СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ТЯГИ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СВЕРХЗВУКОВОЕ СОПЛО
METHOD TO CONTROL VECTOR OF JET ENGINE THRUST AND SUPERSONIC NOZZLE

Изобретение относится к авиационно-ракетной технике, в частности к устройствам для управления вектором тяги (УВТ) двигателя летательного аппарата (ЛА).
Известны способы и устройства УВТ, связанные с поворотом двигателя, сопла или его части (Володин В.В., Лисейцев Н.К., Максимович В.З. Особенности проектирования реактивных самолетов вертикального взлета и посадки. М.: Машиностроение, 1985).
Недостатками этих устройств является то, что управляющие (боковые) силы создаются за счет соответствующего уменьшения силы тяги вдоль направления полета ЛА, необходимы сложные механизмы поворота и большие энергетические затраты для его осуществления. При поворотах двигателя или сопла на взлетно-посадочных режимах ЛА выходное сечение сопла приближается к поверхности земли, что может ухудшить тяговые характеристики двигателя и аэродинамические характеристики ЛА, а также вызвать эрозию взлетно-посадочной полосы.
Известен способ управления вектором тяги двигателя путем вдува газа или впрыска жидкости в сверхзвуковую часть сопла (Основы прикладной аэрогазодинамики. Книга 2, под ред. Краснова Н.Ф., М.: Высшая школа, 1991 г., с.с.232-239). При инжекции струи в поперечный сверхзвуковой поток взаимодействие двух течений создает на поверхности стенки сопла перед отверстием вдува область повышенного давления. Управляющая сила, вызванная этим повышением давления, направлена в ту же сторону, что и сила реакции вдуваемой струи, и в некоторых случаях оказывается больше этой силы. Величины управляющих сил достигают 5-6% от тяги основного сопла при примерно таком же соотношении массовых расходов инжектируемого и основного потоков (Энциклопедия "Космонавтика", М.: Советская энциклопедия, 1985, с.53).
Недостатком этого способа и устройств на его основе являются небольшие величины управляющих усилий, связанные с ограничением по интенсивности вдува в сверхзвуковую часть осесимметричного сопла, так как возможно "запирание" сечения сопла и соответствующее уменьшение тяги двигателя из-за разрушения сверхзвукового течения в сопле.
Известен способ УВТ путем вдува газа в сверхзвуковую часть сопла (Патент RU №2046202, 1995 г., МПК F02K 9/82), где дополнительно к вдуву предложен способ увеличения управляющей силы за счет увеличения давления в зоне разрежения, которая образуется за отверстием вдува.
Недостатком этого изобретения являются небольшие величины управляющих сил из-за отмеченного выше ограничения по интенсивности вдува газа, а также необходимость отбора газа из газодинамического тракта двигателя.
Существенно большие управляющие силы получены в силовой установке ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки (Патент RU 2126904, 1997 г., МПК F02K 1/00), где вдув газа осуществляется в соплах с косым или ступенчатым срезом выходного сечения. Размещая отверстия для инжекции газа на достаточном удалении от симметричной части сопла, можно добиться того, что течение здесь будет независимо от течения на несимметричном участке и, соответственно, не будет ограничений, связанных с интенсивностью вдува газа или жидкости.
Недостатком этого устройства является то, что на создание управляющих сил используется только часть кинетической энергии струи, истекающей из симметричной в несимметричную части сверхзвукового сопла, и управление положением ЛА возможно только по одному направлению.
Наиболее близким аналогом предложенной группы изобретений является техническое решение, раскрывающее способ управления вектором тяги реактивного двигателя с помощью создания управляющих сил в сверхзвуковом сопле, состоящий в повышении давления на боковой поверхности сопла путем поперечного вдува газа в его сверхзвуковую часть и понижении давления на противолежащей поверхности для увеличения управляющей силы, причем понижение давления осуществляют путем отсоса газа, а отсасываемый газ используют для поперечного вдува (Патент US 6298658 B1, МПК F02K 1/00, 2001).
Указанное техническое решение раскрывает также сверхзвуковое сопло реактивного двигателя с управляемым вектором тяги с отверстиями для вдува газа и отверстиями для отсоса газа на внутренней поверхности, содержащее устройство для вдува и отсоса газа, соединенное трубками с соответствующими отверстиями и снабженное регулирующими клапанами (Патент US 6298658 B1, МПК F02K 1/00, 2001).
Недостатком этого способа УВТ и устройства являются небольшие величины управляющих сил из-за отмеченного выше ограничения по интенсивности вдува газа, так как вдув и отсос газа осуществляются в симметричном сверхзвуковом сопле. Кроме того, поперечный вдув газа в основной поток происходит не навстречу основному потоку сопла и из отверстий неоптимальной формы.
Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств для управления вектором тяги реактивного двигателя.
Техническим результатом изобретения является увеличение управляющих сил в сверхзвуковом сопле реактивного двигателя.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе управления вектором тяги реактивного двигателя с помощью создания управляющих сил в сверхзвуковом сопле, состоящем в повышении давления на боковой поверхности сопла путем поперечного вдува газа в его сверхзвуковую часть и понижении давления на противолежащей поверхности для увеличения управляющей силы, причем понижение давления осуществляют путем отсоса газа, а отсасываемый газ используют для поперечного вдува, используют симметрично расположенные насадки с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, являющиеся продолжением основной части сверхзвукового сопла, вдув осуществляют на поверхности насадка, а понижение давления - на поверхности противолежащего насадка и основной части сопла, причем для изменения направления действия управляющей силы вдув и отсос осуществляют попеременно с поверхности любого насадка.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что сверхзвуковое сопло реактивного двигателя с управляемым вектором тяги с отверстиями для вдува газа и отверстиями для отсоса газа на внутренней поверхности, содержащее устройство для вдува и отсоса газа, соединенное трубками с соответствующими отверстиями и снабженное регулирующими клапанами, содержит насадки с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, симметрично расположенные относительно оси сопла, с круглыми отверстиями для отсоса газа и расположенными рядами на краю насадков прямоугольными отверстиями для вдува газа, причем большая сторона прямоугольных отверстий перпендикулярна оси сопла, а круглые отверстия для отсоса газа дополнительно расположены на основной части сопла.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что в сверхзвуковом сопле реактивного двигателя с управляемым вектором тяги устройство для вдува и отсоса газа выполнено в едином блоке.
Реализация предложенных способа и устройства поясняется чертежами, на которых, в частности, представлены:
фиг.1 - основная часть сверхзвукового сопла с насадками для двигателя с УВТ;
фиг.2 - формы насадков, на которых производятся вдув или отсос газа;
фиг.3 - расположение и формы отверстий для отсоса и вдува газа;
фиг.4 - схема вдува струи в сверхзвуковой поток.
Отметим, что на ЛА может располагаться один или несколько предложенных двигателей с УВТ, которые могут действовать комбинированно или независимо друг от друга. Работу устройства рассмотрим на примере единичного двигателя.
Осуществление предложенного способа создания управляющих сил проиллюстрируем на примере работы двигателя со сверхзвуковым соплом с насадками, имеющими ступенчатые срезы выходного сечения (фиг.1). Сопло содержит основную часть 1 для ускорения сверхзвукового потока, насадки 2 и 3 для вдува и отсоса газа. Насадки могут быть выполнены со ступенчатым срезом (фиг.2а), с косым срезом (фиг.2б) или с комбинацией косого и ступенчатого срезов (фиг.2в и фиг.2г).
Ступенчатый срез (фиг.2а) характеризуется длиной L и высотой H ступеньки. Косой срез (фиг.2б) характеризуется углом Ψ, который может изменяться в диапазоне 0<Ψ<90° (угол Ψ=90° - соответствует симметричному соплу).
Длина ступенчатого среза L и его высота Н и угол косого среза Ψ выбираются из условия, чтобы при максимально интенсивном вдуве газа сверхзвуковое течение в основной части сопла не разрушалось.
На внутренней поверхности насадков 2 и 3 расположены отверстия 4 и 5 соответственно для вдува и отсоса газа. Отверстия 4 и 5 соединены трубками 6 через клапаны 7 с устройством 8 для отсоса и вдува газа. В качестве устройства 8 может быть использован насос, компрессор или эжектор. В последнем случае в качестве эжектирующей струи можно использовать газ из камеры сгорания или сжатый воздух из газодинамического тракта двигателя. Для обеспечения вдува газа статическое давление во вдуваемой струе должно превышать статическое давление в потоке из реактивного сопла в области, где осуществляется вдув.
Для изменения направления управляющей силы на противоположное с помощью клапанов 7 и устройства 8 для отсоса и вдува газа меняются функции насадков: на части 2 осуществляется отсос газа, а на части 3 - вдув.
При вдуве в сверхзвуковую часть сопла на управляющее усилие влияет ряд факторов: угол наклона оси вдуваемой струи, форма и расположение отверстия инжекции, интенсивность вдува и т.д.
Для целей вдува на насадках 2 и 3 имеются щелевые отверстия прямоугольной формы 4, большая сторона которого перпендикулярна оси сверхзвукового сопла (фиг.3), выдуваемые через такие щелевые сопла струи лучше тормозят сверхзвуковой поток, чем струи из круглых отверстий равной площади.
Положение щелей вдоль оси сопла зависит от расчетного числа Маха на выходе основной части сопла и определяется условием, чтобы при максимальном вдуве газа не разрушалось течение в основной части сверхзвукового сопла. С другой стороны щели для вдува надо располагать на краю насадков, чтобы зона разрежения, которая образуется за отверстием вдува, оказалась вне поверхности насадка, где осуществляется вдув.
Щелевые отверстия вдува для лучшего торможения сверхзвукового потока при минимальном расходе вдуваемого газа располагаются в два и более рядов в шахматном порядке с перекрытием сверхзвукового потока (фиг 3).
у
На величину управляющей силы Р существенно влияет угол α наклона оси отверстия вдува 9 относительно стенки сопла 10, равный (фиг.4)
α=π/2+β+γ,
где β - угол наклона стенки сопла по отношению к ее оси,
γ - острый угол между осью отверстия вдува и нормалью к оси основного сопла.
С ростом α увеличиваются площадь зоны отрыва и среднее давление в ней. Вместе с тем становится больше и угол γ, что уменьшает реактивную составляющую управляющей силы, вызванную истечением струи из отверстия вдува. Для получения наибольшего усилия принимают угол α≈3π/4 (Основы прикладной аэрогазодинамики. Книга 2, под ред. Краснова Н.Ф., М.: Высшая школа, 1991 г., с.232-233).
Как было сказано выше, при вдуве на несимметричной части сопла нет ограничений на интенсивность вдува.
Для целей отсоса газа форма щелей не столь важна, и для простоты их можно делать круглыми. Отверстия для отсоса газа располагаются на основной части сопла и на насадках. Число отверстий для отсоса и вдува газа определяется требуемой максимальной величиной управляющей силы.
Устройство работает следующим образом. После запуска двигателя для получения управляющей силы осуществляют отсос газа с внутренних поверхностей основной части сопла 1 и насадка 3 и с помощью устройства 8 вдувают этот газ с внутренней поверхности насадка 2 навстречу потоку из основной части сопла 1 (стрелками 11 и 12 на фиг.4 показаны соответственно направления потока внутри сверхзвукового сопла и вдуваемого потока), причем поверхности, на которых происходит отсос газа, противолежат поверхности насадка, на котором осуществляется вдув газа.
Отсос газа в сверхзвуковой части сопла имеет эффект расходного сопла, в котором соотношение между параметрами определяется соотношением:
2
(М-1)dw/w=-dG/G,
где М, w и dw - соответственно число Маха, скорость и изменение скорости потока в сечении отсоса, G и dG - соответственно величина расхода и изменение расхода из-за отсоса газа. Учитывая, что в сверхзвуковой части сопла М>1, a dG<0, из вышеприведенного соотношения следует, что скорость потока растет dw>0.
Увеличение скорости потока приводит к падению давления по сравнению с вариантом без отсоса, причем возникающие в результате отсоса силы совпадают по направлению с силами, возникающими из-за вдува газа на противоположной стороне сопла. Таким образом, все три компонента управляющей силы: разрежение, вызванное отсосом газа; повышение давления на противоположной поверхности, вызванное вдувом газа; реактивная сила, вызванная истечением газа через отверстия вдува - все они действуют в одном направлении, что позволяет получить управляющие усилия, превышающие силы, реализуемые при наличии только вдува газа той же интенсивности.
Учитывая отсутствие ограничений на интенсивность вдува, предлагаемые способ и устройство получения управляющей силы могут применяться не только для управления вектором тяги двигателя, но и в качестве силовой установки ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки.
Отметим, что выше мы в качестве примера рассматривали создание управляющих усилий в вертикальной плоскости, т.е. для целей получения подъемной силы. Можно получить управляющие усилия в любой плоскости, добавляя соответствующую пару насадков с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, симметрично расположенных относительно оси сопла. Комбинируя управляющие усилия, можно добиться управления ЛА по любому направлению.
Предлагаемые способ и устройство УВТ отличаются быстродействием, недоступным таким аналогам, как поворот двигателя или сопла, так как скорость изменения вектора тяги здесь определяется временем срабатывания клапанов.