Применения ВРД в ЛА ближней атмосферной зоны
Турбореактивный двигатель
Значения удельного импульса ВРД
1, 2 – ТРД; 3 – ПВРДЖ 4 – РПДТ; 5 – ГПВРД; 6 – РДТТ
Объективными предпосылками использования ВРД и о в частности ПВРД, на ЛА рассматриваемых классов является движение в плотных слоях атмосферы, позволяющее реализовать его энергетические преимущества по сравнению с РДТТ. Это объясняется тем, что удельный импульс тяги любой разновидности ВРД существенно выше, чем у РДТТ.
Показаны предпочтительные у области применения различных типов ВРД и соответствующие им значения удельных импульсов тяги.
В таком ПВРД имеется газогенератор, в котором происходит газификация топлива, имеющего незначительное количество окислителя в своем составе, с формированием продуктов газогенерации, имеющих также большой дефицит окислителя. Поэтому основная реакция горения происходит в камере дожигания, куда из ВЗУ с воздухом поступает кислород, необходимый для дожигания продуктов газогенерации.
Функциональная схема ПВРД газогенераторного типа (РПД)
ПВРД в составе ЛА ближней зоны
Функциональная схема ПВРД безгенераторного типа (ПВРД открытой схемы)
Функциональная схема ПВРД безгенераторного типа (ПВРД открытой схемы)
Основным параметром ВРД является его тяга , которая определяется следующей классической зависимостью:
R = (Gв +Gт )Va −GвVн + Fa (pa − pн )− Xд
здесь Gв |
- расход воздуха через ВЗУ; Gт - расход |
топлива; |
Va - скорость газообразных продуктов в |
выходном сечении сопла; Vн - скорость потока; F - площадь выходного сечения сопла;
pa - давление в выходном сечении сопла; pн - давление невозмущенного потока;
X - сопротивление воздухозаборного устройства
ПВРД в общем случае состоит из воздухозаборного устройства (ВЗУ), камеры сгорания (КС), реактивного сопла (РС), систем топливоподачи, агрегатов и систем автоматики и имеет довольно большое разнообразие функциональных схем
В данном ПВРД камера сгорания используется для хранения и горения твердого топлива (горючего) при его обтекании атмосферным воздухом.
Особенности использования РПД в ЛА ближней зоны
|
ЗУР 3М9 с РПД |
|
|
УАС с РПД |
РС СЗО с РПД |
Бикалиберная ракета с РПД |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
•аэродинамическая схема |
• |
|
Наличие начальной скорости |
•большие объём и удлинение |
•большие объём и удлинение |
|
|
|
«поворотное крыло»; |
• |
|
полёт на активном участке |
двигателя (камеры |
|
двигателя; |
|
|
•надкалиберное ВЗУ; |
|
|
траектории с малыми |
дожигания); |
|
•размещение надкалиберного |
|
|
•большие объём и |
|
|
•полёт на активном участке с |
ВЗУ в месте перепада калибров; |
|
||
|
|
|
угламиатаки. |
|
||||
|
удлинение двигателя. |
|
|
малыми углами атаки. |
|
•большая пропускная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
способность ВЗУ; |
|
|
ПРЕИМУЩЕСТВА |
|
|
|
|
|
•отделение двигателя по |
|
|
|
|
|
|
|
|
окончании активного участка |
|
|
|
|
|
|
|
|
траектории; |
|
|
|
|
|
|
|
|
•полёт на активном участке |
|
|
•Непредсказуемая |
|
|
|
|
|
траектории с относительно |
|
|
• |
|
малые объём и удлинение |
|
|
малыми угламиатаки. |
|
|
|
траектория с большими |
|
•большие возмущения при |
|
|
|
||
|
|
|
камеры дожигания; |
|
|
|
||
|
углам атаки; |
• |
|
переходном режиме работы |
|
|
|
|
|
|
большие стартовые |
|
|
|
|||
|
•трудности размещения |
|
|
перегрузки; |
двигателя; |
|
|
|
|
ВЗУ; |
• |
|
•сложность формирования |
|
|
|
|
|
|
сложность формирования |
|
НЕДОСТАТКИ |
||||
|
•дополнительное |
|
|
|||||
|
|
|
надкалиберных ВЗУ; |
надкалиберных ВЗУ; |
|
|
|
|
|
аэродинамическое |
• |
|
•повышенное |
|
•сложная конфигурация ВЗУ со |
|
|
|
|
повышенное |
|
|
||||
|
сопротивление на |
|
аэродинамическое |
|
сливом пограничного слоя; |
|
||
|
|
|
аэродинамическое |
|
|
|||
|
пассивном участке |
|
|
сопротивление на пассивном |
•размещение аэродинамических |
|
||
|
|
|
сопротивление на пассивном |
|
||||
|
траекториишенное |
|
|
участке траектории. |
|
поверхностей перед ВЗУ. |
|
|
|
|
|
участке траектории |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Перспективы применения ПВРД и УАС
К настоящему моменту в мире не существует принятого на вооружение УАС с ПВРД, хотя такие разработки ведутся и наиболее продвинуты они для неуправляемых артиллерийских снарядов Однако, следует отметить, что предпочтение в применении ПВРД, как средства увеличения дальность полета, несомненно следует отдавать управляемым снарядам В последнее время для них, благодаря освоению систем наведения с коррекцией по сигналам спутниковой навигации, существенно повысилась точность наведения, причем, независимо от дальности полета.. Это диктует необходимость сосредоточения усилий разработчиков перспективных УАС на внедрении эффективно работающих РПД, адаптированных к особенностям данного класса ЛА.
Физическая модель процессов, происходящих при функционировании РПД
В упрощенной постановке тягу РПД можно определить |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
как |
|
|
|
|
|
P = CR Fдвq, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
гдеCR– коэффициент тяги, зависящий от внешних |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
условий (скорость и высота полета), геометрических |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
параметров двигателя и энергетических характеристик |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
топлива; |
|
Fдв |
|
– площадь поперечного сечения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
двигателя; |
|
|
q |
– скоростной напор. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
В наиболее общей формулировке выражение для |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 fвх |
|
|
f (λa ) |
|
fa |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
определения коэффициента тяги РПД имеет вид: |
|
|
|
CR = |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 (fа |
− fвх ), |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
σдв |
f (λн) fвх |
−1 − |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
где fвх = |
|
Fвх |
|
- площадь входного отверстия диффузора, |
|
|
|
|
|
kM н r(λн) |
|
|
|
kM н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
дв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
отнесенная к площади поперечного сечения двигателя; |
|
|
|
|
|
|
|
Удельная тяга РПД набегающего потока с постоянным расходом |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
fa = |
Fa |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
площадь выходного сечения сопла второго контура, |
|
|
|
|
|
газа из ГГ, постоянной высотой полета и неизменной площадью |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fдв |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
диффузора может в 3 раза превосходить удельную тягу РДТТ и |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
отнесенная к площади поперечного сечения двигателя; |
k – |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
чем выше полетная скорость, тем эффективнее работает РПД |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
показатель адиабаты; M– число Маха невозмущенного потока; |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
здесь газодинамические |
k −1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
9000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
функции; |
|
|
|
|
|
|
1− |
|
|
|
λ |
|
|
|
|
|
|
k −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
k −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r(λ) = |
|
k +1 |
|
|
и |
f (λ) = (1 |
+ λ |
|
)1 − |
|
λ |
|
|
|
|
|
|
8000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k +1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1+ λ |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
λ– - относительная скорость невозмущенного потока; |
λa |
– |
|
|
|
|
|
м/с |
|
6000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
относительная скорость потока в выходном сечении сопла второго |
|
5000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P0г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
уд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
контура; |
|
σ |
дв |
= |
– - коэффициент восстановления давления, |
|
|
|
|
|
J |
|
4000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
P0н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
представляющий собой отношение полного давления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
потока на выходе из двигателя к полному давлению |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
невозмущенного потока. Для вычисления входящих в выражение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
для коэффициента тяги величин используются законы сохранения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
массы, количества движения, энергии, а также уравнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V, м/с |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
состояния. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Основная логика проектирования УАС с РПД
Основная трудность размещении РПД в составе УАС - отсутствие свободного объема для камеры дожигания
Заданной является общая длина РПД Целью оптимизации параметров РПД является
достижение максимального суммарного (полного) импульса тяги РПД путем наиболее рационального сочетания массы топливного заряда газогенератора , характеризуемого его длиной при торцевом горении , и свободного объема камеры дожигания, так же определяемого ее длиной
Суммарный импульс РПД упрощенно можно определить по зависимости, где – удельный импульс РПД, м/с; η– коэффициент
дожигания газообразной смеси (КПД). Раскрывая эту зависимость. получим
Беря производную и приравнивая ее нулю, получим выражение для определения оптимального значения х, используя логарифмическую функцию аппроксимации
Для УАС Краснополь с относительным удлинением 9.2 общей длинной Lоб = 0,41 м, диаметром камеры дожигания Dкд =0,13 м и количеством сопел газогенератора 9. численным решением получим x= Lз =0,232…0,23 м (η = 0, 6.)
Аэродинамический облик УАС с кормовым РПД, |
|
интегрированным в него калиберное 4 канальное ВЗУ |
Картина течения основного (красным |
кольцевого типа: а. 1 – носовая часть; 2 – сужение фюзеляжа |
цветом) и сливаемого (синим цветом) |
перед ВЗУ; 3 – ВЗУ с камерой дожигания; 4 – блок |
потока в калиберном |
стабилизаторов |
4 канальном ВЗУ кольцевого типа |
|
|
|
|
Соединительная |
|
Обечайка с |
Основание корпуса |
Внешняя |
Разделительное |
вилка |
|
1 |
|||||
обратной |
ВЗУ |
обечайка ВЗУ |
кольцо ВЗУ |
Прогнозируемые траектории полета УАС с РПД
Зависимость дальности полета от коэф. дожигания
Зависимость дальности полета от типа ВЗУ при η= 0,5
Конструктивная схема механизма трансформации
Конструктивная схема механизма начальной фиксации: 1 – цанга; 2 – корпус накопительной камеры; 3 – разрывной дроссельный болт-втулка;
А – поверхность сопряжения.
Конструктивная схема механизма сброса поддона: 1 – внутренний объем накопительной камеры; 2 – разрывной дроссельный болт-втулка; 3 – корпус накопительной камеры; 4 – цанга; 5 – поддон.
Конструктивная схема механизма трансформации
Конструктивная схема механизма осевого перемещения внешней оболочки корпуса РПД: 1 – направляющая; 2 – штифт; 3 – начальный свободный объем камеры дожигания РПД; 4 – форкамерное устройство; 5 – цанга; 6 – разрывной дроссельный элемент болт - втулка
Конструктивная схема механизма стопорения: 1,2 – корпус; 3 – фиксатор; 4 – упор; 5 – колпачок; 6 – ось пружины; 7 – болт; 8 – пружина; 9 – ось фиксатора; 10 – гайка; 11 – болт; 12 - направляющая