RE: Замечательный ликбез про ПВРД и гиперзвук
Duplicating https://de-la-mitrio.livejournal.com/565606.html
Источник: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=40896555
РЕАЛЬНЫЕ И МНИМЫЕ ПРОБЛЕМЫ
ПРЯМОТОЧНЫХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В.И. Звегинцев
ИТПМ СО РАН, Новосибирск, Россия
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) с первого взгляда кажутся очень простыми и по конструкции и по принципам действия. Именно эта кажущаяся простота и высокие тяговые характеристики уже более 100 лет привлекают внимание конструкторов. В докладе обсуждаются некоторые устоявшиеся представления по тематике ПВРД, которые нуждаются в пересмотре.
Актуальность ПВРД. В истории ПВРД можно выделить несколько периодов взлета и падения интереса к этой тематике. В настоящее время все признают, чторакеты на основе ЖРД и РДТТ дошли до предела своих возможностей, и опять требуется повышение характеристик с помощью ПВРД. В настоящее время ученыеведущих стран мира проводят планомерную осаду научно-технических проблемсверхзвуковых и гиперзвуковых прямоточных двигателей. Выдающимся достижением считается создание отдельных экспериментальных аппаратов, которые демонстрируют кратковременную работу ПВРД в натурном гиперзвуковом полете [1].
Траектории полета. В [2] была рассмотрена траектория с непрерывным набором высоты, на которой время работы двигателя и тепловые нагрузки уменьшаются в 10 раз, а дальность полета даже возрастает. Неожиданный эффект был получен при использовании траекторий с активным рикошетированием [3], когда в нижней точке траектории на короткое время (5-10 с) включается ПВРД и поднимает летательный аппарат до исходной высоты. Оказалось, что при небольшой стартовой массе и при нормальном запасе горючего, дальность полета по такой траектории может составлять тысячи километров, а суммарная тепловая нагрузка на корпус снижается в десятки раз.
Аэродинамика ГЛА. Многие считают, что гиперзвуковые аппараты должны иметь хорошо развитые крылья. Однако анализ аэродинамических характеристик различных схем гиперзвуковых летательных аппаратов показал, что на гиперзвуковых скоростях аэродинамическое качество обеспечивается в основном за счет корпуса, а не за счет крыльев.
Тяга ПВРД. Во всех учебниках, начиная от первой работы Стечкина [4], предлагается тягу ПВРД определять, как разность импульсов потока на выходе и входе в двигатель. Современные численные методы могут сразу давать интеграл сил давления и трения по любым указанным поверхностям. Вначале рассчитывается интеграл сил по всему летательному аппарату без теплоподвода и получается суммарное сопротивление. Далее рассчитывается интеграл сил при горении топлива и получается суммарная тяга. Разницу этих двух интегралов можно называть внутренней тягой. Именно эта внутренняя тяга показывает эффективность преобразования энергии топлива в силу тяги, которая приложена ко всему летательному аппарату.
Воздухозаборные устройства (ВЗУ). При проектировании ВЗУ традиционно используются плоские или осесимметричные двумерные течения, предложенные еще Осватичем в 1944 г. В действительности существуют разные способы построения ВЗУ, которые позволяют конструктору выбирать конфигурации в зависимости от решаемой задачи. Пространственные ВЗУ, разработанные в ИТПМ СО РАН, позволяют решать и газодинамические задачи, и задачи компоновки силовой установки с летательным аппаратом.
Нерасчетные режимы работы ВЗУ. Отдельной большой реальной проблемой является работа ВЗУ в нерасчетных условиях, в частности, изменение дроссельных характеристик и помпаж. Этот вопрос подробно освещен в обзоре [5].
Влияние ВЗУ на тяговые характеристики. До сих пор все считают основной характеристикой ВЗУ коэффициент восстановления полного давления. В работе [6] давно было показано, что эффективность ВЗУ следует оценивать двумя параметрами, и, в конце концов, по тяге, которую создает двигатель с этим ВЗУ.
Топливо для ПВРД. Важной проблемой для ПВРД является выбор топлива (горючего). Сейчас водород практически не рассматривается, а рассматриваются высокоплотные твердые или жидкие топлива. С жидким топливом легко регулировать расход и поэтому ракеты с ПВРД на жидком топливе давно стоят на вооружении. Твердое топливо создает определенные проблемы для конструкторов, поэтому ракеты с ПВРД на твердом топливе имеют пока ограниченное применение.
Существуют предложения по подаче воздуха непосредственно к твердому горючему, расположенному либо в отдельном проточном газогенераторе, либо прямо в камере сгорания. Такая схема позволяет автоматически регулировать интенсивность горения в зависимости от расхода поступающего воздуха [7].
Многорежимный ПВРД. Известно, что для получения оптимальных тяговых характеристик требует непрерывного изменения геометрии проточного тракта ПВРД в зависимости от высоты и скорости полета. Прежде всего, нужно изменять площадь горла ВЗУ и критического сечения сопла. В работе [8] показано, чтосмену режимов горения можно получить при изменении теплоподвода в камере сгорания постоянной геометрии.
Заключение. На протяжении вековой истории накоплен богатый опыт решения основных научно-технических проблем при создании ПВРД для сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей полета. Одновременно сформировался набор устойчивых стереотипов, которые создают видимость неразрешимых проблем. Необходимо критически осмысливать накопленный опыт, используя современные научные достижения и проявляя творческие подходы при создании новой сверхзвуковой и гиперзвуковой техники.
1. Mutzman R., and Murphy S. X-51 Development: A Chief Engineer’s Perspective // 17-th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, San Francisco, 2011.
2. Фомин В. М., Звегинцев В. И., Мажуль И. И., Шумский В. В. Анализ эффективности использования комбинированной силовой установки для разгона малоразмерных ракет, стартующих с земной поверхности // ПМТФ. - 2010. - №6. - С. 21-30.
3. Фомин В. М., Аульченко С. М., Звегинцев В. И. Полет гиперзвукового летательного аппарата с прямоточным воздушно-реактивным двигателем по рикошетирующей траектории // ПМТФ. - 2010. - №4. - С. 85-94.
4. Стечкин Б. С. Теория воздушно-реактивного двигателя // Техника воздушного флота. -М., 1929. - №2. - С. 96-103.
5. Звегинцев В. И. Газодинамические проблемы при работе сверхзвуковых воздухозаборников в нерасчетных условиях (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. - 2017. - Т. 24, №6. - С. 829-858.
6. Затолока В. В., Звегинцев В. И., Шумский В. В. Влияние процесса сжатия в воздухозаборнике на удельные тяговые характеристики ГПВРД // Известия СО АН СССР. -1978. - №8.
7. Внучков Д. А., Звегинцев В. И., Наливайченко Д. Г., Шпак С. И. Исследование работы газогенератора, управляемого подачей газообразного окислителя // ФГВ. - 2008. - №6. - С. 18-25.
8. Гунько Ю. П., Шумский В. В. Характеристики ПВРД с двухрежимной камерой сгорания // ТИА. - 2014. - №2