СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ДОННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ОТСОСА ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ПОДВИЖНЫХ, НАПРИМЕР, МЕТАЕМЫХ, ТЕЛ В ФОРМЕ СНАРЯДА ИЛИ ПУЛИ С ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ОЖИВАЛЬНОЙ ИЛИ ЗАОСТРЁННОЙ НОСОВОЙ ЧАСТЬЮ И ТЕЛО В ФОРМЕ СНАРЯДА ИЛИ ПУЛИ С ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ОЖИВАЛЬНОЙ ИЛИ ЗАОСТРЁННОЙ НОСОВОЙ ЧАСТЬЮ
REDUCTION OF BASE DRAG AND BOUNDARY LAYER SUCTION OF MOVABLE, FOR EXAMPLE, THROWN BODIES, SAID PROJECTILE OR BULLET OF, PRIMARILY, OGIVAL OF SHARPENED NOSE PART AND BODY, SAID PROJECTILE OR BULLET OF, PRIMARILY, OGIVAL OF SHARPENED NOSE PART

Предлагаемое изобретение относится к области ракетостроения, артиллерии, авиации, а также к иным областям техники, предусматривающим использование тел, перемещающихся в газовой и/или жидкостной среде.
Общеизвестны и широко освещены в научной и технической литературе проблемы создания и преодоления сил сопротивления, улучшения аэродинамических характеристик летательных аппаратов протяженной формы. Важным следствием улучшения (оптимизации) аэродинамических характеристик является уменьшение сил сопротивления среды при движении такого объекта. Уменьшение сил сопротивления представляет собой одну из главных задач, возникающих при проектировании конкретного объекта: снаряда, пули, мины, ракеты, подвесного топливного бака, части летательного аппарата или же иного устройства. Одной из составляющих сил сопротивления воздействующих на подвижный объект является донное сопротивление. Донное сопротивление возникает из-за того, что при движении объекта, то есть при полете снаряда, пули, ракеты и т.п. на пассивном участке траектории в донной части возникает разряжение, стремящееся к вакууму. Такое разряжение возникает вследствие выдува (инжектирования) обтекающим потоком среды (воздуха) из донной части или из-за того, что воздух просто не успевает занять освободившееся место за телом. При дозвуковых скоростях пули, снаряда донное сопротивление может достигать 90% общего сопротивления. Для снижения донного сопротивления используется либо сужение хвостовой части подвижного объекта, то есть уменьшение площади днища, либо установка в хвостовой части подвижного объекта газового генератора. Так как, при установке газового генератора не требуется внесения изменений в конструкцию подвижного объекта, а сама по себе установка газового генератора обеспечивает увеличение дальности полета до 30%, установка газового генератора может быть рассмотрена, в качестве более приемлемого средства снижения донного сопротивления.
Однако использование описанного выше донного газогенератора также имеет ряд существенных недостатков, известных, например, из описания аналогов изобретения «Способ снижения донного сопротивления артиллерийского снаряда и устройство для его осуществления» по патенту RU 2225976, опубликованному 20.03.2004. При описании ближайших аналогов изобретения по патенту RU 2225976 указано на способ снижения донного сопротивления артиллерийского снаряда, который предусматривает образование горючей смеси и вдув ее в спутную струю снаряда на траектории полета; эжектирование части набегающего потока воздуха в зоны дожигания горючей смеси между пиротехническими зарядами в центральную зону спутной струи. Устройство для снижения донного сопротивления артиллерийского снаряда для осуществления такого способа содержит донный газогенератор, выполненный в виде выемок в хвостовой части, где размещены пиротехнические заряды, разделенные радиальными прорезями, газодинамически связанные с центральным отверстием по оси снаряда (См. патент RU 2191342, опубликованный 20.10.2002). Описанные способ и устройство обеспечивают значительную интенсификацию дожигания горючей газообразной смеси, что приводит к повышению дальности стрельбы.
При этом недостатком описанного в RU 2191342 способа снижения донного сопротивления является то, что расход эжектируемого в спутную струю воздуха набегающего потока зависит от скорости снаряда. Чем больше скорость, тем большее количество воздуха эжектируется через радиальные прорези и центральное отверстие в зону дожигания горючей смеси. При этом в некоторых случаях воздуха (кислорода в воздухе) будет недостаточно для полного сгорания продуктов сгорания пиротехнического заряда, что снижает эффективность его работы. В другом случае количество эжектируемого воздуха будет больше, чем необходимо для дожигания горючей смеси в ближнем следе снаряда. Это ведет к переохлаждению придонного пространства и уменьшает эффективность работы донного газогенератора. Кроме того, при избыточном вдуве воздуха набегающего потока наблюдается увеличение скорости горящих частиц и быстрый их унос из пределов придонного пространства. А это, в свою очередь, снижает эффективность работы донного газогенератора, снижая дальность стрельбы. Таким образом, очевидно, что использование донного газогенератора имеет принципиальный, неустранимый недостаток, а именно: наличие пиротехнического заряда, необходимость его своевременного поджига и обеспечение его оптимального горения при изменяющихся условий полета, удорожание в производстве и хранении. То есть оснащение подвижного объекта газогенератором может стать потерей его управляемости, увеличением рассеивания и общим снижением его надежности из-за необходимости управления двумя агрегатированными друг с другом подвижными объектами.
Из патента RU 2373484, опубликованного 20.11.2009, известны способ и устройство, обеспечивающие движение оживального тела - артиллерийского снаряда. В RU 2373484 предложено отказаться от обязательного использования донного газогенератора за счет формирования лобового воздухозаборника (обратного конуса в носовой части) и канала/каналов, связывающего боковую поверхность и донную часть снаряда. Предложенные боковые канал/каналы служат для неуправляемой инжекции из окружающей среды дополнительных масс воздуха в сопло для увеличения импульса реактивной струи и отводятся от боковой части, прилегающей к хвосту снаряда, в диффузор сопла Лаваля, расположенного в донной части, при этом в конфузор, критическое сечение сопла Лаваля подается закручиваемый динамический поток воздуха, взятый из носовой части. Снаряд, описанный в RU 2373484, характеризуется сложной конструкцией, требующей высокой точности изготовления, имеет совершенно другие, чем описанные ниже, физические процессы преобразования встречного, динамического потока. Кроме того, известное из RU 2373484 решение не сможет быть использовано в иных, не вращающихся подвижных перемещающихся телах протяженной конструкции: снаряда, пули, мины, ракеты, подвесного топливного бака, части летательного аппарата и т.п., так как обязательным условием осуществления способа по RU 2373484 является огромная скорость вращения для работоспособности специальных лопаток в критическом сечении сопла Лаваля (создается некий аналог труднорегулируемого компрессора).
В свою очередь, предлагаемое изобретение представляет собой дальнейшее совершенствование средств и технологий улучшения аэродинамических характеристик подвижных средств и позволит оптимизировать аэродинамические характеристики, обеспечив снижение донного сопротивления и отсос пограничного слоя, подвижного (метаемого) объекта, обладающего формой снаряда или пули, то есть артиллерийского снаряда, пули, артиллерийской мины, ракеты, подвесного топливного бака, части летательного аппарата и т.п., при сохранении общей надежности объекта. Указанное выше улучшение аэродинамических характеристик будет достигнуто в первую очередь за счет снижения донного сопротивления и отсоса пограничного слоя с боковой поверхности.
Ожидаемый технический результат достигается при использовании предложенного способа снижения донного сопротивления и отсоса пограничного слоя подвижных, например метаемых, тел в форме снаряда или пули с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью, включая снижение донного сопротивления и отсоса пограничного слоя с боковой поверхности и предложенного тела в форме снаряда или пули с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью.
Предложенный способ снижения донного сопротивления и отсоса пограничного слоя подвижных, например метаемых, тел протяженной конструкции в форме снаряда с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью, включая снижение донного сопротивления и отсоса пограничного слоя с боковой поверхности, предусматривает формирование, по меньшей мере, одного канала, связывающего боковую поверхность и донную часть упомянутого тела. Соответственно, в предложенном теле протяженной конструкции в форме снаряда или пули с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью, боковая поверхность и донная часть связаны, по меньший мере, одним каналом. Упомянутое протяженное тело выполняют осесимметричным, например, в форме тела вращения. Каналы (канал), связывающие боковую поверхность и донную часть, оборудуют средствами управления движением тела, преимущественно расположенными в месте подвода данного канала к донной части. В упомянутом канале, в месте его подвода к донной части может быть расположена отделяющаяся заглушка либо обратный клапан или же твердотопливный разгонный двигатель. Может быть предусмотрен впрыск в канал жидкой и/или газообразной среды и соответствующие средства для него. Также, в месте подвода упомянутого канала к донной части формируют диффузор. Предложенное изобретение поясняется чертежами.
Фиг.1 - схема, поясняющее возникновение донного разряжения.
Фиг.2 - схема расположения каналов, связывающих боковую поверхность и донную часть подвижного тела.
Предложенная усовершенствованная аэродинамическая конструкция включает протяженное тело в форме снаряда или пули с заостренной или оживальной носовой частью, которое в подавляющем большинстве случаев выполнено осесимметричным и в форме тела вращения. Протяженное тело в форме снаряда или пули представляет собой такой подвижный объект, как ракета, снаряд, пуля, мина, граната, либо часть конструкции летательного аппарата в форме протяженного тела с заостренной или оживальной носовой частью. Боковая поверхность и донная часть выполняются связанными несколькими каналами (в предельном случае связь боковой поверхности и донной части выполняются через один канал), то есть указанные каналы связывают между собой отверстия, расположенные в боковой поверхности и днище. Место подвода канала к донной части оснащается различными средствами, обеспечивающими управление движением объекта: отделяющейся заглушкой либо обратным клапаном или же разгонным твердотопливным ракетным двигателем, расположенными внутри канала, и/или являющегося его частью. Также, для управления параметрами движения объекта может быть предусмотрен впрыск в канал жидкой и/или газообразной среды и соответствующие средства для него. В месте подвода канала к донной части может быть выполнено расширение канала, то есть подводимый к донной части канал завершается диффузором. Количество отверстий на боковой и донной частях подвижного объекта, их форма, размеры, взаимное расположения, а так же каналы, соединяющие их, выбираются исходя из аэродинамических, технологических требований и прочностных расчетов, в соответствии с конструктивными особенностями предложенного тела. При этом пропускная способность каналов (трубопроводов) должна быть достаточна для оптимального и беспрепятственного сообщения между боковой поверхностью и донной частью.
Соответственно, способ снижения донного сопротивления подвижного объекта в форме снаряда или пули с преимущественно оживальной или заостренной носовой частью заключается в формировании совокупности отверстий и каналов, связывающих боковую поверхность и донную часть подвижного объекта. Для предотвращения нежелательного прорыва пороховых газов на боковую поверхность на начальном этапе движения, то есть при выстреле, движении в стволе, стартовом участке траектории можно предусмотреть установку заглушки или обратного клапана в канале в месте его подвода к донной части и т.п. В другом случае для начального этапа движения (старта), в канале в месте его подвода к донной части можно расположить разгонный твердотопливный двигатель, после выгорания заряда топлива канал и сопло такого двигателя будут являться частью канала, соединяющего боковую поверхность и донную часть, сопло же будет соответствовать диффузору, расположенному в месте подвода канала к донной части.
При движении объекта, то есть при полете по пассивной траектории, ракеты, снаряда, пули, мины, гранаты, движении летательного аппарата, часть которого выполнена в форме снаряда или пули, в донной части движущегося объекта начинает возникать разряжение, стремящееся к вакууму. При этом статическое давление на боковой поверхности движущегося объекта будет выше давления в его донной части. Благодаря отверстиям и каналам, связывающим боковую поверхность и донную часть, происходит выравнивание давления, за счет подсоса воздуха с боковой поверхности в донную часть, то есть всасывания в донную часть дополнительного количества воздуха (или же иной среды). В итоге давление в донной части подвижного объекта будет всегда равно статическому давлению на его боковой поверхности (или стремиться к этому), что практически полностью устранит донное разряжение (донное сопротивление). Одновременно с выравниванием давлений на боковой поверхности и донной части будет происходить отсос пограничного слоя с боковой поверхности, что также будет выгодно для аэродинамики полета. При этом очень выгодно, что способ является саморегулируемым на всех скоростях полета (движения). Для управления описанным процессом отсоса воздуха с боковой поверхности, увеличения донного реактивного импульса предусматривают впрыск в каналы, соединяющие боковую поверхность и донную часть жидкой и/или газообразной среды. Для впрыска может быть использована как горючая, так и негорючая среда, например, в режиме движения по траектории.
Таким образом, предложена технология уменьшения и/или практически полного устранения донного сопротивления с одновременным отсосом пограничного слоя с боковой поверхности при перемещении подвижного протяженного объекта, подобного снаряду или пуле. В итоге будут повышены (улучшены) эксплуатационные характеристики подвижных объектов: ракет, снарядов, пуль, мин, гранат, частей летательных аппаратов и т.п. при сохранении их общей надежности, что позволит увеличить их дальность и среднюю скорость полета.