Воздухозаборное устройство с изменяемой геометрией для многорежимной комбинированной турбопрямоточной силовой установки

Область техники
Полезная модель относится к аэродинамике воздухозаборных устройств (ВЗУ) и может быть использована для обеспечения работы комбинированной турбопрямоточной силовой установки (КТПСУ), имеющей в своем составе турбореактивную и прямоточную группу двигателей, во всем полетном диапазоне чисел Маха от взлетно-посадочных до гиперзвуковых скоростей полета.
Уровень техники
Известно осесимметричное воздухозаборное устройство (патент СА 646333), в котором реализуется переключение между режимом работы ТРД и ПВРД. В этом устройстве существует подвижный многосегментный элемент, который, в зависимости от режима полета силовой установки, занимает одно из двух положений.
Недостатком этого устройства является невозможность регулирования геометрии воздухозаборного устройства при различных числах Маха, так как подвижный элемент занимает только одно из двух крайних положений (или ТРД, или ПВРД). Регулирование воздухозаборного устройства в полете является важной особенностью комбинированных силовых установок, поскольку обеспечить приемлемый уровень характеристик во всем диапазоне параметров полета без изменения геометрии невозможно. Кроме этого, данный воздухозаборник является осесимметричным и лобовым (отсутствует экран), что важно при необходимости полета на углах атаки, так как приводит к существенному уменьшению характеристик воздухозаборного устройства (коэффициента восстановления полного давления и коэффициента расхода воздуха).
Известно устройство для регулирования параметров потока на входе в ВЗУ истребителя МиГ-21. В этом устройстве при малых числах Маха центральное тело ВЗУ скрыто за плоскостью входа, а при достижении сверхзвуковой скорости оно выдвигается вперед, образуя систему скачков уплотнения и обеспечивая приемлемые значения коэффициентов расхода и восстановления полного давления.
Недостатком этого устройства является необходимость обеспечения поступательного движения центрального тела торможения, что конструктивно неудобно для летательных аппаратов с подэкранным ВЗУ и комбинированной турбопрямоточной силовой установкой, рассчитанных на большие сверхзвуковые скорости полета. Габариты центрального тела таких аппаратов весьма существенны, обеспечение возможности его поступательного движения требует существенного усилия на приводе. Кроме того, поступательное движение центрального тела не обеспечивает тщательной настройки воздухозаборного устройства на местные значения числа М потока вдоль всей траектории полета ЛА, что важно, если летательный аппарат должен функционировать в достаточно широком диапазоне чисел Маха (0≤М≤5). Также неизменные углы наклона ступеней торможения центрального тела существенно ограничивают значение коэффициента восстановления полного давления, а значит и величину тяги, на маршевом режиме полета.
Известен также плоский подэкранный воздухозаборник с подвижными ступенями тела торможения, наклоненными под углом к горизонтальной плоскости.
Недостатком этого устройства является неудобство его использования при конструировании летательных аппаратов с комбинированной турбопрямоточной силовой установкой, когда одно воздухозаборное устройство на различных режимах полета должно работать на различные независимые тракты силовой установки. Кроме того, воздухозаборное устройство данной схемы отклоняет заторможенный поток вниз, следовательно, момент тангажа ЛА существенно зависит от расхода воздуха и его необходимо компенсировать дополнительным отклонением аэродинамических органов управления.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, достижение которого обеспечивается при реализации заявленной полезной модели, заключается в упрощении конструкции устройства при сохранении им функции переключения режима работы между ТРД и ПВРД и функции изменения геометрии в процессе полета для разных скоростей Маха.
Заявленный технический результат достигается тем, что воздухозаборное устройство для комбинированной турбопрямоточной силовой установки из ТРД и ПВРД, включающее центральное тело, два канала, расположенные с двух сторон от центрального тела, при этом каждый из каналов разделяется на канал ТРД и канал ПВРД, а также две подвижные многосегментные створки в каждом из каналов, отличающееся тем, что створки образуют регулируемую ступень торможения центрального тела воздухозаборного устройства, а также являются элементами переключения каналов ТРД и ПВРД.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется чертежами 1-4, где на фиг. 1 показана схема воздухозаборного устройства в сечении горизонтальной плоскостью (конфигурация ТРД); на фиг. 2 - то же для конфигурации ПВРД для наименьшего полетного числа Маха; на фиг. 3 - то же для конфигурации ПВРД для наибольшего полетного числа Маха. На фиг. 4 показан общий вид рассматриваемого ВЗУ, створки здесь занимают нейтральное положение.
Осуществление полезной модели
В основу настоящей полезной модели положено центральное тело торможения с подвижными многофункциональными сегментными створками. Комбинированная турбопрямоточная силовая установка, работу которой должно обеспечивать рассматриваемое воздухозаборное устройство, включает один турбореактивный двигатель (ТРД) и два прямоточных воздушно-реактивных двигателя (ПВРД). Турбореактивный двигатель расположен в центральной части летательного аппарата под экраном, а каналы прямоточного двигателя - по бокам от него.
Поставленная задача решается тем, что многофункциональные сегментные створки на режиме работы ТРД закрывают канал ПВРД, а на режиме работы ПВРД перекрывают канал ТРД и одновременно образуют последнюю управляемую ступень торможения центрального тела, что позволяет подстраивать геометрию воздухозаборного устройства в зависимости от параметров полета.
Из-за того, что КТПСУ должна обеспечивать высокие характеристики в широком диапазоне чисел Маха полета, ВЗУ является регулируемым как в режиме работы ТРД так и в режиме работы ПВРД. Для обеспечения этого оно выполнено по плоской схеме, т.е. в поперечных сечениях имеет прямоугольную форму. Ступени торможения ВЗУ (грани центрального тела и сегменты створок) наклонены под углом к плоскости симметрии ЛА, так что поток отклоняется центральным телом только в горизонтальной плоскости, что позволяет минимизировать влияние конфигурации центрального тела ВЗУ и расхода воздуха на моментные характеристики ЛА. По бокам от центрального тела ВЗУ расположены многофункциональные сегментные створки. При дозвуковых и малых сверхзвуковых скоростях полета данные створки полностью перекрывают каналы ПВРД, направляя весь захваченный воздух в канал турбореактивного двигателя. При больших сверхзвуковых скоростях полета передние сегменты створок поворачиваются вокруг вертикальной оси и опираются передней кромкой на центральное тело ВЗУ, играя роль последней ступени торможения. Канал ТРД при этом полностью запирается. Данная схема в сечении горизонтальной плоскостью представлена на фиг. 1, 2 и 3.
Для улучшения внутренних характеристик на положительных углах атаки такое воздухозаборное устройство может быть расположено под несущей поверхностью (экраном), выполненной в виде клина с прямой передней кромкой. Наличие экрана позволяет уменьшить скорость потока (число М) в области воздухозаборников при незначительных потерях полного давления. Поэтому расположение воздухозаборников в предварительно заторможенном потоке позволяет поднять максимальный уровень коэффициента восстановления полного давления. Подэкранное расположение воздухозаборного устройства указанного типа показано на фиг. 4 (здесь створки ВЗУ - в промежуточном положении).
Угол наклона первой и второй ступеней торможения остается постоянным на всей траектории полета ЛА. Третья ступень торможения является подвижным элементом - сегментом многофункциональных створок. Максимальные значения величин углов отклонения ступеней торможения соответствуют маршевому режиму полета ЛА в конфигурации с работающим ПВРД, фиг. 3.
Площадь горла ВЗУ так же регулируется на всех режимах полета с помощью сегментных многофункциональных створок путем взаимного перемещения обоих сегментов и смещения линии их излома к стенке (при повышении числа Маха полета) или от стенки (при снижении числа Маха полета) канала ПВРД.
Поставленная задача решается единственным использованием плоских сегментных подвижных элементов конструкции в сочетании с их оптимальной пространственной ориентацией как плоских ступеней торможения центрального тела воздухозаборного устройства. Выбранная схема построения ВЗУ позволяет использовать всю располагаемую площадь входа в обеих конфигурациях, положение многофункциональных створок определяет используемый в текущий момент тип двигателя, а взаимное угловое положение их сегментов определяет число Маха полета.
Таким образом, именно такой существенный признак заявленного устройства - подвижные многофункциональные сегментные створки - позволяет сформировать единое воздухозаборное устройство для комбинированной турбопрямоточной силовой установки, обеспечивающее высокие коэффициенты расхода и восстановления полного давления в широком диапазоне чисел М (0≤М≤5), а также позволяющее эффективно использовать всю располагаемую площадь входа как в конфигурации ТРД, так и в конфигурации ПВРД.
На основании изложенного можно заключить, что существенный признак заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.