СПОСОБ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО ОБДУВА ПОВЕРХНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК B64C21/02 

Настоящее изобретение относится к воздухоплаванию, в частности к способам управления пограничным слоем (ПС) на поверхностях летательных аппаратов (ЛА).

Изобретение служит для улучшения аэродинамических характеристик ЛА с развитым корпусным элементом, таких как дирижабль, грузовой самолет и подобное, реализуя безотрывное обтекание поверхности ЛА и снижение лобового сопротивления ЛА, с пренебрежимо малыми энергозатратами за счет системы тангенциальных щелей, расположенных на большей части площади корпуса ЛА и отбрасывающих воздух в направлении противоположном направлению движения ЛА.

Основными факторами, отвечающими за увеличение лобового сопротивления ЛА, являются турбулизация ПС и отрыв потока. Структура ПС при взаимодействии в полете ЛА и окружающего воздуха представляет собой последовательность ламинарного, переходного и турбулентного ПС. Переход к турбулентному ПС осуществляется на некотором расстоянии от передней кромки рассматриваемой поверхности, соответствующем критическому числу Рейнольдса. Отрыв потока происходит в случае торможения ПС, при этом отрыв потока может иметь как локальный характер, так и образовывать область вихрей за всем ЛА. Оба фактора приводят к энергетическим потерям, восполняемым за счет кинетической энергии ЛА.

Из уровня техники известно решение по патенту RU 2015941 опубл. 15.07.1994. Описанный в патенте способ основан на локальном отсосе пограничного слоя с помощью тягового или вспомогательного двигателя на всех режимах полета.

Также из существующего уровня техники известен способ управления ПС, который использует отобранный от набегающего потока воздух для локального ускорения ПС. В качестве примера можно привести RU 2508228, опубл. 27.02.2014, бюл. №6.

В указанных решениях манипуляции с ПС производятся в локализованных областях аэродинамической поверхности при помощи системы каналов, что приводит к уменьшению эффективности работы на переходных режимах полета. В предлагаемом решении управление ПС предлагается производить на большей части поверхности корпуса ЛА посредством системы последовательно расположенных протяженных щелей, питаемых из одного канала, что обеспечивает не только предотвращение срыва потока, но и уменьшение турбулентности в ПС. Также предлагаемое решение, в отличие от указанных выше, позволяет создавать управляющий момент аэродинамических сил за счет разности расходов через щели, расположенные на соответствующих сторонах ЛА.

В решении US 1726882, опубл. 03.09.1929, предлагается способ, использующий систему каналов с распределенными соплообразными отверстиями на поверхности ЛА. Отличие предлагаемого решения от указанного заключается в форме отверстий, предлагается использовать протяженные щели вместо соплообразных одиночных отверстий, а также в способе доставки воздуха, предлагается использовать единый канал между внутренней функциональной (ФО) и наружной аэродинамической оболочками (АО) ЛА вместо системы отдельных каналов, что позволяет существенно уменьшить потери на трение в каналах и повысить эффективность способа за счет предотвращения аэродинамических эффектов взаимодействия струй воздуха из отдельных соплообразных отверстий.

Устройство, описанное в патенте RU 2032595, опубл. 10.04.1995, использует локальный отсос пограничного слоя на аэродинамической поверхности ЛА с помощью тягового или вспомогательного двигателя на всех режимах полета, в предлагаемом решении для предотвращения отрыва потока на поверхности ЛА используется выдув струи воздуха на большей части площади, что повышает эффективность работы устройства на переходных режимах полета.

Из уровня техники известно устройство, описанное в решении RU 2666939, опубл. 13.09.2018, бюл. №26, в котором предлагается использовать выходящие по нормали к аэродинамической поверхности корпуса потоки воздуха для улучшения аэродинамических характеристик ЛА, также в решении RU 2656918, опубл. 07.06.2018, бюл. №16, предложено использовать перфорированную конструкцию обшивки с комбинированными отверстиями, расположенными на аэродинамической поверхности ЛА для снижения трения. В предлагаемом решении потоки воздуха выходят по касательной к поверхности корпуса ЛА в направлении противоположном направлению движения, в указанных выше - по нормали, в предлагаемом решении щели могут использоваться как движитель ЛА, особенно перспективно данное решение для аппаратов легче воздуха.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение аэродинамического лобового сопротивления на ЛА с развитым корпусным элементом.

Данная задача решается за счет реализации заявленного способа тангенциального обдува поверхности ЛА, характеризующийся тем, что вокруг ФО, располагают АО, в передней по направлению движения области которой выполняют одно или несколько входных отверстий, на большей части поверхности АО выполняют протяженные щели, направленные в противоположную сторону от направления движения ЛА или под некоторым углом к поверхности АО, которые опоясывают ЛА в поперечном направлении, причем щели имеют один общий канал, располагающийся между ФО и АО в качестве источника воздуха.

Устройство для реализации заявленного способа содержит наружную АО, расположенную вокруг ФО, в передней по направлению движения части АО расположено одно или несколько входных отверстий, а направленные в противоположную направлению движения ЛА сторону протяженные щели выдува расположены на большей части АО и опоясывают ЛА в поперечном направлении, причем расстояние между щелями в продольном направлении не превышает расстояние, соответствующее началу турбулентного течения, ширина щелей не меньше удвоенной максимальной толщины ПС, развиваемой в области щели, а суммарная площадь щелей не меньше площади входного отверстия.

Входные отверстия могут быть снабжены двигательной установкой, включающей одну или несколько винтомоторных групп. Канал между ФО и АО может содержать продольные перегородки, причем входы в области, разграниченные перегородками, снабжены устройствами регулировки расхода.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является ламинаризация ПС на поверхности ЛА, а также предотвращение образования отрывов потока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1 - схема ЛА, оснащенного системой тангенциального обдува.

На фиг. 2 - элемент АО.

АО 1, размещенная вокруг ФО 2, имеет на своей поверхности систему тангенциальных щелей 3. При необходимости использования щелей в качестве движителя винтомоторная группа 4 размещается после входного отверстия 5, Фиг. 1.

Щель 1 образуется между двумя элементами АО, скрепленными между собой вертикальной перегородкой 2. Для предотвращения турбулизации потока на выходе из щели на кромке каждого элемента АО располагается скругление 3, Фиг. 2.

Воздух из области перед ЛА через входное отверстие попадает в канал между ФО и АО (подразумевается, что ЛА снабжен собственной двигательной установкой). Площадь канала больше площади входного отверстия, что приводит к замедлению потока и повышению давления в канале. Замедление потока уменьшает потери на трение. Избыточное давление в канале позволяет изготавливать АО из гибких материалов. При выходе из щели воздух приобретает скорость практически равную скорости набегающего потока в месте расположения щели, что обусловлено законом Бернулли, и направленную по касательной к поверхности АО. Расстояние между щелями не превышает расстояния, соответствующего началу турбулентного режима течения, что позволяет сохранять режим течения в ПС ламинарным или переходным и уменьшать трение. При этом торможение обтекающего АО потока компенсируется потоками воздуха, выходящими из тангенциальных щелей, что предотвращает отрыв потока. Таким образом, уменьшается лобовое сопротивление ЛА.

В случае размещения за выходным отверстием двигательной установки, состоящей из одной или нескольких винтомоторных групп, поток воздуха, выходящий из протяженных тангенциальных щелей на поверхности АО, имеет скорость несколько большую, чем скорость набегающего потока в месте расположения щели, за счет чего появляется реактивная сила тяги. В этом случае система щелей выступает в роли движителя.

В случае размещения между ФО и АО продольных перегородок, причем перегородки не создают отдельные герметичные области в пространстве между ФО и АО, а лишь разграничивают потоки, идущие к разным секторам АО, путем изменения расхода в областях между перегородками при помощи регулирующих устройств, в роли которых может выступать винтомоторная группа, заслонка и подобное, можно контролировать степень ламинаризации набегающего потока на поверхности ЛА, а следовательно, момент трения. Таким образом, устройство может предоставить новый элемент системы управления по тангажу и рысканью для ЛА.

Изобретение относится к воздухоплаванию и может быть применено к летательным аппаратам с развитым корпусным элементом, таким как дирижабль, грузовой самолет и др. Способ тангенциального обдува поверхности летательного аппарата характеризуется тем, что вокруг функциональной оболочки располагают аэродинамическую оболочку, в передней по направлению движения области которой выполняют одно или несколько входных отверстий. На большей части поверхности аэродинамической оболочки выполняют протяженные щели, направленные в противоположную сторону от направления движения летательного аппарата или под некоторым углом к поверхности аэродинамической оболочки, которые опоясывают летательный аппарат в поперечном направлении. Причем щели имеют один общий канал, располагающийся между функциональной оболочкой и аэродинамической оболочкой. Группа изобретений также относится к устройству для осуществления указанного способа. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ тангенциального обдува поверхности летательного аппарата (ЛА), характеризующийся тем, что вокруг функциональной оболочки (ФО) располагают аэродинамическую оболочку (АО), в передней по направлению движения области которой выполняют одно или несколько входных отверстий, на большей части поверхности АО выполняют протяженные щели, направленные в противоположную сторону от направления движения ЛА или под некоторым углом к поверхности АО, которые опоясывают ЛА в поперечном направлении, причем щели имеют один общий канал, располагающийся между ФО и АО.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее наружную АО, расположенную вокруг ФО, в передней по направлению движения части АО расположено одно или несколько входных отверстий, а направленные в противоположную направлению движения ЛА сторону протяженные щели выдува расположены на большей части АО и опоясывают ЛА в поперечном направлении, причем расстояние между щелями в продольном направлении не превышает расстояние, соответствующее началу турбулентного течения, ширина щелей не меньше удвоенной максимальной толщины пограничного слоя, развиваемой в области щели, а суммарная площадь щелей не меньше площади входного отверстия.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что за входным отверстием расположена двигательная установка, состоящая из одного или нескольких винтомоторных групп.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что канал между ФО и АО имеет продольные перегородки, причем входы в области, разграниченные перегородками, снабжены устройствами регулировки расхода.