Автореферат (Методика выбора проектных параметров комбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем для малоразмерных БПЛА), страница 3

Допущения, сделанные при их записи, не означаютправомерность пренебрежения остальными качествами БПЛА в иных ситуациях.Всякие допущения приемлемы с позиций анализа требований к БПЛАприменительно к конкретной ситуации, и в этом смысле их пользазаключается в возможности отделить наиболее существенные качества отвторостепенных.Аналогичные примеры рассмотрим применительно к транспортным БПЛА,из анализа требований к которым следуют критерии качества БПЛА какэкономичного средства выполнения транспортной программы.

Как длятранспортных БПЛА, так и для БПЛА может рассматриваться критерий с учетомобъема транспортных перевозок:11Э2 =СР +Си.э иМΣ,(2)где СР – затраты на разработку и ЭО; Си.э – стоимость изготовления иэксплуатации одного носителя; МΣ – суммарная масса выведенных полезныхгрузов и носителями со стартовой массой М0:МΣ = ПН 0 и .Выразим затраты на транспортную программу через основныепроектные параметры ЛА:СР + Си.э и = Си.э и (СРСи.э и+ 1) = суд 0 и (0и+ 1),(3)где 0 – условное количество ЛА, характеризующее объем экспериментальнойотработки ЛА до заданной надежности.Отношение0ихарактеризует дополнительные затраты на создание новогоносителя. Использование существующего ЛА для выполнения транспортнойпрограммы означает равенство0и= 0.

Величине отношения0иможет бытьсопоставлена подтверждаемая надежность ЛА к моменту окончания его ЭО.Согласно озвученной концепции выбора проектных параметров, произведемпошаговое рассмотрение конструктивных элементов ДУ с использованиемподходящих методик расчета их характеристик.Тепловой баланс представляет собой определенное распределение теплоты,вводимой в ДУ с топливом, затраченное на полезную работу и распределение еепо потерям (рис. 4).Рис. 4. Схема теплового балансаВ виду того, что нахождение составляющих уравнения теплового балансапредставляет большую сложность, необходимо использовать численные методы(метод конечных разностей и интегральный метод).

Принимая в качествеграничных условий такие факторы, как конструктивное ограничение скоростипоршня, отсутствие скачков уплотнения в продувочных и выхлопных окнах и ихразмеры, температуры плавления стенок камер сгорания.12В процессе расчета при использовании пульсирующей активной струи вэжекторном усилителе тяги суммарная тяга может возрастать в гораздо большейстепени (на 120 – 140 %), чем при постоянной активной струе (на 20 – 30 %).Возникновение этого явления связано с реализацией особой формынестационарного движения газа с присоединением дополнительной массы,определяющей существенно меньшие потери и большие относительныеколичества присоединяемой массы, чем в случае стационарного эжектирования.Отмеченные важные особенности взаимодействия масс в газовомэжекторном процессе с пульсирующей активной струёй и возникновение приэтом аномально высокого прироста тяги проявляются при соблюденииопределенных условий – механико-геометрических соотношений в потоке:достаточно малые значения числа Струхаля (Sh) (0,1 или менее), достаточнобольшая скважность – перерывы в подаче активной струи (0,75 или более)ℎ =2(ц −а ),(4)где l – длина эжекционного канала; а – скорость звука в газе, движущемся вэжекционном канале к моменту окончания подачи активной струи; ц – времяцикла; а – время в цикле подачи активного потока.Так по результатам исследований математической модели КС при частотепульсаций f = 100 Гц ц и а , по сравнению с результатами экспериментов,уменьшаются примерно в 10 раз.

При условии постоянства числа Sh во столькоже раз должна уменьшится и l. В свою очередь уменьшение времени для втеканияв насадок воздуха (ц − а ) потребует для сохранения коэффициента эжекцииувеличение диаметра насадка d. Т.е. увеличение частоты пульсаций требуетуменьшения длины насадка и соотношения l/d , что является важным факторомулучшения габаритно-массовых характеристик ПуВРД с эжекторным усилителемтяги.Экспериментальные исследования мембраны из нержавеющей стали35ХГРЮ и нитинола, которые проводились в диссертационной работе И.О. Щукив условиях схожих с условиями работы мембраны в свободнопоршневомнагнетателе, показали, что при испытании четырех образцов в течение 15 часовразрушения материала мембраны не произошло, а число циклов нагружения былодоведено с 107 до 109.

Испытания проводились с частотой 80 Гц. Всвободнопоршневом нагнетателе мембрана работает в интервале частот 50-60 Гц,что укладывается в рамки проведенного эксперимента и подтверждаетвозможность использования тонкой металлической мембраны в качествеконструктивного элемента свободнопоршневого нагнетателя, способногопроработать 10 часов с заданной частотой колебаний 70-80 Гц.13В третьей главе производятся расчеты по разработанным методикам иматематическое моделирование различных комбинаций проектных параметров сцелью определения оптимальных значений.В частности, определены тяга, расход горючего, геометрические размерыпоршневых групп, геометрические размеры эжекторного усилителя тяги,массовые характеристики комбинированного пульсирующего ВРД сосвободнопоршневым нагнетателем для малоразмерных БПЛА.Двигатель имеет поршень диаметром 0,0365 м и мощность 3,4 л.

с. Размертакой поршневой группы является оптимальным для использования в качествепоршневой группы в составе свободнопоршневого нагнетателя (СПН)комбинированного пульсирующего ВРД малоразмерного БПЛА массой до 50 кг.Как показали расчеты, используя детали указанного ДВС, в качестве деталейкомбинированного пульсирующего ВРД, можно получить тягу около 50 ньютонови около 70 ньютонов при использовании эжекторного усилителя тяги. При этомважно отметить, что поршневая группа работает в менее нагруженных условиях,так как в конструкции СПН отсутствует массивный кривошип, а, следовательно,отсутствуют нагрузки, связанные с его вращением.Важно отметить, что, основываясь на концепции использованиясуществующих серийных конструктивных элементов ДВС, используя методикутепловых балансов, было определено, что частоту работы системы можноувеличить без ущерба и увеличения интенсивности износа деталей.

Так какданная комбинированная ДУ является уравновешенной и в ней отсутствуеткривошипно-шатунный узел, а, следовательно, нет бокового трения поршня оцилиндр, то повышение частоты работы положительно сказывается наэффективности системы. Использование тонких спиц, в качестве тяг, приводящихв движение мембрану, так же оказалось оправданным, так как в процессе работытяг, основная нагрузка приходится в момент их растяжения, а незначительноеусилие на момент сжатия. В классических свободнопоршневых генераторах газа(СПГГ) значительная доля массы приходится на механизм синхронизации, так какв нем применяются массивные рейки и шестерни.

В предложенной конструкции,использование тонких спиц, в качестве штанг механизма синхронизации,позволило значительно снизить массу двигательной установки.70Диаметрпоршя, мМощность, л.с.60500,02620,03650,04650,05650,066540302010010152025Скорость поршня, м/с3014Рис. 5. Зависимость мощностикомбинированного пульсирующеговоздушно-реактивного двигателя отскорости поршня при различныхдавлениях создаваемых СПНУчитывая вышесказанное, и заменяя классический металлический поршенькерамическим, было установлено, что частоту работы установки можноувеличить еще больше. За счет повышения частоты, увеличивается количестворабочего тела, проходящего через ДУ в единицу времени.

Необходимо отметить,что при этом размеры ДУ не изменяются, а, следовательно, масса остаетсянеизменным при увеличении расхода рабочего тела. Это достигается благодаряудачным конструкторским решениям. Таким образом, тяга, создаваемая ДУ,увеличивается за счет увеличения расхода рабочего тела, а неизменностьгабаритных размеров, приводит, к неизменности площади миделя, следовательно,лобовое сопротивление так же остается неизменным.Коэффициент усиления тяги Ку эжекторного усилителя определяетсявыражением:2 =√э (1 + 2 )(1+)−1 −,(5)где э – КПД эжектора; – коэффициент эжекции; 1 – средняя энергетическаяскорость истечения газа из активного сопла; V – скорость полета; 1 – средняя поимпульсу скорость истечения газа из активного сопла.Величина является функцией скорости полета.

Очевидно, что сувеличением скорости полета будет повышаться из-за возрастания напоранабегающего потока воздуха. Количество энергии, переданной активным потокомприсоединяемому, будет уменьшаться в соответствии с уменьшением разностискоростей встречи потоков, из-за уменьшения этой разности потери энергии,возникающие при взаимодействии струй – активной и присоединяемой будутуменьшаться, а э будет возрастать.В.И. Богдановым было проведено расчетное исследование дозвуковогоПуВРД с эжекторным усилителем тяги (ЭУТ), выполняемого на базезолотниковой камеры сгорания с V=const. В основу исследования были положеныэкспериментальные данные, полученные в МАИ при испытаниях низкочастотнойКС (V=const) с ЭУТ. При этом были получены следующие основные результатырасчетного исследования:–выбранное значение коэффициента эжекции при увеличениискорости полета от 0 до 250 м/с возрастало с 10 до 15;–с увеличением скорости полета КПД пульсирующего эжекторногопроцесса возрастал более чем вдвое и достигал значения 0,55 (Vп=250м/с; =15).Экспериментальные исследования ПуВРД, выполненные на базезолотниковой КС (V=const) с ЭУТ, показали, что благодаря высокой частотерабочих пульсаций КПД процесса эжектирования э значительно вырос.На основании результатов расчетных и экспериментальных исследованийвысокочастотного ПуВРД с ЭУТ автор полагает, что (по крайней мере для15расчетов в первом приближении) действительный КПД процесса эжектированияна Мп=0,8 может находиться в диапазоне 0,6...0,8 (для < 15).