Кольцевое воздухозаборное устройство секторного типа

Полезная модель относится к отрасли машиностроения и предназначена для использования на летательных аппаратах (ЛА) с прямоточными силовыми установками.
8
Аналогом предлагаемого устройства (полезной модели) является кольцевое 12-ти патрубковое воздухозаборное устройство (ВЗУ) модели летательного аппарата для аэродинамических испытаний [патент на полезную модель РФ №159083, МПК G01M 9/08, опубл. 27.01.2016, Бюл. №3]. Модель летательного аппарата с воздухозаборным устройством для аэродинамических испытаний содержит внешнюю цилиндрическую оболочку и центральное тело, секционирующее входной поток. При этом центральное тело выполнено составным из последовательно соединенных между собой геометрического имитатора носовой части летательного аппарата, переходной обечайки, внешняя поверхность которой выполнена с обратной конусностью, и ребристой обечайки с внешними продольными ребрами, причем коническая поверхность переходной обечайки имеет одинаковую конусность с пазами, образованными на ребристой обечайке, а торцевые поверхности внешней цилиндрической оболочки и закрепленной внутри ее ребристой обечайки образуют входное сечение воздухозаборника туннельного типа в виде совокупности кольцевых секторов. Каждый из секторов воздухозаборника может иметь устройство для слива пограничного слоя, которое включает в себя рассекатель пограничного слоя и сливные каналы. При этом рассекатели выполнены в виде фигурных клиньев и установлены во внутренней проточке ребристой обечайки таким образом, что их оси симметрии совпадают с осями симметрии секторов воздухозаборника, а сливные каналы сформированы сквозными продольными пазами в ребрах ребристой обечайки и соответствующими прорезями во внешней оболочке. На переходной обечайке соосно сливным каналам могут быть установлены продольные пилоны с удобообтекаемыми ребрами.
Вышеуказанный аналог обладает следующими недостатками:
- отсутствие многоскачковой системы сжатия потока перед входными каналами ВЗУ;
- неполное разделение пограничного слоя от основного потока и как следствие отсутствие полноценного слива пограничного слоя из-за относительно небольших сливных каналов;
- большое аэродинамическое сопротивление ВЗУ.
Известно 4-х патрубковое ВЗУ секторного типа со сбросом пограничного слоя через радиальные пилоны [Вестник МАИ, 2019, том 26, №2, «Калиберное воздухозаборное устройство для летательного аппарата с ракетно-прямоточным двигателем», Ветров В.В., Морозов В.В., Костяной Е.М., Оськин А.С., Федоров А.С, С. 70-80], принятое авторами в качестве прототипа. Устройство содержит патрубки диффузоров, предназначенные для забора атмосферного воздуха. Патрубки располагаются над поверхностью центрального цилиндрического тела. Между патрубками и центральным цилиндрическим телом располагается специальный канал, служащий для забора пограничного слоя и отвода его на внешнюю поверхность оболочки ВЗУ через радиальный пилон.
Вышеуказанный прототип обладает рядом существенных недостатков:
- невысокие дроссельные характеристики;
- внутренние каналы слива пограничного слоя через радиальные пилоны существенно увеличивают аэродинамическое сопротивление ВЗУ;
- рабочие характеристики ВЗУ существенно ухудшаются при наличии углов атаки в управляемом полете, что отрицательным образом сказывается на эффективности работы прямоточной силовой установки.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение максимально возможных дроссельных характеристик ВЗУ в диапазоне углов атаки ЛА от 0 до 5 градусов при минимальном дополнительном аэродинамическом сопротивлении.
Задача решается за счет того, что в кольцевом воздухозаборном устройстве секторного типа, включающем патрубки диффузора, каналы слива пограничного слоя, клинообразные рассекатели пограничного слоя, расположенные на центральном цилиндрическом теле, патрубки диффузора выполнены открытыми по боковым сторонам, а в радиальном направлении ограничены сверху внутренней конической поверхностью внешней обечайки, выполненной в виде цилиндрического сектора переменной толщины, и снизу - внутренней пластиной с выступающим за входное сечение внешней обечайки козырьком. Каналы слива пограничного слоя образованы клинообразными рассекателями пограничного слоя, установленными под внутренней пластиной на центральном цилиндрическом теле, имеющем конические переходы между патрубками диффузора с выходом на внешний диаметр воздухозаборного устройства.
В частном случае исполнения в кольцевом воздухозаборном устройстве секторного типа выступание козырька внутренней пластины за входное сечение внешней обечайки равно высоте клинообразного рассекателя пограничного слоя.
Таким образом, при работе ВЗУ обеспечиваются минимально возможные потери параметров потока на входе в патрубки диффузора и при движении по ним, а система слива обеспечивает беспрепятственный сброс пограничного слоя и отрывных течений, вызванных наличием полетных углов атаки, при этом перевод кинетической энергии набегающего потока в энергию давления на входе в камеру дожигания прямоточной силовой установки осуществляется с наименьшими потерями.
Полезная модель поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлен общий вид ВЗУ, на фиг. 2 - полуоткрытый патрубок ВЗУ и его продольное сечение, на фиг. 3 - ВЗУ без каналов диффузора. На фиг. 4 показано влияние длины выступания козырька l, зависящей от высоты клинообразного рассекателя пограничного слоя h, на дроссельные характеристики ВЗУ (σ - коэффициент восстановления давления, ϕ - коэффициент расхода воздуха) для относительной скорости набегающего потока М=4.
Предлагаемое кольцевое воздухозаборное устройство секторного типа включает в себя патрубки диффузора 1, выполненные открытыми по боковым сторонам, а в радиальном направлении ограниченные сверху внутренней конической поверхностью внешней обечайки 2, выполненной в виде цилиндрического сектора переменной толщины, и снизу - внутренней пластиной 3 с выступающим за входное сечение внешней обечайки 2 козырьком 4. Система слива (отдельно представлена на фиг. 3) образована клинообразными рассекателями пограничного слоя 5, установленными под внутренней пластиной 3 на центральном цилиндрическом теле 6, которое имеет конические переходы между патрубками диффузора 1 на внешний диаметр ВЗУ, что в конечном итоге образует каналы слива 7 части набегающего потока, непопадающего в патрубки диффузора, и пограничного слоя, образующегося на центральном цилиндрическом теле 6.
Предлагаемое кольцевое воздухозаборное устройство секторного типа работает следующим образом. При взаимодействии набегающего потока с внутренней конической поверхностью внешней обечайки 2 патрубков диффузора 1 образуется первый косой скачок уплотнения, который, падая и отражаясь от нижней внутренней пластины 3, образует серию скачков, в которой происходит сжатие потока посредством его торможения. Часть набегающего потока проходит через патрубки диффузора 1, а часть протекает между патрубками диффузора по каналам слива 7 вместе с пограничным слоем. Одновременно с этим случайные, нестационарные возмущения (скосы потока), формируемые при обтекании передней части центрального цилиндрического тела 6, распространяясь вдоль него, достигают патрубков диффузора 1 и, после взаимодействия с накопившимся пограничным слоем, приводят к его отрыву. При этом отрыв потока, распространяясь в радиальном направлении, доходит только до нижней поверхности козырька 4, который препятствует его перетеканию в патрубки диффузора 1. Далее клинообразные рассекатели пограничного слоя 5 направляют пограничный слой и отрывные течения с центрального цилиндрического тела в каналы слива 7. Предлагаемая полезная модель имеет следующие преимущества, по сравнению с вышеуказанным прототипом:
- открытые боковые стороны в патрубках диффузора позволяют сбрасывать лишний воздух из камеры дожигания прямоточной силовой установки, обеспечивая безпомпажную работу ВЗУ и сохраняя систему скачков до входа в камеру дожигания;
- внутренняя коническая поверхность внешней обечайки служит для формирования первого скачка уплотнения, который, отражаясь от нижней плоской пластины, снова приходит на коническую поверхность, формируя при этом систему скачков. Нижняя часть патрубка, выполненная в виде плоской пластины, позволяет уменьшить лобовое сопротивление, привносимое ВЗУ;
- скошенный при наличии угла атаки поток и образующийся на центральном теле пограничный слой ориентируется клиновым рассекателем пограничного слоя в пространство между патрубками диффузора и, плавно обтекая конический переход, выходит на внешний диаметр ВЗУ, создавая при этом минимальное аэродинамическое сопротивление;
- выступающий козырек позволяет не допустить попадания в ВЗУ потока образованного от скоса с центрального цилиндрического тела при наличии углов атаки и эволюционировавшего в отрывные структуры при взаимодействии с пограничным слоем. Данный элемент значительно улучшает формирование системы скачков в ВЗУ и совместно с клиновым рассекателем формирует полуоткрытый сливной канал пограничного слоя и скошенного потока. При этом величина выступания козырька за торцевую поверхность наружной обечайки должна быть примерно равна высоте клинообразного рассекателя (см. фиг. 4). В этом случае достигаются наилучшие значения дроссельных характеристик ВЗУ.
Использование предлагаемого кольцевого воздухозаборного устройства секторного типа для летательных аппаратов позволит обеспечить устойчивую работу прямоточной силовой установки с высокими значениями дроссельных характеристик диффузора даже при наличии полетных углов атаки до 5 градусов. При этом привносимое ВЗУ дополнительное аэродинамическое сопротивление, относительно ЛА без ВЗУ, составит менее 0,06, что вдвое меньше, чем для прототипа.