ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ЭЛЕМЕНТОВ КОМБИНИРОВАННОГО ВОЗДУШНО-РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

В мировом и отечественном ракетостроении учеными рассматривается ряд задач по решению вопроса оптимального движения летательного аппарата(ЛА) как в воздушном, так и в космическом пространстве. Исключительно остро стоит вопрос о введении новых конструкторско-технических новшеств по разработке новых типов движителя, использующихся в авиационно-космической отрасли.

При изучении перспективного направления, возник вопрос о решении одной из главных технических проблем- создании энергетической силовой установки, работающей как в воздушном(атмосферном), так и в безвоздушном(вакуумном) пространстве.

Актуальность данной проблемы обусловлена постоянной гонкой в развитии передовых средств космической и авиационной направленности, в гражданском и военном применении и не спадающей конкуренцией со стороны мировых стран-лидеров.

За рубежом проектированию двигателей, использующих дополнительно воздушный контур, в последнее время уделяется особое внимание [2, с. 72]: создаются новые схемы, проектируются и испытываются отдельные агрегаты и системы, совершенствуется теория смесеобразования и горения.

Одним из актуальных направлений исследований мирового ракетостроения является применение синтеза двух двигателей на основе эффекта пульсации импульса и применении его на определенных высотах: воздушно-космического (для полета ЛА в атмосфере) и ракетного движителя (для движения ЛА в безвоздушном пространстве). С целью выбора наиболее оптимальной конструкции, пульсирующего комбинированного воздушно-ракетного двигателя(ПуКВРД) в СВИ РВ были проведены теоретические и экспериментальные расчеты, включающие [3, с. 356]:

• создание теоретических основ пульсирующего горения (математической модели);
• разработку схемы и конструкции пульсирующей камеры сгорания(ПКС) с резонансной трубой для воздушного режима работы;
• выбор способа перевода пульсирующей камеры сгорания, работающей смесеобразных компонентах топлива (керосин + воздух, керосин + газообразный кислород);

В результате исследований была представлена схемо-проектировочная проработка ПуКВРД с различными вариантами ПКС, заключающихся в рассмотрении аэродинамических, газодинамических параметров основных элементов, для решения задач движения в системе околоземного космического пространства(рисунок 1).

Полезное действие ПКС достигается за счет установленного на него универсального комбинированного насадка(УКН) (рисунок 2), который является слиянием в своей компоновке эжекторный увеличитель реактивной тяги(ЭУРТ) и камеры сгорания(КС) с соплом Лаваля(рисунок 2).

Рисунок 1. Схема выбора элемента для КВРД

Рисунок 2. УКН для модели ПКС: 1- «высотное сопло», 2- «земное» сопло, 3- зона КС, 4- зона смесительной камеры ЭУРТ

При качественной работе данных агрегатов необходимо выполнение ими ряда технических и мощностных требований:

• эффективность использования(экономии) топлива должна составлять 20-30 %;
• в зависимости от конструктивных параметров ЭУРТ должен увеличивать развитие тяги в 1,2-2 раза;
• уменьшение тяги в единичном импульсе не должна превышать 2 %;
• масса насадка, включающего сопло Лаваля и ЭУРТ должна составлять до 15% общей массы энергетического движителя;
• использование достаточного объема топлива для предотвращения повышенной массы.

Математическое моделирование позволяет с помощью расчетных формул провести анализ конструктивно-технических параметров ПКС на воздушном и космическом режимах [3].

Таблица 1.

Параметры ПКС на воздушном режиме

Таблица 2.

Параметры ПКС на космическом режиме

В результате получаем, что качественные характеристики рассматриваемой модели с добавленными конструктивными элементами, гораздо выше. Прослеживаются устойчивые пульсирующие значения с частотой около 80 Гц.

После проведения исследования математической модели сконструирована схема ПКС с использованием сопла Лаваля и ЭУРТ(рисунок 3).

Рисунок 3. Схема ПКС с резонансной трубой и соплом Лаваля

В разряженной среде при космическом режиме работы резонансная труба применяется в качестве устройства подачи газовой смеси. Можно предположить, что часть потерь на движение помеси будет проходить за счет сил трения и для поверхности с относительной шероховатостью составит 0,005. Следовательно, влияние его на потерю тяги и давления не будет превышать 1,5 % [1, с. 114].

Комбинированный насадок с соплом Лаваля сдвигается по оси резонансной трубы. Для уменьшения габаритных размеров и удобства в эксплуатации оно выполняется в виде изгиба под углом 110-180 градусов.

Переход в данном случае ПКС в различные режимы осуществляется вручную с помощью гидравлической системы, основанной на электро-шариковом приводе.

Цикл работы заключается в следующем- газовая смесь протекает через резонансную трубу в воздушном пространстве, а в вакуумном пространстве резонансная труба не используется или сопло Лаваля передвигается на срез.

За счет поступающего воздуха из атмосферы, при «воздушном» режиме работы, и импульсного потока газа (V=const) исключается эффект скачкового понижения тяги из-за возникновения зон пониженного давления между импульсами при пульсирующем горении совместной смеси керосина и воздуха (рисунок 4).

Рисунок 4. Работа ПКС на воздушном режиме

Сопло Лаваля, работающее в «космическом» режиме используется на принципе сжигания газообразного кислорода и керосина. При этом кислородная смесь протекает через ПКС, резонансную трубу попадая в ПКС, а горючее методом впрыска вводится в зону горения (p=const) (рисунок 5).

Рисунок 5. Работа ПКС на космическом режиме

В процессе работы тяга может достигать 10-48 кН, что позволяет использовать данную энергетическую схему при создании ЛА горизонтального взлета и посадки, при этом предназначенного как для работы в атмосфере, так и в вакуумном пространстве.

Основным недостатком техники, оборудованной такими КВРД является необходимость большого запаса горючего и жидкого окислителя (газообразного кислорода) на борту, что способствует увеличению стартовой массы и сниженных аэродинамических качеств.

Анализ выше приведенного показывает, что ПуКВРД способен выполнять задачи по повышению удельной тяги и экономичности несмотря на значительные требования по конструкции, оптимальной массе, стоимости, экологическим характеристикам, стабильности и безопасности в работе. Применение таких двигателей на различные летательные аппараты по целевому назначению перспективно и дает большой спектр для дальнейшего развития.

Список литературы:

1. Быченок В.И. Теплотехника рабочего процесса в аппаратах пульсирующего горения, дис. док. тех. наук: Воронеж: ВГТУ, 2004 г.,350 с.
2. Нечаев Ю.Н. Пульсирующий детонационный двигатель – это реальность [Текст] / Ю.Н. Нечаев, А.П. Полев, А.Н. Тарасов // Вестн. Воздушного флота. – М.: 203. №4. – с. 72-76.
3. Солодовников А.В. Исследование пульсирующий камер сгорания и их применение в аэрокосмической технике [Текст] / А.В. Солодовников, Е.А. Вышегородцев, В.В. Голубятник // Вестн. СГАУ.- Самара: 2009. Ч.2 № 3(19). – с. 335-344.