Диссертация (Методика выбора проектных параметров комбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем для малоразмерных БПЛА), страница 2

02): фюзеляж (корпус), устройства, создающиеподъемную силу (крылья либо несущие воздушные винты), блок полезнойнагрузки, блок системы управления, блок двигательной установки, посадочнуюсистему или систему шасси, блок органов управления.Фюзеляж(корпус)Крылья иоперениеПолезнаянагрузкаСистемауправленияШассиДвигательнаяустановкаРис. 02.

Основные элементы конструкции БПЛАПри анализе и выборе проектных параметров, определяющих обликмалоразмерного БПЛА, необходимо отметить, что в настоящее время существуетрядотработанныхконструктивныхсхемикомпоновочныхрешений,позволяющих создать эффективный ЛА. Использование современных материалов,обладающих малой массой и высокой прочностью, позволяет успешно решатьконструкторские задачи по проектированию фюзеляжа и планера. Использованиеминиатюрных электронных компонентов в составе полезной нагрузки и системеуправления, имеющих малую массу и меньшие требования по энергообеспечению[70, 76, 81], положительно сказывается на значениях критериев эффективностиБПЛА [32, 59, 68].5Однако, отсутствие эффективной двигательной установки, особенно длямалоразмерных БПЛА, ограничивает использование аппаратов такого класса,несмотря на очевидные достоинства и широкие возможности применения.Авиационное двигателестроение – это высочайший уровень научныхисследований и высоких технологий.

Создание нового авиационного двигателя свысокими показателями по массе, габаритам и топливной экономичности –весьма трудоемкий процесс, требующий сложных и длительных испытаний изанимающий длительный период времени, как правило, 12 – 15 лет.Основателем современной теории воздушно-реактивных двигателей (ВРД)является академик Б.С. Стечкин, который еще в 1929 г. опубликовал работу«Теория воздушного реактивного двигателя».ПослеВеликойОтечественнойвойныавиадвигателестроительнаяпромышленность нашей страны сумела быстро приступить к созданиюреактивныхдвигателей.Первымикрупносерийнымитурбореактивнымидвигателями (ТРД) были двигатели РД-45 и ВК-1, созданные под руководствомизвестного авиаконструктора В.Я.

Климова в конце 40-х – начале 50-х гг.прошлого века.В последующие годы в ОКБ-300 выдающимся авиаконструктором А.А.Микулиным, заместителем которого был Б.С. Стечкин, был создан рядуникальных по своим параметрам ТРД. Среди них АМ-3, устанавливаемый натяжелом бомбардировщике Ту-16 и первом в мире реактивном лайнере Ту-104,РД-9Б с первой в мире трансзвуковой ступенью в компрессоре и Р11-300.Превосходящие по ряду параметров мировой уровень авиационные ГТДбыли созданы также под руководством выдающихся конструкторов академикаА.М. Люльки, академика Н.Д. Кузнецова, О.И. Кудрина, С.К. Туманского, В.А.Добрынина и других.Значительный вклад в исследование термодинамических и теплофизическихсвойств продуктов сгорания (ПС) и аэро-термохимических процессов вэнергоустановках был внесен академиком В.Е. Алемасовым [3]. Одно изнаправлений научных исследований – теория тепловых ракетных двигателей на6химическом топливе.

В.Е. Алемасов со своими учениками разработал методырасчета сложных физико-химических процессов в ракетных двигателях и ихагрегатах.Большое значение имеют труды чл.-корр. РАН А.П. Ваничева, посвященныеисследованиям энергетических установок, развитию методов расчета процессовтеплопроводности, горения, течений реагирующих газов с учетом кинетикифизических и химических процессов [15].В указанных работах, несмотря на их фундаментальную значимость, ненашли отражение обоснование и выбор двигательных установок для БПЛА.В диссертационной работе Власенко В.Г.

«Выбор основных проектныхпараметров двухступенчатого ЛА с воздушно-реактивным ускорителем 1-йступени» [18], рассматривается близкая к указанной теме проблематика –исследуется двухступенчатый летательный аппарат, предназначенный длявыведениякосмическихмногоразовымаппаратовускорителемпервойнанизкиеступени,околоземныеиспользующиморбиты,своздушно-реактивные двигатели в качестве маршевой двигательной установки.

Однако, несмотря на схожесть задач указанный объект исследования нельзя в полной мереотнести к БПЛА. В работе рассмотрены двигатели классической схемы,применяемые на аппарате легкого класса, которые наследуют недостаткиполноразмерных агрегатов.В диссертационной работе Сейфетдинова Р.Б. «Разработка методовмоделированиядвигателясрабочегопроцессааэродинамическимпульсирующегоклапаном»[74]воздушно-реактивногоисследуетсяповышениеэффективности процессов проектирования и доводки ПуВРД за счет разработкиметодовмоделированиярабочегопроцессанаосноверезультатовэкспериментально-теоретических исследований. Автором разработана методикаодномерного численного моделирования рабочего процесса ПуВРД, котораяможет быть применена при проектировании ПуВРД с механическим иаэродинамическим клапаном, а также при проектировании впускных и выпускныхсистем двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Однако, в данной работе не7исследуется вопрос ухода от применения клапана ПуВРД как от наиболеересурсоемкого элемента конструкции и замены его иным механизмом сдлительным временем работы.Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяетсяпотребностьюсозданияметодикивыборапроектныхпараметровкомбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем вкачестве перспективной силовой установки для малоразмерных беспилотныхлетательных аппаратов, которая позволит им максимально полно выполнятьпоставленные перед ними задачи.Существующие малоразмерные поршневые двигатели имеют малый ресурсработы – порядка 200 часов.

При работе на высотах более 2000 метров требуютнаддува и не экономичны. К недостаткам существующих поршневых двигателейможно так же отнести значительные вибрации кривошипно-шатунного механизмаи большую площадь миделя, за счет конструктивных особенностей исполнениядвигателей такого типа. Применение винтов и импеллеров делает БПЛА споршневыми двигателями уязвимыми для средств противовоздушной обороны.Создание же альтернативных малоразмерных газотурбинных двигателейклассических схем экономически не выгодно и довольно затруднительно стехнической стороны. Сложность заключается в больших потерях приперетекании на лопатках турбокомпрессорного агрегата и низкой лобовой тягипри использовании центробежных компрессоров и центростремительных турбинв них. Применение истекающей горячей реактивной струи в качестве движителяБПЛАсреактивнымдвигателем,делаеттакойБПЛАуязвимымдляинфракрасных головок самонаведения средств противовоздушной обороны.Эффективным решением двигательной установки для малоразмерногоБПЛА является переход к комбинированной силовой установке с внутреннимохлаждением топливной смесью, содержащей свободнопоршневой нагнетатель(СПН) в качестве источника рабочего тела для эжекторного уселителя тяги (ЭУТ)в качестве движителя и мембранный компрессор в качестве системы наддува.8Создание двигательной установки БПЛА предусматривает максимальноеиспользование уже созданных методик расчета, технологических приемов идеталейпоршневыхИдеологическойкривошипныхосновойдвигателейкомбинированноговнутреннегосгорания.пульсирующеговоздушно-реактивного двигателя является возможность использования свободнопоршневогокомпрессора.

К комбинированному ПуВРД предъявляется ряд жестких условий итребований, определяющих его существование.Проводимые исследования направлены на поиск оптимальной схемысиловой установки и разработку методики выбора ее проектных параметров исодержат разработки по совершенствованию:силовой установки путем перехода к комбинированной силовойустановке, использующей преимущества ДУ традиционного типа;методикипульсирующеговыбораВРДсопроектныхпараметровсвободнопоршневымкомбинированногонагнетателемвкачествеперспективной силовой установки для малоразмерных БПЛА, которая позволитим максимально полно выполнять поставленные перед ними задачи.Разработка методики выбора проектных параметров комбинированногопульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем (СПН) являетсяактуальной и позволит:рассмотреть большое число вариантов конструктивного исполненияна этапе первоначального проектирования и создать оптимальную, рациональнуюконструкцию при обеспечении максимальной энергетической и массовойэффективности и оптимизации материальных затрат;расширить задачи и области применения малоразмерных БПЛА,использующих комбинированную силовую установку нового типа.Рассматриваемая в настоящей диссертационной работе научная задачапосвященаразработкеметодикиопределенияпроектныхпараметровмалоразмерной комбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневымнагнетателем.

С развитием беспилотной техники в малоразмерных двигательных9установках для увеличения их эффективности (массовой, экономичной, тепловой,частотной…) появляется возможность создания нетрадиционных конструкций,позволяющих осуществлять преобразование химической энергии топлива вреактивную тягу малоразмерной двигательной установки.Вслучаеполногоотсутствияатмосферыконструкцияновыхкомбинированных установок должна позволять использование нетрадиционныхсредств сжатия рабочего тела. За счет увеличения частоты работы, с переходом наменьшие объемы, поступающие в единицу времени, появляется возможностьсохранять давление подачи мембранно-поршневыми средствами, позволяющимиосуществлять подачу топливных компонентов и работу в свободнопоршневыхнагнетателях, форсажных камерах и камерах дожигания, в соплах которыхосуществляется сверхзвуковое истечение продуктов сгорания.Основная идеология работы – использование свободно поршневой техникив атмосфере, а в перспективе и в космосе, в качестве системы подачи рабочеготела в эжекторный усилитель тяги с применением охлаждения теплонапряженныхузловпродувкойтопливнойсмесью.Предложеннаяметодикапозволяетпроизвести расчет и построение всех необходимых характеристик двигательныхустановок для совмещения с соответствующим проектным заданием на БПЛА, сучетом атмосферы Земли и космического пространства в качестве возможныхобластей применения [75].Цель настоящей работы состоит в разработке методики обоснованияпроектных параметров комбинированного малоразмерного пульсирующего ВРД сподачей рабочего тела с помощью свободно поршневого нагнетателя, в качестведвигательной установки для малоразмерных летательных аппаратов различногоназначения.Для достижения поставленной цели необходимо путем проведениякомплексного исследования процесса взаимодействия реактивной системымалоразмерного БПЛА с атмосферой, в которой осуществляется его полёт,исследовать и определить оптимальные проектные параметры комбинированногопульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем.10В работе поставлены и решены следующие основные задачиПроведение анализа используемых ДУ в атмосферном варианте длямалоразмерных БПЛА.Выбор конструктивных и термодинамических параметров ДУ сучетом разнообразия существующих изобарных и периодически действующихдвигателей.Рассмотрение классических методов расчета ДУ и исследованиевозможности их использования для расчета новых конструктивных схеммалоразмерных ДУ.

Анализ новых конструктивных решений, в том числе иидеологии охлаждения продувкойтеплонапряженных узлов малоразмерныхдвигателей, используемых в условиях различных окружающих сред.Проведениеполноготермодинамическогорасчетасвободнопоршневого нагнетателя и системы подачи компонентов топлива. Разработкасистемы безнасосной динамической подачи топливных компонентов в камерысгорания свободно поршневого нагнетателя.Разработка проектного решения для различных типов малоразмерныхаппаратов и различных условий их эксплуатации, позволяющее исключитьвлияние «классических недостатков» двигателя большого размера, таких какзначительные потери в зазорах лопаточных машин, воздействия тепловогорасширения, неоправданного роста массовых характеристик за счет наличиявысоких температур и тяжелых материалов для противостояния разрушительномутепловому действию на конструкцию.Исследование повышения тяговой эффективности пульсирующегоВРД путем присоединения дополнительной массы в эжекторном усилителе тяги.Разработкаметодикиопределенияпроектныхпараметровкомбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем,обеспечивающего выполнение малоразмерным БПЛА поставленной задачи.Методы исследования.