ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ РЕГУЛИРУЕМОГО СВЕРХЗВУКОВОГО ПРЯМОТОЧНОГО ВОДЗУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) является самым простым в классе воздушно-реактивных двигателей (рис. 1). Необходимое для работы двигателя повышение давления достигается за счёт торможения встречного потока воздуха. ПВРД неработоспособен при низких скоростях полёта, для выхода его на рабочую скорость необходим тот или иной ускоритель. Преимуществами ПВРД является простота конструкции и возможность обеспечения больших скоростей полета (для турбореактивных двигателей максимальное значение М≈3).

Рисунок 1. Сравнительная схема турбореактивного двигателя (ТРД) и ПВРД

ПВРД подразделяется на три типа:

1. Дозвуковые ПВРД (М<1).
2. Сверхзвуковые ПВРД (1<M<5).
3. Гиперзвуковые ПВРД (M>5).

Расчет математической модели СПВРД проводился для модели первого уровня (теплоемкость рабочего тела в процессе расчета остается постоянной, течение во входном устройстве и сопле энергетически изолированное) [2].

Тип двигателя – плоский (не осесимметричный). Это обусловлено простотой осуществления регулирования поверхностей (створок).

В качестве режимов регулирования СПВРД были выбраны следующие:

1. Скорость полета – М=1,2 (400 м/с), высота полета – H=10000 м;

2. М=2 (680 м/с), H=15000 м;

3. M=3 (1020 м/с), H=20000 м;

4. M=4 (1360 м/с), H=25000 м;

5. М=5 (1600 м/с), H=30000 м.

Результаты расчета представлены в таблицах 1-5. Также были построены приближенные схемы регулирования СПВРД (рис. 2).

Геометрические размеры двигательной установки:

Длина – 4000 мм;

Ширина – 1500 мм;

Высота – 1200 мм.

Таблица 1.

Характеристики первого режима регулирования

Таблица 2.

Характеристики второго режима регулирования

Таблица 3.

Характеристики третьего режима регулирования

аблица 4.

Характеристики четвертого режима регулирования

Таблица 5.

Характеристики пятого режима регулирования

Рисунок 2. Схемы режимов регулирования СПВРД.

Для оценки тяги СПВРД на разных режимах работы проведено сравнение с ТРД 4-го поколения F110-PW-100 (таблица 6) [3].

Таблица 6.

Сравнение тяги при различных высотах и скоростях полета

Из данного сравнения можно сделать вывод, что для больших сверхзвуковых скоростей полета необходимо использовать СПВРД, т.к. с увеличением скорости потока степень повышения давления торможения за счет воздухозаборника повышается и снижается эффективность компрессора, что приводит к вырождению ТРД.

Регулирование СПВРД для обеспечения расчетных режимов производится путем изменения углов установки поверхностей торможения во входном устройстве (рис. 3) и изменением геометрии сопла (рис. 4).

Рисунок 3 – Схема регулируемого входного устройства:

1 – Слив пограничного слоя; 2 – Поверхность ЛА; 3 – Первая поверхность торможения; 4 – Привод регулирования высоты второй поверхности торможения; 5 – Вторая поверхность торможения; 6 – Регулируемая створка; 7 – Поворотные приводы

Рисунок 4. Схема регулируемого сопла:

1 – Створки; 2 – Механизм наклона створок

Механизмы регулирования предлагается устанавливать в боковых пилонах двигателя (рис. 5).

Рисунок 5. СПВРД вид спереди:

1 – Поверхность летательного аппарата; 2 – Первая поверхность торможения; 3 – Вторая поверхность торможения; 4 – Боковые пилоны

Для решения проблемы отсутствия статической тяги предлагается использовать комбинированную силовую установку (КСУ): турбореактивный двигатель + сверхзвуковой прямоточный двигатель (рис. 6). В качестве ТРД необходимо использовать двигатель 5-го поколения, т.к. они обладают высокими летными характеристиками, при простоте конструкции, например ТРД АЛ-41Ф или P&W F119. ТРД будет работать на скоростях от М=0 до М≈2,5, т.к. при скоростях М>3 происходит вырождения ТРД [1].

Режимы работы КСУ:

1. Дозвуковой (М<1,2) – в работе участвует только ТРД;

2. Трансзвуковой (М≈1,2) – включение в работу СПВРД, ТРД продолжает работать, т.е. КСУ работает в комбинированном режиме;

3. Сверхзвуковой (М≈2,5) – отключение ТРД, СПВРД продолжает работать;

4. Сверхзвуковой маршевый (М=5).

Рисунок 6. Эскиз летательного аппарата с КСУ:

1 –ТРД; 2 – Регулируемый СПВРД

СПВРД рассчитанный в данной работе предлагается использовать на беспилотных летательных аппаратах для больших сверхзвуковых скоростей полета (до М=5).

Список литературы:

1. Бакулев В.И., Голубев В.А. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Издательство МАИ, 2003. – 693 с.
2. Зуев Ю.В., Лепешинский И.А. Приближенный газодинамический расчет сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя: Учебное пособие. – М.: Издательство МАИ, 2009. – 70 с.
3. Пономарев А.Н. Истребитель F-15 (ВВС США): М.: Военное издательство, 1993. – 51 с.