СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ГИПЕРЗВУКОВОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD OF CONTROL OF AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF HYPERSONIC AIRCRAFT

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к способам управления аэродинамическими характеристиками гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА).
В настоящее время традиционные способы и средства обеспечения устойчивости, управляемости и балансировки ГЛА на больших скоростях полета порядка 10…25 М становятся малоэффективными. Действительно, при этих скоростях резко возрастают аэродинамические и тепловые нагрузки на органы управления ГЛА и их приводы, что приводит к большим энергетическим затратам, к утяжелению конструкции и в целом к снижению надежности ГЛА. Кроме того, различные механические элементы управления и конструкции ГЛА, выступающие в набегающий поток, подвергаются повышенным разрушающим механическим и тепловым нагрузкам.
Все сказанное выше свидетельствует о существовании проблемы управления аэродинамическими характеристиками ГЛА и на этой основе положением ГЛА, а также проблемы обеспечения надежности и энергопотребления органов управления ГЛА в полете.
Существующие способы управления положением ГЛА характеризуются высокими энергозатратами, массой и низкой надежностью. К таким способам относится использование классических рулей-элеронов (Гребенков О.А. Конструкция самолетов: учеб. пособие для авиационных вузов. - М.: Машиностроение, 1984, 240 с., с.87). В данном случае требуется прикладывать большое усилие для поворота элеронов при управлении полетом ГЛА, что требует применения приводов с высоким массогабаритными характеристиками, требующих мощных источников электропитания. Все это приводит к снижению надежности органов, управляющих положением ГЛА, и обусловливает необходимость поиска новых способов управления аэродинамическими характеристиками ГЛА при полете с гиперзвуковыми скоростями. Кроме того, выступающие элементы конструкции ГЛА подвергаются тепловым и механическим нагрузкам, способствующим их разрушению. Поэтому также необходим поиск новых способов обеспечения надежности ГЛА при полете с гиперзвуковыми скоростями.
Известен способ управления полетом ракеты и реализующее его устройство, разработанные Циолковским К.Э., когда «управление достигается…перемещением масс, изменяющих положение тяжести. Массы перемещаются с помощью электрического сервомотора» (Рынин Н.А. Теория космического полета. // Межпланетные сообщения. Вып.VIII. - Л., 1932, с.310-311).
Предложенный Циолковским К.Э. способ управления полетом ракеты путем перемещения центра масс всей конструкции в продольной и поперечной плоскостях, изложенный в проекте предложенной им ракеты, нашел свое воплощение в жизнь в баллистической ракете РТ-23 УТТХ («Молодец»), созданной для боевого железнодорожного комплекса (БЖРК), спроектированного в условиях жестких ограничений по габаритам. Эта ракета на этапах работы второй и третьей ступеней управляется путем отклонения головной части на малые величины углов во взаимно перпендикулярных плоскостях (http://rbase.newfactoria.ru/missile/wobb/15g61/15g61.shtml?ip_login_no_cache=942224d4ae5a9eeead92f3f82fd1c0d).
Ближайшим из аналогов по технической сущности к заявляемому объекту является способ управления обтеканием тел (Фомичев В.П., Ядренкин М.А. Экспериментальное исследование эффекта магнитогидродинамического генератора (МГД-генератора) в гиперзвуковом воздушном потоке. Фомичев В.П., Ядренкин М.А. Журнал технической физики, том. 83, вып.1, 2013, с.152-155). МГД-генератор образован двумя замкнутыми через электрическую нагрузку электродами, между которыми протекает ионизированный поток газа, и источником магнитного поля, перпендикулярным плоскости этих электродов.
Этот способ предусматривает использование плоских МГД-генераторов для управления аэродинамическими характеристиками возвращаемых космических аппаратов. Здесь МГД-генератор образован двумя электродами, замкнутыми через электрическую нагрузку, расположенными заподлицо с обтекаемой поверхностью, ориентированными в направлении полета в магнитном поле, создаваемом плоским соленоидом внутри обшивки, выполненной из диэлектрического материала.
В результате взаимодействия между соленоидом, расположенным под обтекаемой поверхностью, набегающим потоком и замкнутыми электродами, выполненными из жаропрочных материалов, в электрической нагрузке выделяется электрическая мощность, используемая для бортовых нужд. При этом направление линий магнитной индукции, направление индуцированного электрического поля между электродами и направление скорости ионизированного потока образуют ортогональную систему координат.
В этом случае в ионизированном потоке свободные электроны перемещаются к одному из электродов в направлении, перпендикулярном направлению движения ионизированного воздушного потока и осаждаются на нем. Поскольку концы электродов замкнуты через электрическую нагрузку, то по этой замкнутой электрической цепи протекает электрический ток и происходит отъем энергии в электрической форме из обтекающего ГЛА ионизированного потока воздуха.
Отъем электрической энергии из ионизированного потока приводит к уменьшению кинетической энергии потока, что приводит к торможению ГЛА, а значит и к падению его температуры и скорости на поверхности ГЛА.
Таким образом, данное взаимодействие трансформирует присоединенный косой скачок уплотнения, генерируемый передней кромкой элементов ГЛА, в прямой. При этом область МГД-взаимодействия эквивалентно увеличению размеров тела, движущегося в воздушном потоке, и обеспечивает увеличение полного аэродинамического сопротивления ГЛА. Здесь объектом управления является ионизированный поток, а управляющим воздействием является подача электрического тока в плоский соленоид. В результате взаимодействия между управляющим магнитным полем, ионизированным потоком и разрядом, происходящим между электродами, происходит изменение положения и формы скачка уплотнения потока, определяющего аэродинамическое сопротивление. Таким образом, осуществляется управление торможением ГЛА на этапе снижения.
На этом принципе основана концепция так называемого МГД-парашюта, предназначенного для снижения скорости спускаемого КА в верхних слоях атмосферы на участке траектории спуска до величин, обеспечивающих достаточно низкий уровень тепловых нагрузок при торможении в более плотных слоях атмосферы.
Данный способ позволяет управлять аэродинамическим сопротивлением спускаемого КА только на участке торможения, что сужает область его использования для решения задач управления полетом ГЛА.
Технической задачей, вытекающей из анализа прототипа, является расширение функциональных возможностей способа управления аэродинамическими характеристиками ГЛА и повышение на этой основе управляемости и надежности ГЛА.
Указанная техническая задача решается тем, что в плоскости симметрии элементов ГЛА, обеспечивающих устойчивость, управляемость и балансировку ГЛА, например оперения, устанавливают магнитоэкранирующие пластины, а управление аэродинамическими характеристиками осуществляют путем подачи тока в плоские соленоиды, которые совместно с электродами располагают симметрично с обеих сторон относительно этих пластин. Это позволяет выборочно включать один или два МГД-генератора, исключая при этом их взаимодействие. Размещение плоского МГД-генератора на элементе управления ГЛА по заявляемому способу изображено на фиг. 1, где приведено размещение в двух проекциях двух плоских МГД-генераторов на оперении ГЛА и приняты следующие обозначения: 1 - элемент оперения ГЛА, 2 - электроды, 3 - соленоид, 4 - полезная нагрузка, 5 - магнитоэкранирующая ферромагнитная пластина. При этом ключевым элементом способа, обеспечивающего это управление, являются управляющие воздействия магнитным полем соленоида плоского МГД-генератора на набегающий ионизированный поток.
Подача управляющего тока на один из плоских соленоидов, например, оперения, приводит к отходу скачка уплотнения с этой стороны и к увеличению давления на ту поверхность оперения, на которой располагают включенный МГД-генератор. В этом случае увеличение магнитного поля, создаваемого соленоидом, трансформирует косой скачок уплотнения в отошедший прямой, отодвигая его от передней кромки. При этом область МГД-взаимодействия обеспечивает значительное увеличение полного аэродинамического сопротивления с той стороны оперения, с которой включен установленный МГД-генератор, что эквивалентно увеличению эффективных размеров этих элементов ГЛА. Таким образом, при реализации заявляемого способа применяют плоские МГД-генераторы для решения задач управления аэродинамикой ГЛА, и на этой основе - положением ГЛА в полете. При этом одновременно происходит снижение тепловых нагрузок на обтекаемую поверхность и увеличение надежности оперения.
Способ реализуется следующим образом. Так при полете ГЛА с большими скоростями на передних кромках конструкции ГЛА, например, крыла или оперения, образуется косой скачок уплотнения термически ионизированного потока воздуха.
В этом случае управление ионизированным потоком, а через него аэродинамическим характеристиками ГЛА осуществляют тем, что в плоскости симметрии элементов ГЛА, например оперения, обеспечивающих устойчивость, управление и балансировку ГЛА, в плоскости симметрии этих элементов ГЛА устанавливают магнитоэкранирующую пластину, выполненную из ферромагнитного материала. Точку Кюри этих материалов выбирают из условия превышения ею рабочей температуры нагрева этих элементов и сохранения ими ферромагнитных свойств при этих температурах. Например, эти пластины изготавливают из кобальта с точкой Кюри, равной 1388°C, что исключает взаимное влияние соленоидов в условиях гиперзвукового полета. С обеих сторон этих пластин симметрично располагают соленоиды и пары электродов.
2
3
2
3
Обшивку оперения выполняют из диэлектрического материала, например из волокнистых керамических материалов на основе волокон AlO (плотной керамики, армированной волокнами AlO), электроды выполняются из жаропрочных материалов, устойчивых к воздействию химически агрессивной высокотемпературной среды (слабоионизированной «холодной» плазмы, обтекающей оперение).
В этих условиях управление аэродинамическими характеристиками ГЛА осуществляют путем подачи тока в плоские соленоиды, которые совместно с электродами устанавливают симметрично с обеих сторон магнитоэкранирующих пластин.
С учетом вышеизложенного управляющие команды от бортовой системы управления в соответствии с заданными программами и режимами полета подают на соответсвующие обмотки соленоидов, которые устанавливают симметрично с обеих сторон относительно магнитоэкранирующих ферромагнитных пластин.
Тем самым обеспечивают возникновение управляющего усилия, направленного перпендикулярно к обтекаемой плоскости, на которой включен МГД-генератор. Величиной данного усилия управляют, изменяя силу тока в плоском соленоиде. Отход скачка уплотнения от корпуса оперения при включенном МГД-генераторе приводит также к снижению нагрева оперения, что способствует повышению его надежности.
При реализации предлагаемого способа управления, например, на крестообразном или Х-образном оперении обеспечивается управление ГЛА в полете по тангажу, рысканию и крену.
В частном случае при включении всех соленоидов обеспечивается аэродинамическое торможение ГЛА и возникает эффект МГД-парашюта, как это реализовано в прототипе.
Предлагаемый способ выгодно отличается тем, что регулируя величину магнитных потоков, создаваемых соленоидами в МГД-генераторах на различных видах элементов ГЛА, обеспечивающих его устойчивость, управляемость и балансировку, например, оперения, управляют аэродинамическими характеристиками, а, следовательно положением ГЛА в полете по тангажу, рысканию и крену.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами: при управлении ГЛА по тангажу (фиг. 2, а и б), по крену (фиг. 3) и рысканию (фиг. 4, а и б). Кружком условно обозначается возмущение ионизированного потока, вызванное плоским МГД-генератором, а расположение кружка относительно оперения указывает на плоскость оперения, на которой установлен управляющий соленоид, исполняющий команду управления.
На чертежах представлен ГЛА с крестообразным оперением. Римскими цифрами обозначены плоскости симметрии ГЛА. Соленоиды расположены по обеим сторонам элементов оперения и обозначаются цифрами 1-1, 1-2 и др. Первая цифра означает номер плоскости симметрии, вторая цифра обозначает порядковый номер соленоида на данном элементе оперения.
Для управления по тангажу (фиг. 2а и 2б) управляющий ток от бортовой системы управления одновременно подают на соленоиды 2-1 и 4-1 (вниз) или 2-2 и 4-2 (вверх). На фиг. 2. приняты следующие обозначения: 1 - оперение, 2 - скачок уплотнения при включенном МГД-устройстве, 3 - ГЛА.
Аналогично для управления по рысканию (фиг. 3) управляющий ток подают на катушки 1-1 и 3-1 (влево) или на соленоиды 1-2 и 3-2 (вправо). На фиг. 3. приняты следующие обозначения: 1 - оперение, 2 - скачок уплотнения при включенном МГД-устройстве, 3 - ГЛА.
Для управления по крену (фиг. 4а и 4б) управляющий ток от бортовой системы управления одновременно подают на соленоиды 1-1, 4-1, 2-2, 3-2 (по часовой стрелке) или на соленоиды 1-2, 4-2, 2-1 и 3-1 (против часовой стрелки). На фиг. 4. приняты следующие обозначения: 1 - оперение, 2 - скачок уплотнения при включенном МГД-устройстве, 3 - ГЛА.
<mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>М</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>у</mi><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow>
На фиг. 2-4 символ
обозначает управляющее усилие, а символ
- возникающий при этом управляющий момент.
Технический результат от заявляемого способа заключается в том, что расширяются его функциональные возможности, поскольку он обеспечивает управление ГЛА по каналам тангажа, рыскания и крена посредством регулирования величины тока в соленоидах, которые располагают симметрично по обе стороны от плоскости симметрии оперения. При этом практически отпадает необходимость иметь специальные электрические или гидравлические приводы и различные выступающие подвижные элементы и специальные источники электропитания для приведения их в действие, так как при реализации предлагаемого способа надобность в них отпадает, что также приводит к повышению управляемости и надежности ГЛА.
К этому следует добавить, что в предлагаемом способе за счет того, что часть кинетической энергии от обтекающего потока происходит снижение нагрева конструкции элементов оперения. При этом МГД-взаимодействие (взаимодействие управляющего магнитного поля соленоида, индуцированного электрического поля между электродами и набегающего ионизированного потока) обусловливает преобразование части кинетической энергии набегающего потока в электрическую энергию, которая выделяется в полезной электрической нагрузке. Все это также обеспечивает повышение надежности элементов, обеспечивающих устойчивость, управляемость и балансировку ГЛА.
Таким образом, благодаря новой совокупности отличительных признаков решается поставленная задача и достигается указанный выше технический результат.