КОНВЕРГЕНТНОЕ ВОЗДУХОЗАБОРНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к авиационной технике, а именно к разработке конструкций высокоскоростных гражданских летательных аппаратов (ЛА), с интегрированной силовой установкой (СУ) на водородном топливе. В воздухозаборном устройстве (ВЗУ) высокоскоростного прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) обеспечивается внешнее сжатие воздуха перед попаданием в камеру сгорания (КС). ВЗУ должно запускаться на расчетных режимах и обеспечивать потребные параметры на входе в КС. Вследствие сложной газодинамики гиперзвуковых течений разработка ВЗУ, имеющего низкий коэффициент потери полного давления, для гиперзвуковых ЛА является сложной задачей.
Известно воздухозаборное устройство силовой установки гиперзвукового летательного аппарата (RU №2522661, МПК B64D 33/02, 23.11.2012).
Устройство содержит ступенчатый горизонтальный клин торможения, наружную обечайку и внутреннюю перегородку, образующие два проточных тракта. Устройство предназначено для торможения потока набегающего воздуха. Заторможенный поток попадает в осесимметричный проточный тракт. Устройство неприменимо для высокоскоростных ЛА плоской конфигурации типа «волнолет».
Известно воздухозаборное устройство с заглушкой воздушно - реактивного двигателя (RU №137339, МПК F02C 7/00, 10.02.2014).
Устройство содержит несколько панелей сжатия для торможения набегающего потока воздуха перед входом в плоский проточный тракт подфюзеляжного расположения. Панели сжатия закрыты заглушкой обтекаемой аэродинамической формы для защиты элементов регулирования и распределения маршевого топлива на стартовом режиме. Устройство неприменимо для гиперзвуковых ЛА с надфюзеляжным расположением проточного тракта, имеющего эллиптическое поперечное сечение.
Наиболее близким к заявленному устройству, принятому за прототип, является воздухозаборное устройство, разработанное в проекте LAPCAT-MR2, и описанное в статье "Air intake design for the acceleration propulsion unit of the LAPCAT-MR2 hypersonic", опубликованной в сборнике трудов 5-й Европейской конференции по аэронавтике и наукам о космосе (http://coneress.cimne.com/eucass2013/admin/files/fileabstract/a414.pdf). Устройство имеет плоскую поверхность на входе и изоэнтропическую поверхность сжатия, которая в сечении представляет собой незамкнутый эллипс с закругленными боковыми стенками, и замкнутый проточный тракт - «горло», соединяющий тракт ВЗУ с КС. Данное ВЗУ рассчитано на крейсерский режим полета со скоростью, соответствующей числу Маха M=7,4 и обеспечивает торможение потока на этом режиме до числа Маха M=3 в горле ВЗУ эллиптического сечения.
Недостатками прототипа являются:
1. Сложность изготовления, так как изоэнтропическая поверхность является существенно трехмерной и может быть изготовлена только путем вытачивания из цельного куска металла на пятикоординатном станке, либо методом трехмерного прототипирования.
2. Чувствительность к изменению углов атаки и скольжения. В зависимости от выбранной траектории полета гиперзвуковой ЛА находится под различными углами атаки и скольжения к потоку набегающего воздуха, а ВЗУ должно обеспечивать поступление воздуха в камеру сгорания с необходимыми параметрами на всех режимах.
Задачей и техническим результатом полезной модели являются
- разработка конвергентного ВЗУ эллиптического поперечного сечения для обеспечения торможения набегающего потока;
- обеспечение технологичности изготовления ВЗУ;
- обеспечение работоспособности ВЗУ в заданном диапазоне углов атаки и скольжения и параметров набегающего потока.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в конвергентном воздухозаборном устройстве, содержащем поверхность сжатия, образующую в поперечном сечении незамкнутый эллипс, и проточный тракт - «горло», имеющее в поперечном сечении форму замкнутого эллипса, поверхность сжатия и горло выполнены из стальных листов, загнутых таким образом, чтобы образовать незамкнутый эллипс для поверхности сжатия и замкнутый эллипс для горла, и соединенных между собой посредством аргонно-дуговой сварки.
На фиг. 1 приведена схема конвергентного воздухозаборного устройства.
Конвергентное ВЗУ содержит три панели сжатия 1, 2, 3, образующие проточный тракт незамкнутого эллиптического сечения, а также содержит проточный тракт - «горло» 4 замкнутого эллиптического сечения, соединяющий тракт конвергентного ВЗУ с КС. Кроме того, конвергентное ВЗУ содержит силовые элементы: стрингеры и шпангоуты (на фиг. 1 не показаны) и обшивку 5, предназначенную для снижения аэродинамического сопротивления конвергентного воздухозаборного устройства. Панели сжатия проточного тракта и горло конвергентного воздухозаборного устройства выполнены из стальных листов, которые посредством гибки приобрели форму конуса, представляющего в сечении незамкнутый эллипс для панелей сжатия и замкнутый эллипс для горла. Конструкция является сборной, состоящей из нескольких частей, которые просты в изготовлении, что обеспечивает высокую технологичность изготовления.
Технологически сборка разбита на 6 секций. Конструкция является полностью сварной, элементы соединены друг с другом посредством аргонно-дуговой сварки. Сборка осуществляется следующим образом: сначала собирается каркас путем сварки шпангоутов со стрингерами, затем на каркас помещаются и привариваются панели сжатия и горловая секция, после чего на каркас приваривается обшивка.
Предложенное устройство работает следующим образом. Набегающий с гиперзвуковой скоростью поток тормозится в скачке уплотнения, возникающем при попадании потока на кромку панели 1, в скачке уплотнения уменьшается скорость потока и происходят потери полного давления. Следующий скачок уплотнения возникает на линии соединения панелей 1 и 2. Угол наклона панели 2 относительно строительной оси выполнен большим, чем панели 1 для обеспечения сходной интенсивности скачка уплотнения. Третий скачок уплотнения инициируется переходом от панели 2 к панели 3. Затем заторможенный поток поступает в горло 4 конвергентного ВЗУ, которое присоединяется к КС. Течение в конвергентном ВЗУ является существенно трехмерным. Поток в горле осредненно сверхзвуковой, но имеет дозвуковые зоны, расположенные симметрично продольной плоскости симметрии. Параметры в горле конвергентного ВЗУ зависят от параметров набегающего потока, углов атаки и скольжения.
Предлагаемое конвергентное ВЗУ прошло испытания в стендовых условиях при моделировании полетных условий. Конвергентное ВЗУ показало свою работоспособность в широком диапазоне параметров набегающего потока.
- сборная конструкция, состоящая из простых в изготовлении частей, более технологична по сравнению с цельными конструкциями и существенно уменьшает временные и финансовые затраты;
- представленный проточный тракт спрофилирован так, чтобы обеспечивать такие же интегральные параметры в горле конвергентного ВЗУ, как и тракт с изоэнтропической поверхностью сжатия;