Способ определения тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя при летных испытаниях
METHOD FOR DETERMINING POWER OF RAMJET ENGINE IN FLIGHT TESTS

Предлагаемое изобретение относится к области испытаний высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА) с двигательной установкой на основе воздушно-реактивного двигателя и может быть использовано для определения тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) при летных испытаниях.
Значение эффективной тяги представляет собой долю тяги ПВРД, интегрированного (расположенного внутри фюзеляжа) с планером ЛА, то есть равнодействующую сил давления и трения, приложенных к внутренней поверхности проточного тракта ПВРД, непосредственно используемую для движения последнего. Важной задачей является повышение точности и оперативности оценки эффективной тяги ПВРД для различных ЛА, что необходимо для определения летно-технических характеристик на стадии создания ЛА.
Известны способы определения тяги ПВРД, основанные на измерении параметров скоростного воздушного потока, а именно, скорости набегающего потока, статических давлений (полей полных давлений в различных сечениях диффузора, камеры сгорания и сопла) по длине двигателя на внешней обшивке и во внутренних каналах двигателя (В.А. Григорьев, «Испытания авиационных двигателей», М., «Машиностроение», 2009 г., стр. 186-187, 205-206; В.Н. Леонтьев «Испытания авиационных двигателей и их агрегатов», М., «Машиностроение», 1976 г., стр. 62-65).
В известных технических решениях замер параметров осуществляется как в процессе летных испытаний, в которых двигатель используется в качестве маршевой силовой установки, так и в результате стендовых испытаний, условия которых аналогичны летным испытаниям, причем при испытаниях на стенде имитируются условия работы при различных высоте, скорости полета и углах атаки. Кроме того, стендовые испытания проводятся не только с постоянным углом между вектором скорости набегающего потока, но и при быстрых изменениях последнего во время эксперимента, как это может быть во время маневра ЛА.
Недостатком газодинамического способа определения тяги, предлагаемого в известных технических решениях, является низкая точность определения импульса реактивной струи в сечении среза сопла, обусловленная сложностью измерений параметров потока в этом сечении, что в свою очередь определяет недостаточную точность определения тяги двигателя.
Известен способ определения тяги ПВРД, основанный на измерении распределения давлений на поверхности носовой части гиперзвуковой летающей лаборатории и продольного ускорения последней в полете (RU 2242736, 2004 г.). Для баллистического способа определения тяги, предлагаемого в известном техническом решении, необходимо точное определение направления вектора тяги двигателя, что возможно только в случае осесимметричной конфигурации сопла и камеры сгорания. Таким образом, недостатком известного технического решения также является недостаточная точность определения тяги двигателя.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ определения тяги ПВРД при летных испытаниях, основанный на измерении параметров скоростного воздушного потока, угла атаки, высоты и скорости полета (RU 2579796, 2016 г.).
Известное техническое решение представляет собой аэродинамический способ определения тяги двигателя, при котором также измеряют перегрузку вдоль продольной оси ЛА, а при определении тяги учитывают константы, характеризующие конструкцию и аэродинамику ЛА, а именно: эквивалентную площадь крыла, угол отклонения оси двигателя от продольной оси ЛА, выходной импульс двигателя, ускорение свободного падения и массу ЛА.
Недостатком известного технического решения является низкая точность определения тяги ПВРД, обусловленная необходимостью выполнения кабрирования и пикирования ЛА с постоянной тягой, что сложно реализовать в случае высокоскоростного ЛА с интегрированным проточным трактом ПВРД.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении точности определения тяги ПВРД при летных испытаниях.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в определении величины внутренних сил давления и сопротивления интегрированного с фюзеляжем ПВРД, причем определение сил сопротивления и внутреннего давления осуществляют по измеренным в полете параметрам и по результатам стендовых испытаний, что обеспечивает более точное определение тяги ПВРД.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа определения тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя при летных испытаниях, основанном на измерении параметров скоростного воздушного потока, угла атаки, высоты и скорости полета, предварительно на стенде моделируют работу двигателя в условиях полета при заданных угле атаки, высоте и скорости полета и определяют аэродинамическое сопротивление проточного тракта внутреннего контура двигателя, интегрированного в фюзеляж летательного аппарата, по результатам измеренных в полете параметров скоростного воздушного потока определяют величину результирующей силы, вызываемой статическим давлением во внутреннем контуре проточного тракта двигателя, а тягу двигателя определяют как разность проекций результирующей силы статического давления и силы аэродинамического сопротивления проточного тракта на продольную ось камеры сгорания.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
- предварительное моделирование на стенде работы двигателя в условиях полета при заданных угле атаки, высоте и скорости полета, определение аэродинамического сопротивления проточного тракта внутреннего контура двигателя, интегрированного в фюзеляж ЛА, обеспечивают определение внутренних сил давления и сопротивления по результатам стендовых испытаний;
- определение по результатам измеренных в полете параметров скоростного воздушного потока величины результирующей силы, вызываемой статическим давлением во внутреннем контуре проточного тракта двигателя и определение тяги двигателя как разности проекций результирующей силы статического давления и силы аэродинамического сопротивления проточного тракта на продольную ось камеры сгорания обеспечивает определение внутренних сил давления и сопротивления по измеренным в полете параметрам.
Настоящий способ поясняется следующим подробным описанием и иллюстрациями, где:
- на фиг. 1 изображена схема стенда для испытаний исследуемого ПВРД;
на фиг. 2 приведена диаграмма результатов регистрации тягоизмерительной системой усилий, создаваемых ПВРД при стендовых испытаниях;
- на фиг. 3 изображен график распределения статического давления по тракту ПВРД на режиме с подачей топлива;
- на фиг. 4 изображена схема распределения действующих сил при обтекании исследуемого ПВРД воздушным потоком в процессе стендовых испытаний;
- на фиг. 5 изображена схема регистрации усилий, развиваемых ПВРД в процессе стендовых испытаний.
Способ осуществляется следующим образом.
ат,
дв
ат
гор
расч
изм
Предварительно на стенде моделируют работу исследуемого объекта, представляющего собой натуральный образец или макет интегрированного в фюзеляж гиперзвукового ЛА высокоскоростного ПВРД. Объект 1 при помощи установочного пилона 2 размещают на динамометрической платформе 3, которая через ленты 4 сжатия связана с платформой 5 стенда (см. фиг. 1). Моделирование осуществляется при помощи аэродинамического сопла 6, осуществляющего обдув объекта 1, и кормового диффузора 7, при условии соблюдения идентичных ожидаемым в полете характеристик: угла (α) атаки, высоты и скорости полета, числа Маха, расхода топлива. Усилия от работающего двигателя измеряются при помощи датчиков 8 тяги тягоизмерительной системы стенда. В процессе испытаний на стенде определяют аэродинамическое сопротивление (R) проточного тракта внутреннего контура двигателя исходя из условия равенства проекции сил (R) статических давлений по контуру на ось двигателя и проекции равнодействующей силы (R) на ось тракта стенда, измеренной тягоизмерительной системой на режиме работы двигателя в заданных условиях с учетом угла атаки (α) воздухозаборного устройства двигателя к набегающему потоку воздуха по оси стенда:
расч
изм
ат
Rcos(α)=R,
где
i
P (х) - среднее значение статического давления на i-том участке по контуру тракта,
i
F(x) - площадь поперечного сечения на i-том участке по контуру тракта,
l - длина проточного тракта,
х - координата по продольной оси двигателя,
изм
+
гор
дв
ат
ф
R=R+Rсоs(α)+R,
где:
дв
ф
ат
гор
расч
+
R=R-(R+R)/соs(α),
+
R - положительная часть усилия;
ф
R - сопротивление фюзеляжа.
При этом также измеряются:
+
- усилия, развиваемые двигателем в процессе стендовых испытаний, измеряемые датчиками 8 тяги тягоизмерительной системы стенда, по результатам регистрации которых, определяется положительная часть усилия (R) в проекции на ось стенда от работающего двигателя с подачей топлива в камеру сгорания (превышение тяги над сопротивлением) (см. фиг. 2);
- полные давление и температура набегающего потока;
- расход топлива в камере сгорания;
- распределение статического давления по тракту двигателя на режиме с подачей топлива (см. фиг. 3).
Анализ схемы обтекания исследуемого объекта воздушным потоком при испытании на стенде (см. фиг. 4) показывает, что проекция сил давления по внутреннему тракту на ось двигателя может быть представлена в виде уравнения:
i3
i3
i2
i2
i1
i2
i4
i3
i4
ф
дв
гор
+
P(F-F)-P(F-F)-P(F-F)-R-R=R,
i
i
ф
дв
+
гор
ΣPΔF=R+R+R,
i
где ΔF(x) - приращение площади поперечного i-го сечения тракта.
Из анализа схемы регистрации усилий, развиваемых двигателем в процессе стендовых испытаний (см. фиг. 5) следует:
изм
+
гор
ф
дв
R=R+R+R.
Сравнивая полученные зависимости с учетом угла атаки, получаем:
i
i
ат
изм
ΣPΔFcos(α)=R.
Левая часть в уравнении может быть определена по измеренному распределению статического давления на внутренние стенки проточного тракта:
С учетом угла атаки при испытании на стенде исследуемого объекта зависимость может быть представлена в виде
расч
+
гор
ат
дв
ат
ф
Rcos(α)=R+Rcos(α)+R.
ф
Сопротивление фюзеляжа при испытаниях на стенде определяется по результатам расчета аэродинамического сопротивления ЛА. В стендовом варианте конструкции фюзеляж имеет простую хорошо обтекаемую форму без крыльев и рулей, что обеспечивает высокую точность вычисления R.
С учетом изложенного сопротивление внутреннего тракта двигателя на режиме работы с подачей топлива для заданных условий определяется из соотношения
дв
ф
ат
гор
расч
+
R=R-(R+R)/соs(α).
Так как сопротивление тракта двигателя не зависит от работы на стенде или в полете для одинаковых условий, эта величина может быть использована для оценки тяги в полете как разность проекции равнодействующей сил давления на ось тракта и сопротивления тракта двигателя на режиме с горением, которое берется из результатов испытаний на стенде с соблюдением указанных выше условий, максимально приближенных к полетным: по числам Маха, высоте, углу атаки и коэффициенту избытка воздуха.
p ли
При этом в полете измеряются распределение статических давлений по тракту двигателя, угол атаки, скорость движения аппарата, высота полета, а по распределению давлений вычисляется проекция равнодействующей силы (R) на ось тракта двигателя для аналогичных условий при летных испытаниях:
Тягу двигателя при летных испытаниях определяют как разность проекций равнодействующей силы на ось тракта двигателя и силы аэродинамического сопротивления проточного тракта на продольную ось камеры сгорания:
ли
р ли
гор
дв
R=R- R.
Таким образом, определение внутренних сил давления и сопротивления интегрированного с фюзеляжем ПВРД по измеренным в полете параметрам и по результатам стендовых испытаний обеспечивает повышение точности определения тяги ПВРД при летных испытаниях.