю кромку, причем каждая из секций камеры сгорания содержит нижнюю стенку и подвижную створку обтекателя, расположенную впереди указанной нижней стенки и имеющую переднюю кромку.2. Воздухозаборник по п.1, отличающийся тем, что указанные передние кромки боковой стенки пересекают переднюю кромку створки обтекателя.3. Воздухозаборник по п.2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из указанных боковых стенок имеет переднюю кромку, расположенную впереди передней кромки указанной створки обтекателя.4. Воздухозаборник по п.2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит средство привода указанной створки обтекателя.5. Воздухозаборник по п.2, отличающийся тем, что указанная боковая стенка имеет толщину, достаточную для размещения по крайней мере одного элемента привода указанной створки обтекателя.6. Воздухозаборник по п.2, отличающийся тем, что указанная створка обтекателя имеет заднюю кромку и расширяется от задней кромки к передней кромке в соответствии с указанным профилем боковой стенки.7. Воздухозаборник с изменяемой геометрией для прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым горением, отличающийся тем, что он включает в себя группу секций камеры сгорания, образованных парой наружных боковых стенок и по меньшей мере одной внутренней боковой стенкой, причем каждая из указанных наружных и внутренних боковых стенок имеет центральную часть определенной толщины и клиновидный профиль, расположенный впереди центральной части и имеющий на конце острую переднюю кромку.8. Воздухозаборник по п.7, отличающийся тем, что каждая из секций камеры сгорания содержит нижнюю стенку и подвижную створку обтекателя, имеющую переднюю кромку и расположенную впереди указанной нижней стенки между двумя боковыми стенками, причем каждая из передних кромок указанных боковых стенок пересекает указанную переднюю кромку створки обтекателя.9. Воздухозаборник по п.8, отличающийся тем, что каждая из указанных наружных боковых стенок имеет переднюю кромку, расположенную впереди передней кромки каждой подвижной створки обтекателя.10. Воздухозаборник по п.8, отличающийся тем, что каждая из указанных створок обтекателя имеет заднюю кромку и расширяющиеся кромки, расположенные от задней кромки до указанной передней кромки и повторяющие клиновидную форму профиля смежной кромки одной из боковых стенок.11. Воздухозаборник по п.10, отличающийся тем, что между каждой из указанных расширяющихся кромок и указанной смежной кромкой одной из боковых стенок имеется постоянный зазор.12. Воздухозаборник по п.7, отличающийся тем, что указанные секции камеры сгорания выполнены с одинаковой шириной с возможностью обеспечения равных величин регулируемого потока.13. Воздухозаборник по п.7, отличающийся тем, что указанные секции камеры сгорания имеют одинаковую ширину захвата.14. Воздухозаборник по п.8, отличающийся тем, что указанные створки обтекателя установлены с возможностью вращения вокруг общей шарнирной оси.15. Воздухозаборник по п.14, отличающийся тем, что дополнительно содержит средства привода каждой из створок обтекателя.16. Воздухозаборник по п.15, отличающийся тем, что указанные средства привода створок содержат плечо кривошипа, прикрепленное к каждой указанной створке, и группу средств привода каждого плеча кривошипа.17. Воздухозаборник по п.16, отличающийся тем, что указанные средства привода дополнительно содержат шарнирные оси, опоры и механические средства крепления указанных шарнирных осей и опор к неподвижному элементу конструкции.18. Воздухозаборник по п.17, отличающийся тем, что указанные механические средства крепления имеют по крайней мере одну опору.19. Воздухозаборник по п.7, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стреловидное удлинение, расположенное на каждой передней кромке наружной боковой стенки с возможностью снижения местных утечек.20. Воздухозаборник с изменяемой геометрией для прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым горением, отличающийся тем, что он включает в себя группу секций камеры сгорания, образованных парой наружных боковых стенок и по меньшей мере одной внутренней боковой стенкой, причем каждая из указанных наружных и внутренних боковых стенок имеет центральную часть определенной толщины и клиновидный профиль, расположенный впереди центральной части и имеющий на конце острую переднюю кромку, при этом указанный клиновидный профиль каждой наружной боковой стенки снабжен наружной поверхностью, содержащей первую часть стенки, расположенную в первой плоскости, и вторую часть стенки, расположенную относительно первой части с наклоном во внутреннем направлении, и внутренней поверхностью, содержащей третью часть стенки, расположенную в основном параллельно указанной первой части стенки, и четвертую часть стенки, расположенную относительно третьей части с наклоном в наружном направлении.