НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. М.Є.ЖУКОВСЬКОГО
“ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ”

ЛАРЬКОВ Сергій Миколайович

УДК 621.4.001.57

ФОРМУВАННЯ ОБРИСУ ПОВІТРЯНО-РЕАКТИВНИХ ДВИГУНІВ МАЛОРОЗМІРНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ НА ОСНОВІ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

Спеціальність 05.07.05 – Двигуни та енергоустановки
літальних апаратів

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”.

Науковий керівник:

АМБРОЖЕВИЧ Олександр Володимирович,

доктор технічних наук, старший науковий співробітник, професор кафедри ракетних двигунів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”, м.Харків.

Офіційні опоненти:

ГЕРАСИМЕНКО Володимир Петрович,

доктор технічних наук, професор, професор кафедри теорії авіаційних двигунів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”, м.Харків.

ЛАПОТКО Василь Михайлович,

кандидат технічних наук, провідний співробітник відділу турбін Державного підприємства Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро “Прогрес” ім. акад. О.Г.Івченка, м.Запоріжжя.

Провідна установа:

Дніпропетровський національний університет (м.Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться 10.06.2005 р. о _13__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.02 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” за адресою: 61070, м.Харків, вул.Чкалова, 17, ауд.307 головного корпусу.

З дисертаційною роботою можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”.

Автореферат розісланий 07.05.2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д64.062.02,
кандидат технічних наук, доцент ___________Базима Л.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Одним з найбільш перспективних і критичних напрямків прогресу техніки є розвиток дистанційно-керованих авіаційних систем (ДКАС) та комплексів різноманітного призначення. Досягнутий на сьогоднішній день рівень мініатюризації блоків системи керування та цільового навантаження, дозволяє створювати безпілотні літальні апарати (БЛА) зі злітною масою у декілька кілограмів, що оснащено системами супутникової навігації та радіозв`язку, зі змогою діяти практично у любому районі земної кулі у складі комплексу дистанційно-керованої авіаційної системи (ДКАС).

Одній з найважливіших проблем при створенні ДКАС високої завадозахищеності, поперед за все – всепогодних, з мініатюрними БЛА є питання вибору двигуна, що повинен забезпечувати, з одного боку – високу крейсерську швидкість польоту БЛА, а з другого – необхідну тривалість польоту. Вимоги подолання вітрового зносу, польоту в умовах приземної турбулентності ставлять необхідність забезпечення крейсерської швидкості польоту на рівні М~0.5 та тривалості польоту не менш за 30 хвилин.

Враховуючи падіння чисел Рейнольда, а також ріст поверхні, що омивається потоком, по відношенню до об`єму та маси зі зменшенням фізичних розмірів ЛА, завдання досягнення високих швидкостей польоту ускладнюється непропорційним зростанням потрібної тяги при зменшенні розмірності БЛА. Використання у БЛА повітряно-реактивного двигуна (ПРД) відкриває можливість забезпечення високих швидкісних характеристик, але створення мініатюрних ПРД традиційних схем з тягою менш за 50-100Н, що придатні для застосування у легких та надлегких БЛА, наштовхується на значні труднощі, пов`язані головним чином з масштабним виродженням робочого процесу.

Таким чином задача вибору типу, обрису та обґрунтування конструктивних параметрів ПРД малих тяг (ПРД МТ) є актуальною.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі 401 Національного аерокосмічного університету ім.М.Є.Жуковського “ХАІ” у рамках НДР Г401-17/2000 “Чисельне моделювання робочих процесів в імпульсних теплових машинах”, Г401-28/2003 “Комплексно-сполучені моделі імпульсних теплових машин”.

Мета і задачі дослідження: розробка обрису ПРД для швидкісних БЛА зі злітною вагою до 20-30 кг, а також поліпшення їх технічних показників на основі комплексної малоресурсної моделі нестаціонарного процесу у газоповітряному тракті ПРД з метою зниження витрат на експериментальне відпрацьовування та скорочення загальної вартості НДОКР при підвищенні вірогідності результатів передпроєктних робіт.

Об’єкт дослідження: мотокомпресорний повітряно-реактивний двигун (МкПРД) з приводним компресором обємного типу та пульсуючий повітряно-реактивний двигун (ПуПРД).

Предмет дослідження: робочі процеси у авіаційних повітряно-реактивних двигунах малих тяг традиційних та перспективних типів.

Методи дослідження: чисельне моделювання робочих процесів у авіаційних повітряно-реактивних двигунах малих тяг на основі комплексних моделей робочого процесу та натурні випробування ПуПРД.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) запропоновано системний підхід до формування обрису двигуна малорозмірного БЛА з крейсерською швидкістю М~0.5 в залежності від його цільового призначення;

2) запропоновано новий спосіб організації робочого процесу у МкПРД на основі схеми з приводним гвинтовим компресором та пристрій, що реалізує цей спосіб;

3) вперше запропоновано технологію випереджаючих досліджень робочого процесу МкПРД з приводним гвинтовим компресором у всьому діапазоні режимів роботи на основі розробленої комплексно-сполученої моделі;

4) вперше одержано рішення задачі сумісного моделювання процесів у газоповітряному тракті та зовнішнього обтікання мотогондоли на основі двовимірної моделі ПуПРД, що забезпечило коректне визначення миттєвої та інтегральної тяги;

5) вперше до складу розробленої комплексної моделі інтегровано підмоделі стендового обладнання та чутливих елементів датчиків, що дозволило провести оцінку придатності первинних датчиків для реєстрації швидкозмінних процесів;

6) запропоновано удосконалення моделі горіння у камері згоряння періодичної дії, яка відображає індуктивні та такі стадії хімічної реакції, що самопідтримуються, з урахуванням актуального стану фізичних полів течії на основі лагранжевої системи координат, що вбудовано в ейлерову.

Практичне значення одержаних результатів. Узагальнені моделі реалізовані у вигляді комплексів програм, що забезпечують проведення чисельного експерименту при проектуванні МкПРД і ПуПРД, які подані у формі віртуального об`єкту дослідження разом з віртуальним випробувальним стендом. Розроблений комплекс програм забезпечує:

1) зіставлення різних конфігурацій проточної частини з метою вибору загального обрису об`єкту досліджень;

2) розрахунок показників ефективності робочого процесу та виробку рекомендацій щодо конструктивного удосконалення об`єкту досліджень;

3) проведення випереджаючих досліджень робочого процесу з метою отримання висотно-швидкісних характеристик на початкових стадіях проектування;

4) оцінку ступені достовірності відображення параметрів робочого процесу наявними первинними перетворювачами вимірювальної апаратури.

Запропонована спеціальна модифікація датчику тиску типа ДД-10, що дозволяє проводити вимірювання тиску у діапазоні до 0.3 МПа високотемпературного газового потоку з температурою до 3000 К.

Розроблено апаратне та програмне забезпечення автоматизованого вимірювального комплексу, що забезпечує:

1) проведення тарировки датчиків та вторинних перетворювачів;

2) спостереження за поведінкою вимірювальних величин як у формі відліків аналогово-цифрового перетворювача (АЦП), так і у розмірному вигляді;

3) спостереження на екрані віртуального осцилографа поведінки вимірюваних величин у вигляді відліків АЦП;

4) збереження у реальному масштабі часу значень відліків вимірюваних величин;

5) одержання на основі тарировочних даних значень вимірюваних величин у розмірному вигляді у заданих часових координатах.

Реалізація результатів роботи. Розроблені автором положення знайшли практичне використання згідно переліку:

1) у формі обладнання стенду натурних випробувань малорозмірних ПРД учбово-лабораторної бази кафедри 401 НАКУ “ХАІ”:

2) у вигляді програмного забезпечення, що моделює робочий процес МкПРД та ПуПРД – у навчальному процесі кафедри 401 НАКУ “ХАІ”;

3) у формі результатів НДР “Вивчення можливості створення бортових і наземних систем керування і відеоспостереження для ДКАС надлегкого класу” НТ СКБ “Полісвіт” ДНВО “Комунар”;

4) у формі результатів НДОКР БЛА А-11 “Стриж” ТОВ “НПС” КБ “Зліт”.

Особистий внесок здобувача. Положення дисертаційної роботи, що виносяться на захист, розроблені особисто здобувачем.

У роботах по МкПРД, що проведені разом с О.В.Амброжевичем, М.В.Амброжевич, автором проведено вибір обрису двигуна, розроблена підмодель гвинтового компресора і адаптована комплексна модель до структури об`єкту досліджень, що забезпечило проведення розрахунків робочого процесу і отримання висотно-швидкістних характеристик МкПРД.

У роботах по ПуПРД, що проведені разом з О.В.Амброжевичем, здобувачем проведені:

1) розробка підмоделей сумішоутворення і горіння, руху органів газорозподілу та механічної системи стенду;

2) чисельні дослідження робочого процесу діючого зразку ПуПРД;

3) порівняльний аналіз результатів чисельного моделювання і натурного експерименту;

4) запропоновані шляхи конструктивного удосконалення існуючого зразку ПуПРД;

5) отримані висотно-швидкістні характеристики ПуПРД з модифікованою проточною частиною.

В області експериментальних досліджень, що проведені разом з О.М.Короваєм, М.Г.Пригорньовим, здобувачем були розроблені:

1) структурна схема вимірювального комплексу та дослідницького стенду в цілому;

2) програмне забезпечення системи реєстрації;

3) методика статистичної обробки результатів натурного експерименту.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на IV Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і космос” (м.Дніпропетровськ) 5-7 червня 2002 р., VIII і IX Міжнародних конгресах двигунобудівників (с.Рибаче, Крим) 9-14 вересня 2003 р. и 6-11 вересня 2004 р., III Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми інформатики і моделювання” (м.Харків) 27-29 листопада 2003 р., Міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані компьютерні технології в машинобудуванні ІКТМ’2004” (м.Харків) 16-19 листопада 2004 р., Науково-практичній конференції “Сучасний стан і перспективи розробки, виробництва та застосування безпілотних літальних апаратів в Україні” (м.Київ) 25-26 листопада 2004 р.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей (4 статті з співавторами і 2 без співавторів), подана заявка на винахід №А200502842 от 28.03.05.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, загальних висновків та списку використаних джерел. Повний обсяг роботи складає 159 сторінок, із них 28 рисунків та 3 таблиці розташовано на окремих сторінках, 190 літературних джерела розташовано на 17 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У розділі 1 наведено аналіз публікацій з питань застосування різних типів двигунів для БЛА легкого та надлегкого класів, а також літальних апаратів авіамодельного класу, розглянуті підходи до моделювання робочих процесів у ПРД, подано аналіз відомих методів чисельного дослідження термогазодинамічного процесу стосовно проточної частини ПРД. Наведено вимоги до двигуна надлегкого БЛА, що забезпечує всепогодність його застосування.

У розділі 2 проведено синтез конструктивної схеми МкПРД з компресором об`ємного типу, виходячи з компоновки двигуна і БЛА в цілому (рис.1 та 2).

Рис. – Варіант компоновки МкПРД із коловратним компресором

Рис. – Варіанти компоновки МкПРД із гвинтовим компресором

Наведено вибір конструктивної схеми ПуПРД стосовно неповертаємого БЛА, а також результати аналізу ПРД різних типів стосовно конфігурації швидкісного надлегкого БЛА.

Наведено результати вибору ступені збільшення тиску у компресорі МкПРД, виходячи з мінімізації сумарної маси двигуна та пального для конфігурації швидкісного БЛА з тривалістю польоту 1 година (рис.3).

Рис. – Питома вага МкПРД із запасом пального на 60 хв.

Наведено результати розрахунків робочого процесу ПРД різних типів у типорозмірі тяг 10-100Н, а також розрахунок тривалості польоту БЛА з двигунами різних типів (рис.4).

Рис. – Тривалість польоту БЛА з двигунами різних типів

У розділі 3 наведено підхід до побудови комплексних моделей робочого процесу у МкПРД та ПуПРД, наведено схеми побудови моделей (рис. 5 та 6).

Рис. – Структура комплексної моделі МкПРД (1 – навколишнє середовище, 2 – нульвимірна підмодель камери компресора, 3 – нульвимірна підмодель ресивера, 4 – одновимірна підмодель впускного колектора, 5 – нульвимірна підмодель картера, 6 – трьохвимірна підмодель циліндра,
7 – одновимірна підмодель системи випуску, 8 – нульвимірна підмодель ресивера с реактивним соплом, 9 – підмодель КШМ с ротором компресора)

Рис. – Структура комплексної моделі ПуПРД (1 – двовимірна підмодель термогазодинамічного процесу в контрольному об’ємі, 2 – підмодель пелюсткового клапану, 3 – підмодель механічної частини стенду)

Розглянуті питання уніфікації елементарних підмоделей, представлена форма постановки крайової задачі на основі методу особливостей. Базовий набір параметрів плину і основних факторів течії має наступний склад: t – час, x1, x2, x3 – радіальна, окружна і осьова координати, p – тиск, T – температура, – швидкість, – матриця субстанційних властивостей: щ, щг, щпс – масові концентрації суміші, пального і продуктів згоряння, – індивідуальний час хімічно реагуючої частки, S – ентропія, е – внутрішня енергія, i – ентальпія, – напруженість поля масових сил. Для запису системи рівнянь газової динаміки в диференційній формі використовується уніфікована матрична форма запису в циліндричній системі координат:

, ( )

де - фактор конвекційної змінності основної течії;
- фактори груп ДС, що пов`язані з масопереносом, та “вільних”;
- потоковий узагальнений вектор
- столбцеві потокові матриці;
- об`ємні інтенсивності “вільних” ДС, які не пов`язані з конвекційним переносом середовища.

Форма запису (1) забезпечує можливість застосування уніфікованих методів чисельного розв`язання. Подана реалізація чисельного методу на основі декомпозиції на елементарні фізичні процеси (табл. 1) разом з подальшим синтезом в рамках метода особливостей.

Таблиця –

Комплекс джерел-стоків, що імітує фактори робочого процесу

Індекс (m) | Характер фактору, що імітується вектором ДС | Форма запису | Інтенсивності факторів (покомпонентно) | Механізм дії

1 | Підвищення концентрації продуктів згоряння, зменшення концентрації пального і підведення теплоти при згорянні | Джерело маси продуктів згоряння | Вільний

Стік маси пального

Джерело енергії

2 | Теплові потоки через стінки конструкції | Джерело (стік) енергії | Вільний

3 | Дисипативні сили | Сили тертя | Вільний

4 | Впорскування пального | Джерело маси суміші | Субстан-ційний перенос

Джерело маси пального

Розглянуті алгоритми одержання сіткового наближення за допомогою ізоентропічного наближення відомих автомодельних задач, корекції сіткового наближення у моделях зі зниженим числом вимірів на основі автомодельного рішення о розповсюдженні сферичної хвилі розрідження. Наведено приклади підмоделей низького рівня:

1) процесів карбюризації пального;

2) метод моделювання горіння на основі полуемпіричних залежностей швидкості енерговиділення на зразок формули Вібе:

, ( )

де X –масова доля згорілого пального до моменту часу t;
– константа, що виражає частку незгорілого палива Xz, яка до моменту часу tz приймається за скінчення процесу згоряння;
m – показник, що описує характер енерговиділення.;

3) механічного руху системи підвіски стенду та відклику первинних перетворювачів датчиків;

4) механічного руху органів газорозподілу.

Моделі механічного руху побудовано з використанням теорії коливань і описують рух систем з однією (для клапану) чи двома (для механічної частки стенду та датчику тяги) ступенями свободи.

Наведено схему побудови контрольного об`єму з інтегрованою маскою, що відображує умови непроникності на твердотільних елементах конструкції (рис.7). Описано підхід до візуалізації масивів, що характеризують фізичні поля об`єкту дослідження.

Рис. – Схема контрольного об`єму – розрахункового домену (1 – зона горіння,
2 – зони взаємодії зі стінками, 3 – зона вільного потоку, 4 – зона сумішоутворення)

У розділі 4 наведені результати натурних випробувань, подано опис датчикової та реєструючої апаратури, наведені структурна та пневмогідравлічна схеми випробувального стенду. Розглянуті системи запалювання, система подачі пального, системи запуску ПуПРД, автоматизована система реєстрації параметрів. Наведено методики вимірювання параметрів робочого процесу, інтегральних характеристик двигуна, а також механічних характеристик елементів проточної частини. Наведено приклад використання розробленого вимірювального комплексу для реєстрації параметрів робочого процесу ПуПРД (рис.8).

Рис. – Запис осцилограми запуску ПуПРД

Наведено аналіз отриманих результатів, зіставлення чисельного експерименту з результатами натурних досліджень (табл. 2).

Таблиця –

Порівняння інтегральних характеристик

№ | Параметр | Експеримент | Розрахунок | Похибка

1. | Частота циклів, Гц | 148±9.9 | 152 | -2.7%

2. | Середня тяга за цикл, Н | 76.8±5.4 | 72.9 | -5.1%

3. | Середній розхід пального за цикл, г/с | 3.684±0.01 | 3.604 | -2.2%

4. | Максимальний тиск у КС, 105 Па | 1.847±0.053 | 2.022 | +9.4%

5. | Середній тиск циклу, 105 Па | 1.272±0.035 | 1.222 | -3.9%

6. | Середній тиск у дифузорі, 105 Па | 0.975±0.006 | 0.930 | -4.6%

У розділі 5 наведено результати чисельного експерименту з моделювання висотно-швидкісних характеристик МкПРД, проведено аналіз якості газообміну у приводному ДВЗ, розроблені та обґрунтовані рекомендації щодо підходів до побудови системи керування.

Наведено отримані розрахункові висотно-швидкістні характеристики МкПРД (рис.9), що дають змогу зробити висновки про паливну економічність МкПРД, яку можна співставити з економічністю повнорозмірного двохконтурного турбореактивного двигуна.

Рис. – Висотно-швидкісні характеристики МкПРД

У розділі 6 наведено результати моделювання робочого процесу в ПуПРД (рис.10). Зроблено висновок про співпадіння картини течії з даними, що отримані іншими авторами. Розроблені і обґрунтовані практичні рекомендації щодо поліпшення тактико-технічних характеристик двигуна і БЛА в цілому на основі аналізу різних варіантів проточної частини.

Подано порівняння швидкісних характеристик ПуПРД з початковою та модифікованою проточною частиною (рис.11).

Рис. – Початок всмоктування паливоповітряної суміші

Рис. – Порівняльні швидкісні характеристики початкового (сірий)
та модифікованого (чорний) зразків ПуПРД

Розроблені рекомендації щодо модифікації проточної частини забезпечили зріст тяги на 40% та зниження питомого розходу пального на 30%.

Подано розрахункові висотно-швидкістні характеристики зразка ПуПРД, що випробувався, а також розрахункові висотно-швидкістні характеристики модифікованого зразку ПуПРД.

ВИСНОВКИ

1) Подано системний підхід до вибору обрису двигуна швидкісних легких і надлегких БЛА, що забезпечує подолання вітрового зносу і всепогодне застосування у всьому діапазоні кліматичних умов. Наведено аналіз та розроблені рекомендації щодо використання ПРД як традиційних, так і перспективних схем в залежності від потрібних тактико-технічних характеристик і цільового призначення БЛА.

2) Розроблена технологія випереджаючих випробувань робочого процесу в ПуПРД і МкПРД с приводним компресором об`ємного типу на основі комплексно-сполучених моделей, що забезпечує отримання висотно-швидкісних характеристик БЛА на початкових стадіях НДОКР.

3) Розроблені комплексні моделі мають у своїй основі універсальні уявлення щодо домінуючих факторів робочого процесу у формі методу особливостей, для їх реалізації використовується уніфікований чисельний метод, що уявляє собою узагальнений варіант схеми “розпаду розриву”. З метою коректного визначення змінної у часі сили тяги ПРД періодичної дії модель двигуна вбудована у контрольний об`єм (домен) з невідзеркалюючими границями.

4) Достовірність отриманих результатів забезпечена використанням фундаментальних законів механіки і підтверджена задовільним узгодженням результатів чисельних досліджень і натурних випробувань. При цьому були отримані такі значення середніх квадратичних відхилень: по тязі – 5.1%, по розходу пального – 2.2%, по частоті циклів – 2.7%.

5) Розроблено структурний підхід до проведення натурного експерименту з визначення характеристик робочого процесу ПРД МТ різних типів, основними рисами якого є:

а) використання мікроконтролерної техніки для синтезу систем збору даних;

б) використання ПЕОМ для фіксації результатів експерименту і подальшої обробки.

6) Розроблений комплексний стенд забезпечує проведення натурних випробувань ПРД МТ у діапазоні тяг до 1000Н, частоту реєстрації параметрів робочого процесу до 80 кГц по 8 каналах з точністю 12 біт АЦП (похибка дискретизації 0.03%), вимірювання тиску газового потоку в газоповітряному тракті ПРД МТ з температурою до 3000К і тиском до 0.3 МПа.

7) Сформовано рекомендації щодо побудови системи керування МкПРД, розроблено комплекс конструктивних засобів по удосконаленню роботоспроможного зразку ПуПРД, що забезпечило зріст тяги на 40%, підвищення паливної економічності на 30%.

8) Розробки з теми дисертації доведені до практичної реалізації як у формі програмного продукту і результатів чисельних досліджень, що застосовуються у НДР підприємств аерокосмічного профілю, так і у вигляді комплекту КД модифікованого зразку ПуПРД, який застосовано на БЛА А-11 “Стриж”.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ларьков С.Н. Математическое моделирование процессов горения на примере водородно-кислородной смеси // “Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов” Сб. науч. трудов Нац. аэрокосмич. ун-та им. Н.Е.Жуковского “ХАИ”. Вып.25(2), Харьков, НАКУ, 2001, С.92-97.

2. Амброжевич А.В., Беляков К.В., Карташов А.С., Коровай А.Н., Ларьков С.Н., Сахно А.Г., Симбирский В.Л., Цирюк А.А. Облик двигательных установок перспективных малоразмерных БЛА // Авіаційно-космічна техніка і технологія. -2003. –Вип.41/6. –С.36-39.

3. Амброжевич А.В., Потапенко А.А., Ларьков С.Н., Яшин С.А., Симбирский В.Л., Беляков К.В. Воздушно-реактивные двигатели для сверхлегких БЛА // Космічна наука і технологія. Додаток. -2003. -№1. –С.78-83.

4. Амброжевич М.В., Ларьков С.Н. Результаты моделирования мотокомпрессорного ВРД малой тяги с компрессором объемного типа. //Авиационно-космическая техника и технология. –2004. -№8/16. –С.70-73.

5. Ларьков С.Н. Информационно-измерительный комплекс стенда пульсирующего воздушно-реактивного двигателя // Системи обробки інформації. –2004. –№1. –С.164-167.

6. Амброжевич А.В., Ларьков С.Н. Комплексная математическая модель ПуВРД малой тяги и его испытательного стенда // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. -2004. –Вип.4(8). –С.118-121.

7. Амброжевич А.В., Ларьков С.М. Спосіб роботи реактивної установки малої тяги з поршневим двигуном та реактивна установка, що реалізує спосіб. (Заява на винахід №А200502842 от 28.03.05).

АНОТАЦІЯ

Ларьков С.М. Формування обрису повітряно-реактивних двигунів малорозмірних літальних апаратів на основі комплексного моделювання. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.05 – двигуни та енергоустановки літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”, м.Харків.

Представлено системний підхід до вибору обрису двигуна швидкісних легких і надлегких безпілотних літальних апаратів (БЛА), розроблені рекомендації по використанню ПРД як традиційних, так і перспективних схем в залежності від потрібних тактико-технічних характеристик і цільового призначення БЛА

Розроблено сімейство нестаціонарних комплексно-сполучених моделей мотокомпресорного (МкПРД) і пульсуючого (ПуПРД) повітряно-реактивних двигунів. Об`єктами дослідження є МкПРД з привідним компресором об`ємного типу та ПуПРД.

Комплексні моделі вміщують цілісні підмоделі всіх елементів газоповітряного тракту з граничними умовами, що визначаються динамікою рухомих агрегатів, а також відображують ефекти зовнішнього обтікання мотогондоли. У сукупності з моделювання відклику первинних перетворювачів датчиків це дозволяє отримати віртуальний випробувальний стенд об`єкту дослідження, що віддзеркалює миттєвий стан фізичних полів та положень рухомих частин двигуна у псевдореальному масштабі часу. Сімейство моделей уніфіковано із застосуванням методу особливостей і використовує універсальний метод чисельного розв`язання системи рівнянь на основі принципу декомпозиції і модифікованої кінцево-різницевої схеми С.К.Годунова.

Розроблено структурний підхід до проведення натурного експерименту. Запропоновано високотемпературну модифікацію індукційного датчика тиску та розроблено випробувальний стенд з визначення характеристик робочого процесу ПРД малих тяг різних типів. Подано приклади використання вимірювального комплексу стенду для отримання миттєвих та інтегральних характеристик робочого процесу ПуПРД.

Проведені детальні вивчення робочого процесу МкПРД та ПуПРД за допомогою розробленого інструментарію, отримані індикаторні діаграми робочих процесів та циклограми тяги, а також висотно-швидкісні характеристики об`єктів дослідження. Наведені рекомендації щодо розробки системи керування МкПРД та удосконалення проточної частини ПуПРД.

Ключові слова: МкПРД, ПуПРД, робочий процес, комплексно-сполучена модель, чисельні методи.

АННОТАЦИЯ

Ларьков С.Н. Формирование облика воздушно-реактивных двигателей малоразмерных летательных аппаратов на основе комплексное моделирование. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.05 – двигатели и энергоустановки летательных аппаратов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского “ХАИ”, г. Харьков.

Представлен системный подход к выбору облика двигательной установки (ДУ) высокоскоростных легких и сверхлегких беспилотных летательных аппаратов (БЛА), разработаны рекомендации по использованию различных типов воздушно-реактивных двигателей (ВРД) как традиционных, так и перспективных схем в зависимости от проектных тактико-технических характеристик и целевого назначения БЛА. Сделан вывод о перспективности применения на малоразмерных БЛА со скоростью полета М~0.5 ДУ прямой реакции, при этом для БЛА с продолжительностью полета порядка 30 мин. наиболее выгодна ДУ с пульсирующим ВРД (ПуВРД), а для БЛА с продолжительностью полета порядка 1 часа приемлемыми массогабаритными характеристиками обладает мотокомпрессорный ВРД (МкВРД) с компрессором объемного типа. На основе анализа квазистационарной модели рабочего процесса определена наивыгоднейшая степень повышения давления в компрессоре МкВРД.

Разработано семейство нестационарных комплексно-сопряженных моделей мотокомпрессорного (МкВРД) и пульсирующего (ПуВРД) воздушно-реактивных двигателей. Объектами исследования стали МкВРД с приводным компрессором объемного типа и ПуВРД.

Комплексные модели содержат целостные подмодели всех элементов газовоздушного тракта с граничными условиями, которые определяются динамикой подвижных агрегатов, а также отображают эффекты внешнего обтекания мотогондолы. Совместно с моделированием отклика первичных преобразователей датчиков это позволяет получить виртуальный испытательный стенд объекта исследований, который отражает мгновенное состояние физических полей и положение движущихся частей в псевдореальном масштабе времени. Семейство моделей унифицировано на основе метода особенностей и использует универсальный метод численного решения системы уравнений на основе принципа декомпозиции и модифицированной конечно-разностной схемы С.К.Годунова.

Разработан структурный подход к проведению натурного эксперимента. Предложена высокотемпературная модификация индукционного датчика давления и разработан испытательный стенд для определения характеристик рабочего процесса ВРД малых тяг различных типов. Разработан программно-аппаратный измерительный комплекс, обеспечивающий автоматизацию получения, сохранения и обработки результатов натурного эксперимента.

Приведены примеры использования измерительного комплекса стенда для получения мгновенных и среднеинтегральных характеристик рабочего процесса ПуВРД. Проведен статистический анализ результатов эксперимента, подтвердивший удовлетворительное совпадение результатов численного и натурного эксперимента.

Проведено изучение рабочего процесса МкВРД с помощью разработанного инструментария, получены индикаторные диаграммы рабочих процессов и циклограммы тяги, а также высотно-скоростные характеристики объекта исследования. Приведены рекомендации по разработке системы управления МкВРД, сделан вывод о устойчивости рабочего процесса МкВРД в заданном диапазоне высот и скоростей полета.

Проведено детальное изучение рабочего процесса в ПуВРД с помощью комплексно-сопряженной модели. Сделан вывод о качественном совпадении картины течения с результатами, полученными другими авторами. Получены данные, свидетельствующие о присущей ПуВРД собственной степени двухконтурности, что создает резервы повышения топливной экономичности.

Выработаны и обоснованы практические рекомендации по усовершенствованию проточной части ПуВРД, что обеспечило рост статической тяги на 40% и топливной экономичности на 30%.

Ключевые слова: МкВРД, ПуВРД, рабочий процесс, комплексно-сопряженная модель, численные методы.

SUMMARY

Larkov S.N. The overview of air-breathing engine for light unmanned aerial vehicles based on complex model. –Manuscript.

The thesis to confer the scientific degree of Candidate of Technical Science in specialty 05.07.05 – engines and power plants of flying vehicles. The Zhukovsky National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2005.

The system approach to the selection of the high speed UAV’s engine appearance is presented. The recommendations for the using of the traditional and advanced air-breathing engines for the various types of the UAV’s flight profile are described.

The set of complex-conjugated models for simulation of motorjet with a volume type compressor and pulsejet engines are collaborated.

The complex models contain submodels of the gas route elements with moving aggregate dynamic controls which representation also the effects of the external flow. The addition sensors models provide creation of the virtual test ground with a visualization of the physical fields condition and moving parts position in a quasi real time. The set of models was unified on the base of the method of peculiarities. The modified finite-differences Godunov method based on decomposition principle for numeric simulation was used. The structural approach to the miniature jet engine tests was worked out. The high temperature inductive pressure sensor modification has been proposed. The test ground for detection of the characteristics of the miniature jet engine has been worked out. The using of the test ground for test runs of the pulsejet engine has been described.

The detail investigation of the working process of the motorjet and the pulsejet engine has been conducted using described instrumentation. The thrust, pressure, temperature, Mach and fuel concentration samples for the gas path of the motorjet and pulsejet engines have been obtained. The recommendations for the building of the motorjet control system are presented. Modified pulsejet with improved characteristics is proposed.

Keywords: motorjet, pulsejet, working process, numerical solutions, technology of numerical investigation.

Підписано до друку 21.04.05

Умов.друк.арк.1,2. Замовлення 194

Тираж 100 прим.