Диссертация (Методика выбора проектных параметров комбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем для малоразмерных БПЛА), страница 6

Это необходимо при маневрированииаппарата в космическом пространстве;при создании больших ракет, например, носителей, выводящих наоколоземную орбиту многотонные грузы, использование ЖРД позволяет добитьсямассового преимущества по сравнению с твердотопливными двигателями (РДТТ).Во-первых, за счёт более высокого удельного импульса, а во-вторых, за счёт того,что жидкое топливо на ракете содержится в отдельных баках, из которых оноподается в камеру сгорания с помощью насосов. За счет этого давление в бакахсущественно (в десятки раз) ниже, чем в камере сгорания, а сами бакивыполняются тонкостенными и относительно лёгкими. В РДТТ контейнертоплива является одновременно и камерой сгорания, и должен выдерживать29высокое давление (десятки атмосфер), а это влечёт за собой увеличение егомассы.

Чем больше объём топлива на ракете, тем больше размер контейнеров дляего хранения, и тем больше сказывается массовое преимущество ЖРД посравнению с РДТТ, и наоборот: для малых ракет наличие турбонасосного агрегатасводит на нет это преимущество.Недостатки ЖРД:ЖРД и ракета на его основе значительно более сложно устроены, иболее дорогостоящи, чем эквивалентные по возможностям твердотопливные(несмотря на то, что 1 кг жидкого топлива в несколько раз дешевле твёрдого).Транспортироватьжидкостнуюракетунеобходимосбольшимипредосторожностями, а технология подготовки её к пуску более сложна,трудоемка и требует больше времени (особенно при использовании сжиженныхгазов в качестве компонентов топлива), поэтому для ракет военного назначенияпредпочтение в настоящее время оказывается твердотопливным двигателям ввидуих более высокой надёжности, мобильности и боеготовности;компонентыжидкоготопливавневесомостинеуправляемоперемещаются в пространстве баков.

Для их осаждения необходимо применятьспециальные меры, например, включать вспомогательные двигатели, работающиена твёрдом топливе или на газе;в настоящее время для химических ракетных двигателей (в том числеи для ЖРД) достигнут предел энергетических возможностей топлива, и поэтомутеоретическинепредвидитсявозможностьсущественногоувеличенияих удельного импульса, а это ограничивает возможности ракетной техники,базирующейся на использовании химических двигателей.ДостоинствамиРДТТявляются:относительнаяпростота,нетоксичность применяемых компонентов топлива, возможность долговременногохранения, надёжность.Недостатками таких двигателей являются невысокий удельный импульс иотносительные сложности с управлением тягой двигателя (дросселированием),его остановкой (отсечка тяги) и повторным запуском, по сравнению с ЖРД.30Общим недостатком для ракетных двигателей на химическом топливе,являетсясложностирегулированиеорганизациивозможностимногоразовогозапускаитяги [12].

Твердотопливный ракетный двигатель работает наодном режиме и не имеет возможности включиться и выключиться в нужныймомент. ЖРД способен изменять тягу путем изменения расходов горючего иокислителя, но не в широких пределах. Сложности, связанные с включением ивыключением ЖРД, увеличиваются с уменьшением размера двигателя по причинетехнологических проблем исполнения малоразмерного и надежного ТНА.Интерес представляет использование в качестве ДУ такого классадвигателей как свободнопоршневые – двигатели, в которых отсутствуеткривошипно-шатунныймеханизм.Онилишенынедостатковпоршневыхдвигателей классических схем, не имеют массивного кривошипа, а значитлишены вибраций и колебаний, создаваемых им, уравновешены, экономичны ипозволяютприменятьсвободнопоршневогонаддув.агрегатаОднакоограничиваетсясозданиемалоразмерногонеобходимостьюприменятьмассивные инерционные буферные поршни, необходимые для гарантированногосовершения обратного хода. А так же использование надежного механизмасинхронизации,элементыкоторогоимеютбольшие моменты.Внесениеизменений в элементы конструкции и их облегчение, позволяет сохранитьвозможностьиспользованиясвободнопоршневогодвигателявкачествемалоразмерной двигательной установки.Одним из таких решений является отказ от массивных буферных поршней икомпенсация возвратного усилия создаваемого ими, путем применения мембран.Таким образом, уменьшается масса ДУ с сохранением ее мощности ивозможности применения самонаддува.

Ограничивающим фактором в этомслучае будет выступать лишь ресурс мембраны.Важным моментом, вытекающим из анализа современных двигательныхустановок, является тот факт, что многие из них требуют применения в своейконструкции клапанных и золотниковых элементов. Которые традиционноявляются слабыми местами конструкции, (часто расходными материалами)31накладывающими ограничения на процессы, протекающие в ДУ, и значительноснижая ресурс и межремонтный интервал.Вчастности,приприменениимембранвсовокупностисосвободнопоршневым двигателем интересным решением является переносклапанов из горячей зоны свободнопоршневой группы в холодную зону мембран,например, на ее не подвижную часть. Такое решение делает условия работыклапанов более благоприятными и увеличивает их ресурс.Одним из важных вопросов увеличения энергетической эффективности ДУявляется вопрос об охлаждении ее элементов и использовании этого тепла втермодинамическом цикле [21].

Ярким примером является охлаждение соплаЖРД одним из компонентов топлива и направление этого подогретогокомпонента обратно в работу.В таблице 1.1 представлена зависимость удельной массы винтомоторнойгруппы от различных типов системы охлаждения, применяемых на классическихпоршневых двигателях.Таблица 1.1Удельная масса винтомоторной группы [кг /л. с.]Для водяного охлаждения с атмосферным давлением1,15 – 1,2Для высокотемпературного охлаждения1,05 – 1,1Для воздушного охлаждения0,90 – 0,95Применение эжекторов так же относится к способам увеличенияэффективности ДУ, а именно к увеличению ее тяги [1].Газовым эжектором называется аппарат, в котором полное давлениегазовогопотокаувеличиваетсяподдействиемструидругого,болеевысоконапорного газового потока.

Передача энергии от одного потока к другомупроисходит путем их турбулентного смешения. Эжектор прост по конструкции,может работать в широком диапазоне изменения параметров газов, позволяетлегко регулировать рабочий процесс и переходить с одного режима работы надругой.32Увеличение тяги при подсасывании внешнего воздуха к эжектирующейструе объясняется тем, что на элементах эжектора возникают дополнительныесилы, равнодействующая которых, направленная по оси потока, суммируется среактивной тягой сопла. Основной из этих сил, определяющей выигрыш в тяге,является неуравновешенная сила внешнего давления, действующая на входнойраструб (заборник) эжектора.

Ее появление обусловлено понижением давления настенках раструба при втекании в него эжектируемого воздуха.Исследование конструкций современных двигателей, энергоустановок и«основных»элементовконструкциипоказывает,чтобольшоечислоиспользуемых в настоящее время систем и агрегатов атмосферных и ракетных ДУсхематичнопредставляютизсебякомплексвращающихсяэлементовконструкции. Для атмосферных двигателей к таким агрегатам относятсякомпрессор, камеры энерговыделения, турбина, комплекс входных устройствдавления (диффузоров) и выходных (сопел и эжекторов).В ракетных двигателях, использующих жидкие компоненты, системыподачи компонентов в камеры сгорания содержат вращающиеся элементы сприводами от турбонасосных агрегатов.

Возможны комбинации в зависимости отуспешности применения в тех или иных условиях. Большинство систем подачикомпонентов, преобразования, регулирования, управляются вращающимисяагрегатами, так же осуществляется управление золотниками, компрессорами,турбинами и т.д.В силу больших габаритов, требуемых двигателям, вращающиеся системыобеспечивают поэтапное развитие двигателестроения. В малом размере исконноиспользуются поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом,преобразующимлинейныеперемещениявовращательноемеханическоедвижение воздушных винтов, насосов и т.д.Все вращательные системы имели и имеют инерционные и вибрационныемоменты, которые в конструкциях уменьшают любыми путями. Всякаявращающаяся система имеет переменные углы. В таких машинах имеют местоограничения по увеличению мощности за счет скорости поршня.

В течении33развитияконструированияиспользовалисьэнергетическихбескривошипныемашиндостаточносвободнопоршневыеширокоуравновешенныеинеуравновешенные системы, которые были реализованы в минимальномколичестве проектов [12].Решением проблемы увеличения эффективности ДУ для малоразмерногоБПЛА является переход к комбинированной силовой установке с внутреннимохлаждением топливной смесью, содержащей свободнопоршневой нагнетатель вкачестве источника рабочего тела, пульсирующий эжекторный усилитель тяги, вкачестве движителя, лишенной недостатков, связанных с особенностямиприменения в конструкции вращающихся элементов и агрегатов.Условием для создания является максимальное использование ужесозданных методик расчета, технологических приемов и деталей поршневыхкривошипных двигателей внутреннего сгорания.

Идеологической основойкомбинированного пульсирующего ВРД является возможность использованияуравновешенногосвободнопоршневогокомпрессора.Посколькуусловияиспользования, качество и надежность ЛА зависят от надежности работы,экономичностиимассысиловойустановки,токкомбинированномупульсирующему ВРД предъявляется ряд жестких условий и требований,определяющих его существование.1.3.1.Выводы по главе 1Проведен анализ существующих ДУ, областей их применения,достоинств и недостатков.2.Сделан вывод, что решением проблемы увеличения эффективностиДУ для малоразмерного БПЛА является переход к комбинированной силовойустановкесвнутреннимсвободнопоршневойохлаждениемнагнетательвтопливнойкачествесмесью,источникасодержащейрабочеготела,пульсирующий эжекторный усилитель тяги в качестве движителя, лишеннойнедостатков,связанныхсособенностямивращающихся элементов и агрегатов.34применениявконструкцииГлава 2.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ КОМБИНИРОВАННОГОПУЛЬСИРУЮЩЕГО ВРД СО СВОБОДНОПОРШНЕВЫМНАГНЕТАТЕЛЕМ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА2.1.Предлагаемая схема комбинированного пульсирующего ВРД сосвободнопоршневым нагнетателемПрактика конструирования предполагает создание уравновешеннойкомбинированной свободнопоршневой системы малого размера с реактивнойдозвуковой и сверхзвуковой тягами. В работе предлагается традиционныенедостатки применяемых схем перевести на новые принципы синхронизации исжатия малых расходов окислителя в атмосферном двигателе с использованиеммембранного нагнетателя со спицевым синхронизатором [60].В качестве существующего прототипа, в качестве нижней границы классамалоразмерных БПЛА можно принять ScanEagle — беспилотный летательныйаппарат,разработанныйПредназначендляамериканскойведениякомпаниейнаблюдения,«Боинг»патрулирования,(табл.1.2).разведкиикорректировки огневой поддержки.

Первый полёт совершил в 2002 году.В качестве существующего прототипа, в качестве верхней границы классаможно принять HERMES 180 — БПЛА, разработанный израильской компаниейSilver Arrow, (табл. 1.2). Многоцелевой БПЛА изготовлен полностью изкомпозитных материалов. Первый полёт совершил в 2002 году [89].Таблица 1.2ХарактеристикаРазмах крыла, мДлина, мВысота, мМасса пустого, кгМаксимальная взлетная масса, кгТип двигателяМощность, л. с.Максимальная скорость, км/чКрейсерская скорость, км/чРадиус действия, кмПродолжительность полёта, чПрактический потолок, мЛетно-технические характеристики БПЛАScanEagleHERMES 1803,116,001,374,431,801,8013,1150201951 ПД 3W1 ПД UEL1х21 х 3814819490162100110до 15до 105944457535Решение указанной задачи достигается тем, что в комбинированномпульсирующем ВРД, содержащем свободнопоршневой нагнетатель, нагнетательвыполнен в виде двух подвижных мембран, установленных, на верхней и нижнейсторонах корпуса свободнопоршневого привода, соединенных с помощью тягмеханизмасинхронизацииспоршневымигруппамисвободнопоршневогопривода, двигатель снабжен двумя пульсирующими эжекторными усилителямитяги, входные устройства которых соединены с выпускными окнами мембранногонагнетателя.В зависимости от режима работы двигательной установки автоматическиизменяется режим подачи топливных компонентов –система являетсясаморегулируемой.