СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ И СНИЖЕНИЯ ВОЛНОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДВИЖНОГО, НАПРИМЕР, МЕТАЕМОГО, ТЕЛА В ФОРМЕ СНАРЯДА С ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ОЖИВАЛЬНОЙ ИЛИ ЗАОСТРЁННОЙ НОСОВОЙ ЧАСТЬЮ И ТЕЛО В ФОРМЕ СНАРЯДА С ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ОЖИВАЛЬНОЙ ИЛИ ЗАОСТРЁННОЙ НОСОВОЙ ЧАСТЬЮ Российский патент 2014 года по МПК B64C23/00 

Предлагаемое изобретение относится к области ракетостроения, артиллерии, авиации, а также к иным областям техники, предусматривающим использование тел, перемещающихся в газовой и/или жидкостной среде.

Общеизвестны и широко освещены в литературе проблемы создания и преодоления сил сопротивления, улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов протяженной формы. Важным следствием улучшения (оптимизации) аэродинамических характеристик является уменьшение сил сопротивления среды при движении такого объекта. Уменьшение сил сопротивления или их компенсация представляет собой одну из главных задач, возникающих при проектировании конкретного объекта: снаряда, пули, мины, ракеты, подвесного топливного бака, торпеды, части летательного аппарата; подводного аппарата или же иного устройства. Очевидно, что помимо постоянного совершенствования конструкций подвижных средств при вводе в эксплуатацию новых образцов техники, существует проблема улучшения аэродинамических характеристик уже существующих (уже изготовленных) подвижных средств, а также проблема улучшения эксплуатационных характеристик выпускаемых образцов техники без проведения исследовательских и проектных работ, предусматривающих коренной пересмотр существующей конструкции. В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения может быть выбран способ оптимизации аэродинамических характеристик и аэродинамическая поверхность, усовершенствованная таким образом, описанные в патенте RU 2186265, опубликованном 27.07.2002. Описанная в RU 2186265 технология совершенствования аэродинамических характеристик заключается в перенаправлении и оптимизации потока. То есть, очевидна излишняя сложность и небольшая надежность предложенной в RU 2186265 конструкции и технологии работы этой конструкции в реальных условиях.

В свою очередь предлагаемое изобретение представляет собой дальнейшее совершенствование средств и технологий улучшения аэродинамических характеристик подвижных средств и позволит оптимизировать, то есть улучшить аэродинамические характеристики подвижного, преимущественно осесимметричного (метаемого) объекта, например, обладающего формой тела вращения, в первую очередь за счет создания дополнительной реактивной струи при одновременном снижении волнового сопротивления. То есть, для улучшения аэродинамических характеристик снаряда, пули, мины, ракеты, подвесного топливного бака, торпеды, части летательного аппарата, подводного аппарата и т.п., при сохранении общей надежности объекта. Также, предложенное изобретение позволит производить модернизацию существующих подвижных средств, выполненных в форме тела вращения без коренного изменения конструкции объекта.

Ожидаемый технический результат достигается при использовании предложенного способа создания дополнительной реактивной струи и снижения волнового сопротивления для подвижного, например, метаемого, тела в форме снаряда с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью и тела в форме снаряда с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью.

Предложенный способ создания дополнительной реактивной струи и снижения волнового сопротивления для подвижного, например, метаемого, тела в форме снаряда с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью предусматривает формирование с ее стороны замкнутого кольцевого конфузора. Замкнутый кольцевой конфузор формируется с использованием поверхности упомянутого тела и, по меньшей мере, одного дополнительного аэродинамического профиля. В подавляющем большинстве случаев упомянутое тело выполняют осесимметричным, например, в форме тела вращения, то есть в той форме, соответствующей форме таких метаемых протяженных объектов, как снаряды, пули, мины, торпеды, ракеты различного назначения и т.п. Дополнительный аэродинамический профиль располагают относительно упомянутого тела калиберным, подкалиберным и/или надкалиберным, то есть мидель дополнительного профиля может быть равен, быть меньшим и/или большим миделя тела. Может быть сформировано, по меньшей мере, два конфузора с последовательным расположением их «колец» вдоль тела. Также, в конфузоре может быть сформировано, по меньшей мере, два канала, распределенных по «кольцу» конфузора. При этом, дополнительный аэродинамический профиль выбирают из перечня, включающего: фиксированный профиль, цельноповоротный профиль, поворотный профиль с разными осями вращения, разрезной профиль, цельновыдвижной профиль, адаптивный профиль, также дополнительный аэродинамический профиль может быть сформирован, как сочетание, по меньшей мере, двух профилей перечисленных выше типов, комбинированных по «кольцу» (окружности и т.п.) конфузора. С использованием описанного дополнительного аэродинамического профиля за конфузором может быть сформирован замкнутый кольцевой диффузор или же замкнутый кольцевой канал с неизменным по длине сечением, за которым также может быть сформирован замкнутый кольцевой диффузор. Дополнительно может быть предусмотрен впрыск в конфузор жидкой и/или газообразной среды, например, воды. Соответственно предложенному способу предложено подвижное, например, метаемое тело в форме снаряда, пули, артиллерийской мины и т.п. с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью. Со стороны носовой части расположен, по меньшей мере, един дополнительный аэродинамический профиль, образующий совместно с поверхностью упомянутого тела замкнутый кольцевой конфузор.

Предложенное изобретение поясняется чертежами.

Фиг.1, Фиг.2 - Подвижное средство с калиберным дополнительным аэродинамическим профилем.

Фиг.3, Фиг.4 - Подвижное средство с подкалиберным дополнительным аэродинамическим профилем.

Фиг.5, Фиг.6 - Подвижное средство с надкалиберным дополнительным аэродинамическим профилем.

Предложенная усовершенствованная аэродинамическая конструкция включает тело в форме снаряда, пули, артиллерийской мины и т.п. с заостренной или оживальной носовой частью, которое в подавляющем большинстве случаев выполнено осесимметричным и/или в форме тела вращения. То есть, предложенное тело соответствует уже изготовленной или же уже спроектированной протяженной конструкции такого подвижного объекта, как ракета, снаряд, пуля, мина, граната, торпеда, часть конструкции летательного аппарата, подводного аппарата в форме снаряда с заостренной или оживальной носовой частью. Описанное выше тело и дополнительный аэродинамический профиль образуют замкнутый кольцевой конфузор или группу последовательно расположенных конфузоров, расположенный со стороны носовой части тела в форме снаряда, то есть сужающийся кольцевой канал, сужающуюся кольцевую щель, охватывающую носовую (переднею) часть тела вращения (см. фиг.1-6), с возможным выделением конструкционными стойками внутри такого «кольца» сегментов, образующих внутренние каналы конфузора. В результате будет снижено сопротивление движению тела за счет создания значительной подсасывающей силы, дополнительной реактивной струи на дозвуковых скоростях, значительному снижению волнового сопротивления и создание реактивной струи на сверхзвуковых скоростях движения (полета) тела. Также, для увеличения реактивной струи может быть предусмотрено формирование за конфузором также и диффузора (образование сопла Лаваля и т.п.) или же канала с неизменным по длине сечением, либо комбинаций из такого канала и диффузора. В другом случае, например, при сверхзвуковом полете, для увеличения реактивной струи и изменения параметров потока, то есть давления, плотности, температуры и т.д., может быть предусмотрен впрыск в конфузор жидкой и/или газообразной среды, например впрыск воды.

Соответственно, способ улучшения аэродинамических характеристик подвижного объекта в форме протяженного тела с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью заключается в дополнении ранее изготовленной либо спроектированной конструкции дополнительным аэродинамическим профилем или же совокупностью таких профилей с итоговым формированием замкнутого кольцевого конфузора или группы конфузоров. Дополнительный аэродинамический профиль (в иных случаях совокупность аэродинамических профилей), образующий замкнутый кольцевой конфузор или группу конфузоров, может быть расположен относительно ранее изготовленной конструкции, как калиберный профиль (фиг.1, фиг.2), подкалиберный (фиг.3, фиг.4), или надкалиберный (фиг.5, фиг.6) профиль, то есть мидель дополнительного аэродинамического профиля может быть равным, меньшим и/или большим миделя тела в форме снаряда, пули, артиллерийской мины и т.п. Дополнительные аэродинамические профили (единственный дополнительный профиль в предельном случае) могут быть выполнены фиксированными, разрезными, поворотным с разными осями вращения, цельноповоротными, цельновыдвижными, адаптивным профилем, профилем, комбинированным по «кольцу» конфузора из профилей перечисленной формы. Такое дополнение может быть выполнено любым приемлемым, исходя из прочностных, технологических и аэродинамических расчетов креплением дополнительного профиля на поверхность конструкции в условиях предприятия патронной, авиационной, ракетостроительной промышленности или же ремонтного завода или же быть частью усовершенствованного производственного процесса известной конструкции.

Эффективность использования предложенного замкнутого кольцевого конфузора может быть обоснована следующим образом.

Изготавливаемый конфузор имеет площадь сечения на входе (f₁) и площадь сечения на выходе (f₂), отношение площадей сечений f₁/f₂=k есть коэффициент сужения (k), показывающий во сколько раз происходит сужение конфузора (кольцевой сужающейся щели) относительно сечения на входе, и, следовательно, во сколько раз ускоряется набегающий, невозмущенный поток, в случае малых дозвуковых скоростей, когда нет сжимаемости потока. Согласно закону Бернулли и эффекту Вентури, закону сохранения массы на дозвуковых скоростях в конфузоре происходит преобразование потенциальной энергии заторможенного потока (статического давления) в кинетическую энергию (динамическое давление), то есть происходит формирование реактивной струи (реактивного импульса), сумма изменений статического и динамического давления равны нулю. В конфузоре действует только сила поверхностного трения. Общеизвестно, что скорость в конфузоре не может превышать скорости звука (критический поток), а для дальнейшего увеличения скорости необходим расширяющейся канал (дифузор, сверхзвуковое сопло) с соответствующим перепадом давлений на входе и выходе. Увеличение кинетической энергии обтекающего потока создаст реактивный импульс (физически это будет выражено в создании реактивной струи, потока), усилит эффект Коанда и увеличит критические углы атаки, обеспечит сдув пограничного слоя с подветренной стороны.

На малых дозвуковых скоростях, когда сжимаемость потока еще не наступает, например, при старте или достижении верхней точки навесной (мортирной) траектории, скорость набегающего потока в конфузоре увеличивается практически кратно коэффициенту сужения V_мест=k·V. Например, если при угле атаки тела 0° ноль градусов, скорость набегающего, невозмущенного потока будет равна V=20 м/сек, а коэффициент сужения будет равен k=3, то из конфузора поток вылетает и далее движется со скоростью, равной 60 м/сек. В случае коэффициента сужения k=5 будет достигнута скорость потока, равная 100 м/сек. То есть, при установке дополнительного аэродинамического профиля и образования конфузора со стороны передней (носовой) части протяженного, осесимметричного тела: снаряда, ракеты, мины, торпеды и т.д. поток среды (воздуха, воды) ускоряется в пять раз. Таким образом, кинетическая энергия вылетающего потока возрастает в двадцать пять раз, при соответствующем 25-кратном снижении статического давления, в результате чего образуется реактивный импульс (реактивная струя). При дальнейшем увеличении скорости полета в сжимаемой среде (воздухе) пропорциональность увеличения скорости в кольцевом конфузоре будет уменьшаться, не превышая скорости звука.

При сверхзвуковых, гиперзвуковых скоростях полета поток сжимаемой среды (воздуха) в конфузоре (сужающемся кольцевом канале) тормозится с соответствующим увеличением плотности, давлении, температуры. Вновь получаем реактивную струю. Формирование внешней, головной ударной волны не происходит, так как внешняя поверхность дополнительного аэродинамического профиля как минимум параллельна набегающему потоку или имеет отрицательный (подветренный) угол (формируется только скачок (скачки) уплотнений, уходящий внутрь конфузора). Увеличенное (большее) статическое давление, плотность и температура в конфузоре обеспечивает воздействие вперед по направлению полета, как бы предупреждая невозмущенный поток о приближении сверхзвукового (гиперзвукового) движущегося тела, тем самым появляются условия для безударного обтекания. Этот процесс несколько увеличивает сопротивление по давлению, но значительно снижает, или исключает, волновое сопротивление. То есть, при невозможности принятия кольцевым каналом всего набегающего потока воздуха лишний воздух не заходит в канал (режим слива потока), по аналогии с воздухозаборником, а проходит мимо.

Таким образом, предложена технология создания реактивной струи и устранения головной ударной волны при перемещении подвижного объекта. Конструкция, модернизированная таким способом, обеспечивает простоту модернизации и повышения эксплуатационных характеристик подвижных объектов, таких как ракеты, снаряды, пули, мины, гранаты, торпеды, части летательных аппаратов, подводных аппаратов и т.п. при сохранении их общей надежности.

Изобретение относится к области аэродинамики тел вращения. Осесимметричное тело вращения (ОТВ) (форма снаряда) с оживальной или заостренной носовой частью содержит дополнительный аэродинамический профиль (АП) (фиксированный, цельноповоротный, поворотный с разными осями вращения, разрезной, цельновыдвижной, адаптивный) в калиберном, подкалиберном, надкалиберном положении. Образуют между ОТВ и АП два конфузора с двумя каналами, распределенными по кольцу конфузора, формируют за конфузором замкнутый кольцевой диффузор и замкнутый кольцевой канал с неизменным по длине сечением. Изобретение позволяет создать дополнительную реактивную струю, снизить волновое сопротивление. 2 н. и 18 з.п ф-лы, 6 ил.

1. Способ создания дополнительной реактивной струи и снижения волнового сопротивления для подвижного, например, метаемого, тела в форме снаряда с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью, предусматривающий формирование с ее стороны замкнутого кольцевого конфузора, с использованием поверхности упомянутого тела и, по меньшей мере, одного дополнительного аэродинамического профиля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутое тело выполняют осесимметричным, например, в форме тела вращения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный аэродинамический профиль располагают относительно упомянутого тела калиберным, подкалиберным и/или надкалиберным.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют, по меньшей мере, два конфузора с последовательным расположением их «колец» вдоль упомянутого тела.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в упомянутом конфузоре формируют, по меньшей мере, два канала, распределенных по «кольцу» конфузора.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный аэродинамический профиль выбирают из перечня, включающего: фиксированный профиль, цельноповоротный профиль, поворотный профиль с разными осями вращения, разрезной профиль, цельновыдвижной профиль, адаптивный профиль

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительный аэродинамический профиль формируют, как сочетание, по меньшей мере, двух профилей по п.4, комбинированных по «кольцу» упомянутого конфузора.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что с использованием дополнительного аэродинамического профиля за конфузором формируют замкнутый кольцевой диффузор.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что с использованием дополнительного аэродинамического профиля за конфузором формируют замкнутый кольцевой канал с неизменным по длине сечением.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в конфузор впрыскивают жидкую и/или газообразную среду, например, воду.

11. Тело в форме снаряда с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью, со стороны которой расположен, по меньшей мере, один дополнительный аэродинамический профиль, образующий совместно с поверхностью упомянутого тела замкнутый кольцевой конфузор.

12. Тело по п.11, отличающееся тем, что выполнено осесимметричным, например, в форме тела вращения.

13. Тело по п.11, отличающееся тем, что дополнительный аэродинамический профиль расположен относительно упомянутого тела в калиберном, подкалиберном и/или надкалиберном положении.

14. Тело по п.11, отличающееся тем, что вдоль его оси последовательно расположены «кольца», по меньшей мере, двух конфузоров.

15. Тело по п.11, отличающееся тем, что упомянутый конфузор включает, по меньшей мере, два канала, распределенных по «кольцу» конфузора.

16. Тело по п.11, отличающееся тем, что дополнительный аэродинамический профиль выбран из перечня, включающего: фиксированный профиль, цельноповоротный профиль, поворотный профиль с разными осями вращения, разрезной профиль, цельновыдвижной профиль, адаптивный профиль.

17. Тело по п.16, отличающееся тем, что дополнительный аэродинамический профиль представляет собой сочетание, по меньшей мере, двух профилей по п.12, комбинированных по «кольцу» упомянутого конфузора.

18. Тело по п.11, отличающееся тем, что за конфузором образован замкнутый кольцевой диффузор.

19. Тело по п.11, отличающееся тем, что за конфузором образован замкнутый кольцевой канал с неизменным по длине сечением.

20. Тело по п.11, отличающееся тем, что конфузор оборудован средствами подвода жидкой и/или газообразной среды, например, воды.