Что такое двигатель векторной тяги

Управляемый вектор тяги

Управление вектором тяги (УВТ) реактивного двигателя — отклонение реактивной струи двигателя от направления, соответствующего крейсерскому режиму.

В настоящее время управление вектором тяги обеспечивается, в основном, за счет поворота всего сопла или его части.

Для схемы с отклонением потока в дозвуковой части характерно совпадение угла механического отклонения с газодинамическим. Для схемы с отклонением только в сверхзвуковой части газодинамический угол отличается от механического.

С точки зрения конструкции схема сопла представленная на рис.1а должна иметь дополнительный узел, обеспечивающий отклонение сопла целиком. Схема сопла с отклонением потока только в сверхзвуковой части нарис.1б фактически не имеет никаких специальных элементов для обеспечения отклонения вектора тяги. Различия в работе этих двух схем выражаются в том, что для обеспечения одного и того же эффективного угла отклонения вектора тяги схема с отклонением в сверхзвуковой части требует больших управляющих моментов.

Представленные схемы также требуют решения проблем обеспечения приемлемых габаритно-массовых характеристик, надежности, ресурса и быстродействия.

Семь преимуществ современного дирижабля

1. Конструкция гибридных дирижаблей сочетает лучшие характеристики самолетов, вертолетов, а в ряде случаев и судов на воздушной подушке. Подъемная сила такого аппарата создается за счет плавучего гелия, а также за счет аэродинамической подъемной силы, создаваемой формой корпуса, и векторной тяги вращающихся двигателей.
2. Им не нужны наземные команды и инфраструктура, в том числе причальная мачта. Они могут сесть на любую ровную поверхность, включая воду.
3. Из-за больших размеров гибридные дирижабли меньше подвержены турбулентности по сравнению с традиционными пассажирскими самолетами.
4. Дирижабли оснащены современной авионикой, средствами управления полетом и навигационными системами, которые позволяют совершать грузоперевозки в беспилотном режиме.
5. Такие воздушные суда — экологически чистая альтернатива использованию вертолетов большой грузоподъемности и реактивных самолетов на малые расстояния.
6. Развитие внеаэродромных летательных аппаратов сокращает необходимость строительства дорожной сети в отдаленных и труднодоступных районах.
7. Гибридные дирижабли бесшумны по сравнению с вертолетами и обычными самолетами.

Принцип действия [ править | править код ]

Для схемы с отклонением потока в дозвуковой части характерно совпадение угла механического отклонения с газодинамическим. Для схемы с отклонением только в сверхзвуковой части газодинамический угол отличается от механического.

Конструкция схемы сопла, представленная на рис. 1а, должна иметь дополнительный узел, обеспечивающий отклонение сопла целиком. Схема сопла с отклонением потока только в сверхзвуковой части на рис. 1б фактически не имеет никаких специальных элементов для обеспечения отклонения вектора тяги. Различия в работе этих двух схем выражаются в том, что для обеспечения одного и того же эффективного угла отклонения вектора тяги схема с отклонением в сверхзвуковой части требует больших управляющих моментов.

Представленные схемы также требуют решения проблем обеспечения приемлемых массо-габаритных характеристик, надёжности, ресурса и быстродействия.

Имеются две схемы управления вектором тяги:

• с управлением в одной плоскости;
• с управлением во всех плоскостях (с всеракурсным отклонением).

Газодинамическое управление вектором тяги (ГУВТ) [ править | править код ]

Высокой эффективности управления вектором тяги можно добиться с помощью газодинамического управления вектором тяги (ГУВТ) за счёт асимметричной подачи управляющего воздуха в тракт сопла.

Газодинамическое сопло использует «струйную» технику для изменения эффективной площади сопла и отклонения вектора тяги, при этом механически сопло не регулируется. В этом сопле отсутствуют горячие высоконагруженные подвижные детали, оно хорошо компонуется с конструкцией ЛА, что уменьшает массу последнего.

Внешние контуры неподвижного сопла могут плавно вписываться в обводы самолёта, улучшая характеристики конструктивной малой заметности. В этом сопле воздух от компрессора может направляться в инжекторы в критическом сечении и в расширяющейся части для изменения соответственно критического сечения и управления вектором тяги.

В МАИ были проведены экспериментальные работы по управлению вектором тяги за счёт взаимодействия «дешёвого» атмосферного воздуха с основной струёй. За счёт перераспределения эжектируемого через боковые каналы воздуха происходит отклонение основной струи двигателя (рис. 2б). Были разработаны и испытаны малогабаритные модельные образцы устройств с применением твердотопливных газогенераторов в качестве источников сжатого газа (рис. 2). В боковых каналах плоского эжектора, связанных с атмосферой, были установлены клапаны (3, 4 на рис. 2) с электромагнитным управлением. Температура газа в газогенераторе составляла 2600 К, рабочее давление до 5..7 МПа. Развиваемая управляемая тяга 1,0 кН. Время переключения тяги из одного крайнего положения в другое не превышало 0,02 с. Удельная мощность управляющего сигнала на единицу тяги составляла не более 0,05..0,7 Вт/кгс.

Проведённые испытания показали возможность отклонения вектора тяги на углы ±20° при прилипании струи к боковой стенке эжекторного сопла.

В ЦИАМ проводились предварительные исследования на физико-математической модели сопла с газодинамическим управлением вектором тяги двигателя для учебно-тренировочного самолёта (УТС) в 2D постановке. В ТРДД для УТС наличие второго контура со сжатым и относительно холодным воздухом, отсутствие необходимости регулирования проходных сечений облегчает реализацию концепции сопла с газодинамическим управлением вектором тяги.

В исследуемом сопле выходной канал второго контура разделён продольными перегородками на четыре сектора с установленными на входе в каждый сектор устройствами регулирования расхода воздуха. Это сопло на режиме осевого истечения представляет собой сопло эжекторного типа с «жидкой» стенкой (рис. 4), однако в нём эжектируемый воздух поступает не из атмосферы, а из-за вентилятора, следовательно, имеет достаточно высокое давление. Стенка сопла первого контура разорвана сразу за его критическим сечением, поэтому выходящая из него струя газа расширяется, постоянно уменьшая к выходу площадь струи второго контура (перепад на вентиляторе околокритический).

Для принятых значений параметров на этом режиме качество рассматриваемого варианта может быть выше, чем при раздельном истечении. Это возможно благодаря замене двух поверхностей трения (части внутренней стенки сопла второго контура и внешней стенки сверхзвуковой части сопла первого контура) на «жидкую» стенку, а также благодаря выравниванию поля скоростей на выходе вследствие частичного смешения потоков. Кроме того, такая схема сопла может обеспечить улучшенное протекание рабочей линии вентилятора на дроссельных режимах.

Для получения максимального отклонения потока один сектор (2 на рис. 4) подвода воздуха второго контура полностью перекрывается. В результате расход через второй сектор (1) возрастает в два раза (для 2D варианта).

Отклонение струи происходит благодаря:

• неосевому истечению струи воздуха второго контура и действию её на поток первого контура под углом в направлении к оси сопла;
• формированию на срезе сопла первого контура вблизи перекрытого сектора течения Прандтля-Майера и работе сопла как сопла с косым срезом.

В настоящее время ведутся работы над 3D-вариантом такого сопла и сопла с использованием атмосферного воздуха. По предварительным оценкам рассматриваемые схемы сопел способны обеспечить эффективный угол отклонения вектора тяги ±20°.

Изобретение относится к области наземных испытаний космической техники и может быть использовано при испытаниях ракетных двигателей различных типов, в особенности электроракетных двигателей (ЭРД) и двигательных установок на их основе. Способ заключается в следующем. Монтируют двигатель на испытательном стенде на неподвижном основании. Дополнительно монтируют мишень, располагая ее на оси испытываемого двигателя. Воздействуют реактивной струей на мишень в течение определенного времени для получения на поверхности мишени области, где под действием частиц реактивной струи происходит унос (распыление) материала мишени. Производят измерение координат не менее чем трех точек, не принадлежащих одной прямой, лежащих на границе измененной области мишени в системе координат, центр которой лежит на оси испытываемого двигателя. По результатам математической обработки указанных координат находят положение центра давления реактивной струи на мишень и определяют направление вектора тяги как направление вектора, начало которого находится в центре выходного среза сопла двигателя, а конец — в найденном центре давления реактивной струи. После чего рассчитывают боковые компоненты вектора тяги по найденной величине основной составляющей и найденному направлению вектора тяги с использованием общеизвестных формул аналитической геометрии. Устройство содержит жесткий силовой каркас, на одном конце которого смонтирован испытываемый ракетный двигатель, а напротив выходного среза сопла двигателя размещается распыляемая мишень. Поверхность мишени, обращенная к выходному срезу сопла, перпендикулярна оси испытываемого двигателя. Мишень может заменяться на аналогичную. Кроме того, на поверхность мишени нанесен слой покрытия либо неровности, разрушающийся под действием реактивной струи. Технический результат заключается в упрощении процесса испытаний, а также устранении погрешностей при измерении боковых компонент вектора тяги. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения вектора тяги при испытании ракетного двигателя, включающий монтаж двигателя на испытательном стенде, балансировку тягоизмерительного устройства и проведение испытаний с измерением основной компоненты вектора тяги при рабочих параметрах ЭРД, отличающийся тем, что затем двигатель монтируют на неподвижном основании, дополнительно монтируют мишень, располагая ее на оси испытываемого двигателя, воздействуют реактивной струей на мишень в течение определенного времени для получения на поверхности мишени области, где под действием частиц реактивной струи происходит унос (распыление) материала мишени, производят измерение координат не менее чем трех точек, не принадлежащих одной прямой, лежащих на границе измененной области мишени в системе координат, центр которой лежит на оси испытываемого двигателя, по результатам математической обработки указанных координат находят положение центра давления реактивной струи на мишень и определяют направление вектора тяги как направление вектора, начало которого находится в центре выходного среза сопла двигателя, а конец — в найденном центре давления реактивной струи, после чего рассчитывают боковые составляющие вектора тяги по найденной величине основной составляющей и найденному направлению вектора тяги с использованием общеизвестных формул аналитической геометрии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что производят замену распыляемой мишени на аналогичную с изменением расстояния от среза сопла двигателя на величину z₁, определяемую соотношением:

,

где L — расстояние от среза двигателя до мишени при ее первоначальном закреплении;

D — минимальное расстояние от оси двигателя до края рабочей поверхности мишени;

а — первоначально измеренное максимальное расстояние от оси до границы следа реактивной струи,

повторяют испытания, измерения и математическую обработку, находят положение центра давления реактивной струи на вновь установленную мишень, определяют направление вектора тяги как направление вектора, проведенного через две точки найденных центров давлений до точки пересечения вектора со срезом сопла, являющейся точкой приложения вектора тяги, после чего рассчитывают боковые составляющие вектора тяги по найденной величине основной составляющей и найденному направлению вектора тяги с использованием общеизвестных формул аналитической геометрии.

3. Устройство для определения боковых составляющих вектора тяги, содержащее жесткий силовой каркас, на одном конце которого, посредством монтажного узла, смонтирован испытываемый ракетный двигатель, кабели подвода электрической энергии, трубопроводы подвода рабочего тела, отличающееся тем, что на том же каркасе, напротив выходного среза сопла испытываемого ракетного двигателя размещается распыляемая мишень с возможностью замены на аналогичную, при этом поверхность мишени, обращенная к выходному срезу сопла, перпендикулярна оси испытываемого ракетного двигателя. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на поверхность мишени, обращенную к выходному срезу сопла испытываемого двигателя, нанесен слой покрытия, разрушающийся под действием реактивной струи, толщина которого определяется как:

где V — скорость уноса, м/с;

t — заданное время экспозиции, с.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на поверхность мишени, обращенную к выходному срезу сопла испытываемого ракетного двигателя, нанесены неровности, разрушающиеся под действием реактивной струи, высота которых определяется как:

Отклоняемый вектор тяги [ править | править код ]

Отклоняемый вектор тяги (ОВТ) — функция сопла, изменяющая направление истечения реактивной струи. Предназначена для улучшения тактико-технических характеристик самолёта. Регулируемое реактивное сопло с отклоняемым вектором тяги — устройство с изменяемыми, в зависимости от режимов работы двигателя, размерами критического и выходного сечений, в канале которого происходит ускорение потока газа с целью создания реактивной тяги и возможностью отклонения вектора тяги во всех направлениях.

Применение на современных самолётах

В настоящее время система отклонения вектора тяги рассматривается как один из обязательных элементов современного боевого самолёта в связи со значительным улучшением лётных и боевых качеств, обусловленным её применением. Также активно изучаются вопросы модернизации имеющегося парка боевых самолётов, не имеющих ОВТ, путём замены двигателей или установки блоков ОВТ на штатные двигатели. Второй вариант был разработан одним из ведущих российских производителей ТРД — компанией «Климов», которая также выпускает единственное в мире серийное сопло с всеракурсным отклонением вектора тяги для установки на двигатели РД-33 (семейство истребителей МиГ-29) и АЛ-31Ф (истребители марки Су).

Боевые самолёты с управляемым вектором тяги:

C осесимметрическим отклонением вектора тяги

• Rockwell-MBB X-31 (Экспериментальный самолёт серии X-planes[1] )
• МиГ-29ОВТ
• МиГ-35
• Су-27СМ2 (двигатель АЛ-31Ф-М1, Изделие 117С)
• Су-30 (двигатель АЛ-31ФП)
• Су-35С
• Су-37
• Су-57 (ПАК ФА — название прототипа)
• F-15S (экспериментальный)

С отклонением вектора тяги в плоском сопле

• F-22 Raptor

Принцип

Принцип векторной тяги состоит в том, чтобы ориентировать поток на выходе из реактора, например, с помощью ориентируемого сопла . Первые сопла могли вращаться только вертикально, воздействуя только на тангаж самолета. Появление второго поколения горизонтально ориентируемых сопел также сделало возможным воздействие на рыскание . Еще одно усовершенствование парных реакторов — это возможность асинхронного перемещения двух сопел , то есть независимо друг от друга. Это позволяет контролировать крен и дополнительно улучшает маневренность и траектории самолета.

Управляемый компьютером, действие на вектор тяги встроено в органы управления рулевых поверхностей. На истребителях типа Су-37 сопла ориентированы благодаря расположенным вокруг них гидроцилиндрам. В случае выхода из строя гидравлической системы пневматическая система возвращается в исходное положение и блокирует форсунку в нейтральном положении. На некоторых самолетах, таких как X-31 , перемещается не сопло, а дефлекторные панели, приводимые в действие гидроцилиндрами, которые направляют поток тяги.

Перед производителями двигателей стояла задача создать систему, которая была бы достаточно прочной и мощной, чтобы выдержать ударную струю . Гидравлическая система была достаточно мощной, чтобы удерживать сопло под наклоном, в то время как материалы, устойчивые к нагреву выхлопных газов, уже существовали. На самолетах, использующих векторную тягу для увеличения маневренности, сопло наклоняется примерно от 15 до 25 ° со скоростью примерно 30 ° / с .

Векторная тяга дает истребителям преимущество перед врагами, у которых нет этой техники: делать очень крутые повороты, чтобы встретиться лицом к лицу с противником, заманивать доплеровские радиолокационные системы полетом на малой скорости и даже выходить из сваливания. Это также обеспечивает дополнительный запас прочности за счет компенсации частичного разрушения одной или нескольких поверхностей управления во время воздушного боя.

Согласно Eurojet, векторная тяга снизит эксплуатационные расходы реактивного истребителя, увеличит срок службы двигателей и снизит расход топлива (от 3 до 5% на его двигателе EJ200 в типичной миссии).