Способ управления обтеканием сверхзвукового летательного аппарата

Изобретение относится к маневрирующим в атмосфере сверхзвуковым летательным аппаратам (ЛА). Управление обтеканием основывается на изменении направления набегающего воздушного потока со встречного на радиальное истечение относительно ЛА с использованием нагреваемой по команде газопроницаемой пористой вставки на переднем конце ЛА. Нагрев газопроницаемой пористой вставки осуществляется с помощью электрического индукционного нагрева. Изобретение направлено на упрощение системы воздействия на поток и повышение быстродействия управления обтеканием. 1 ил.

 

Изобретение относится к авиационной и ракетно-космической технике, в частности к способам управления аэродинамическими характеристиками маневрирующих в атмосфере сверхзвуковых летательных аппаратов (ЛА) на основе управления их обтеканием.

В настоящее время известны способы управления движением сверхзвуковых ЛА, основанные на изменении их обтекания с помощью механического отклонения управляющих элементов (щитки, элероны, триммеры), выдвижения из носовой части набора стержней, выдува в набегающий поток газовых струй с поверхности ЛА. Эти методы предполагают наличие в ЛА движущихся частей и сервомеханизмов движения элементов управления, либо двигателей для создания напора струй и управляемых задвижками каналов подвода к поверхности струйного газа. Это существенно усложняет конструкцию ЛА, увеличивает время выполнения маневра и увеличивает необходимый для функционирования систем управления внутренний объем. Для маневрирующих малоразмерных сверхзвуковых аппаратов предпочтительными являются методы управления обтеканием без механических движущихся частей и использующие электронное приведение в действие управляющего воздействия.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ управления обтеканием, описанный в патенте РФ №2559193 С1, МПК В64 21/04, В64 19/00, опубл. 10.08.2014 [1], который принят за прототип и в котором используется изменение направления набегающего потока со встречного на радиальное истечение относительно продольной оси ЛА с использованием газопроницаемых высокопористых материалов, расположенных в потоке в передней части корпуса ЛА. Включение управляющего воздействия здесь осуществляется симметричным или несимметричным нагревом пористого материала тлеющим электрическим разрядом, беспламенным каталитическим горением на поверхности пор или с помощью омического нагревателя. В частности, увеличение силы сопротивления здесь обеспечивается симметричным нагревом пористого материала, а боковые усилия - несимметричным нагревом. Это изобретение в наибольшей степени реализует идею немеханического, без расхода массы управления обтеканием и направлено на применение в малоразмерных сверхзвуковых ЛА.

При всех достоинствах вышеупомянутого изобретения его существенным недостатком являются применяемые методы нагрева передней пористой вставки. Электрический тлеющий разряд может существовать только в определенном диапазоне плотности и скорости течения воздуха в порах материала. Это ограничивает диапазон высоты полета ЛА, где электрический разряд может использоваться и, кроме того, делает весьма неоднородным нагрев материала вставки.

Использование каталитического беспламенного горения предполагает наличие в конструкции ЛА запасов горючего газа и систем подвода и регулирования подачи газа в переднюю пористую вставку в соответствии со скоростью и высотой полета ЛА. Такая система может быть реализована на крупногабаритных ЛА, но для малоразмерных маневрирующих ЛА она труднореализуема.

Омический нагрев пористого материала специальными нагревательными элементами, как в прототипе, не зависит от условий обтекания ЛА, но распределение энергии нагрева в большой степени зависит от теплопроводности материала пористой вставки. В силу большой величины пористости передача тепла может осуществляться только по тонким элементам материала скелета пористой вставки, что ограничивает величину подвода тепловой энергии в пористый материал от нагревательных элементов. В условиях сверхзвукового обтекания это приводит к существенной неоднородности поля температуры во вставке и большим ее значениям только вблизи нагревательных элементов.

Технический результат изобретения состоит в том, чтобы обеспечить равномерный по объему подвод энергии для нагревания материала передней пористой вставки, вне зависимости от условий обтекания (высоты и скорости полета ЛА). В данном варианте технической реализации изобретения удается обеспечить равномерный подвод энергии в газопроницаемый пористый материал в режиме симметричного нагрева пористой вставки, что обеспечивает управление силой сопротивления ЛА.

Для достижения этого технического результата в предлагаемом способе используется специальный режим электрического индукционного нагрева передней пористой вставки, заключенной в индукционную катушку, соединенную с высокочастотным генератором электрического тока. Нагревание газопроницаемой пористой вставки осуществляется токами Фуко, наводимыми в электропроводящем материале пористой вставки переменным магнитным полем индукционной катушки, при этом для однородного по объему пористой вставки нагрева необходимо условие, чтобы эффективная глубина проникновения магнитного поля во вставку δ была значительно больше радиуса вставки R, что должно учитываться при определении частоты переменного тока индукционного нагрева.

Подводимая к пористой вставке электрическая мощность не зависит от условий обтекания и равномерно распределяется по ее объему. Изменение мощности индукционного нагрева позволяет изменять температуру передней пористой вставки и, следовательно, величину аэродинамического сопротивления ЛА.

Сравнительный анализ предлагаемого способа нагрева передней пористой вставки с прототипом показывает, что использование индукционного нагрева обеспечивает независимость нагревания от условий обтекания, однородность по пространству подаваемой в пористый материал электрической мощности и не требует наличия запасов горючего газа в ЛА, что обеспечивает создание управляющих аэродинамических сил и упрощает конструкцию ЛА.

Предлагаемый способ нагрева газопроницаемых пористых вставок поясняется чертежом, представленным на фиг. 1.

На фиг. 1. - схема управления обтеканием носовой части ЛА при помощи индукционного нагрева передней пористой вставки. Показан вид сбоку.

На схеме фиг. 1 показаны набегающий поток 1, головная ударная волна 2, пористая вставка 3, нагреваемая токами Фуко, создаваемыми индукционной катушкой 4. Пористая вставка 3 изолирована от корпуса 5 ЛА теплоизолятором 6. Индукционная катушка утоплена в пористый материал и электрически изолирована от него.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Для осуществления торможения ЛА за счет увеличения его волнового сопротивления в заданный момент времени на индукционную катушку, охватывающую переднюю газопроницаемую вставку, от генератора подается переменный ток, создающий переменное во времени магнитное поле. Это поле пронизывает материал вставки и наводит в пористом материале токи Фуко, которые однородно нагревают материал пористой вставки. Этот нагрев приводит к торможению набегающего потока в порах материала и увеличению сопротивления ЛА в целом. После отключения генератора вставка охлаждается набегающим потоком, и начальное сопротивление ЛА восстанавливается.

Для однородного по объему пористой вставки нагрева в этом способе необходимо условие, чтобы эффективная глубина проникновения магнитного поля во вставку δ была значительно больше радиуса вставки R. Величина δ определяется из соотношения [2]

Здесь с - скорость света; ƒ - частота переменного тока в индукционной катушке; σ - эффективная удельная электропроводимость пористой вставки. Из этого выражения находят необходимую частоту переменного тока в индукционной катушке f<<С2/R2σ.

Для высокопористых металлических пористых материалов величина σ меньше собственной величины удельной электропроводимости металлов σ0, из которых изготовлен пористый материал, и может быть оценена из соотношения σ≅(1-ε)⋅σ0. Здесь ε - величина пористости материала. Это связано с тем, что электрические токи Фуко могут проходить только по перемычкам пор скелета пористого материала, а их доля соответствует величине пористости.

Так для ячеисто-пористого никеля с пористостью 95% эффективная удельная электропроводимость будет примерно равна величине 6⋅105 Ом-1⋅м-1, что позволяет использовать для однородного нагрева переменный ток с частотой менее 100 МГц. Для защиты корпуса и оборудования ЛА от нагревания переменным магнитным полем поверхность переднего конца корпуса ЛА необходимо покрывать тонким слоем металла с высокой удельной электропроводимостью, например медью или алюминием, и использовать частоту тока нагрева, близкую к верхней границе частотного диапазона.

В ранее проведенных в ИТПМ СО РАН исследованиях: Миронов С.Г. Маслов А.А., Цырюльников И.С. Управление аэродинамическими силами с помощью газопроницаемых пористых материалов // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, вып. 19. С. 83-88 [3]; Миронов С.Г., Маслов А.А., Кириловский С.В., Поплавская Т.В. Моделирование фильтрации воздуха в высокопористых ячеистых материалах. Влияние нагрева материала // Труды XIV Всероссийского семинара «Динамика многофазных сред», приуроченного к 75-летию академика В.М. Фомина. 2-5 ноября 2015. Новосибирск. С. 292-294 [4] была экспериментально и численно показана высокая эффективность управления сопротивлением течению воздуха в порах ячеисто-пористого материала с помощью нагревания материала различными электрическими методами (электрический тлеющий разряд, омическое нагревание), что позволило на этой основе предложить индукционный метод нагревания металлических пористых материалов применительно к сверхзвуковым ЛА.

Предлагаемый способ управления сверхзвуковым обтеканием путем индукционного нагрева передней пористой вставки может быть использован при разработке и проектировании возвращаемых космических аппаратов, высотных гиперзвуковых летательных аппаратов, осуществляющих управляемое сверхзвуковое движение в атмосфере, а также при разработке новых элементов боевого оснащения ракет.

Источники информации

1. Патент РФ №2559193 С1, МПК В64 21/04, В64 19/00, опубл. 10.08.2014.

2. Физическая энциклопедия. Т. 4. М.: Изд-во «Большая Российская энциклопедия» 1994. С. 541.

3. Миронов С.Г. Маслов А.А., Цырюльников И.С. Управление аэродинамическими силами с помощью газопроницаемых пористых материалов // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, вып. 19. С. 83-88.

4. Миронов С.Г., Маслов А.А., Кириловский С.В., Поплавская Т.В. Моделирование фильтрации воздуха в высокопористых ячеистых материалах. Влияние нагрева материала // Труды XIV Всероссийского семинара «Динамика многофазных сред», приуроченного к 75-летию академика В.М. Фомина. 2-5 ноября 2015. Новосибирск. Россия. С. 292-294.

Способ управления обтеканием сверхзвукового летательного аппарата набегающим воздушным потоком при его движении во внешней среде, включающий изменение направления воздушного потока со встречного на радиальное истечение относительно летательного аппарата с использованием нагреваемых передних пористых газопроницаемых вставок для создания управляемой величины силы сопротивления движению, отличающийся тем, что осуществляют однородный по объему подвод тепла к пористой вставке с помощью электрического индукционного нагрева, при этом частоту переменного тока индукционного нагрева определяют из условия, чтобы эффективная глубина проникновения магнитного поля в пористую вставку δ была значительно больше радиуса вставки

где f - частота переменного тока индукционного нагрева, С - скорость света, R - радиус пористой вставки, σ - эффективная удельная электропроводимость пористой вставки, которую оценивают из соотношения σ≅(1-ε)⋅σ0, где σ0 - удельная электропроводимость металла пористой вставки, ε - величина пористости вставки, а поверхность переднего конца корпуса летательного аппарата покрывают тонким слоем металла с высокой удельной электропроводимостью.



 

Похожие патенты:

Способ содержит введение в металлический корпус банки 1 индукционной катушки 7, через которую пропускают переменный ток для нагрева фланца 4. Затем выводят катушку 7 из банки 1, а на фланец 4 накладывают отслаиваемую крышку.

Индукционный электромагнитный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей предназначен для использования в электротехнике и электроэнергетике. Устройство содержит герметичный кожух-магнитопровод с дном (1) и крышкой, патрубок (4) подвода-отвода нагреваемой жидкости, электроизолированную электрическую катушку (3), центральную трубу (7) отвода-подвода жидкости с отверстиями у верхнего торца.

Изобретение относится к области нагрева высоковязких нефтей в трубопроводах электромагнитными полями. Способ нагрева включает непрерывное воздействие электромагнитного поля на поток нефти в трубопроводе, при котором для продукции трубопровода определяют низшую критическую температуру Ткн, ниже которой температура продукции не должна снижаться, и высшую критическую температуру Ткв, выше которой нагрев продукции нецелесообразен, на блоке измерения температуры регистрируют начальную температуру продукции трубопровода T0; если Т0<Ткн, через блок управления открывают первый электромагнитный клапан, а второй электромагнитный клапан закрывают.

Изобретение предназначено для нагревания вязких текучих сред, а также для ликвидации и предотвращения образования отложений и пробок в трубопроводах (1) различного назначения, в частности непосредственно в добывающих скважинах.

Изобретение относится к вспомогательному сварочному оборудованию, которое может быть использовано для предварительного нагрева труб перед выполнением сварки или для последующей термической обработки сварного соединения труб.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в вакуумных установках для плавки и термообработки металлов. Технический результат: непрерывный контроль симметрии и величины напряжения вывода индуктора относительно заземленной нейтрали питающей сети, быстрое снижение напряжения на нагрузке при увеличении контролируемого напряжения выше установленного значения, надежное и плавное выключение преобразователя при пробое вывода нагрузки на заземленную нейтраль, повышение электрического КПД индуктора, улучшение формы выходного тока.

Изобретение относится к системе для сварки, нагревательной индукционной системе и способу нагрева с использованием системы для сварки. Нагревательная индукционная система (34), используемая в системе для сварки, включает в себя катушку (36) индукционного нагрева, расположенную рядом со сварочной горелкой или установкой для плазменной резки (16).

Изобретение относится к области индукционного нагрева и термообработки деталей сложной формы, при проведении которой используют комбинацию различных режимов индукционного нагрева, характеризуемых различными частотами тока.

Нагревательный кабель относится к электрическим нагревательным кабелям, в частности к нагревательным кабелям, работающим на скин-эффекте, снабженным неорганической керамической изоляцией.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к теплогенерирующему электромеханическому преобразователю, предназначенному для нагрева и/или перемещения жидкой или газообразной среды.

Группа изобретений относится к способу и системе проведения испытаний беспилотной авиационной системы (БАС), а также испытательной системе для БАС с внешней подвеской.

Изобретение относится к способу адаптивного управления самолетом по крену. Для адаптивного управления самолетом по крену оценивают текущие аэродинамические параметры поперечного движения самолета, формируют сигналы управления, отслеживают изменения количества и расположения внешних подвесок, сравнивают их с исходным расположением, вычисляют осевые и центробежные моменты инерции самолета, корректируют команды управления самолетом.

Изобретение относится к военной технике, преимущественно к тактическим и оперативно-тактическим комплексам управляемого ракетного оружия (УРО) с баллистическими (аэробаллистическими) и высотными крылатыми ракетами.

Изобретение относится к способам автоматической посадки летательного аппарата (ЛА). Для автоматической посадки ЛА в сложных метеорологических условиях задают горизонтальную дальность от начальной точки траектории снижения до ее конечной точки, параметры движения ЛА в конечной точке траектории снижения, измеряют скорость и высоту полета, горизонтальную дальность до конечной точки траектории снижения, отклонение от вертикальной плоскости осевой линии взлетно-посадочной полосы, вертикальную составляющую скорости полета, производят определение углов тангажа, крена и вертикальной составляющей скорости ЛА определенным образом, в зависимости от разности расстояний, определяемых по времени распространения сигналов от расположенных определенным образом приемопередатчиков через определенный интервал времени, подают команды на органы управления ЛА в случае отклонения значения, полученного путем сравнения последующих и предыдущих расчетных данных по вертикальной составляющей скорости ЛА.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при формировании управляющих сигналов включения двигательной установки космического беспилотного летательного аппарата (БПЛА) при выполнении им пространственного маневра на баллистическом участке траектории полета.

Группа изобретений относится к способу и системе автоматического управления самолетом. Для автоматического управления самолетом при посадке используют сигналы радиовысоты, вертикальной скорости, формируют управляющий сигнал на руль высоты и на привод регулятора тяги двигателей, добавляют корректирующие сигналы компенсации влияния ветра на руль высоты и на привод регулятора тяги.

Изобретение относится к способам управления летательными аппаратами. Для управления пилотируемыми или беспилотными летательными аппаратами (БЛА) при совершении маловысотного полета с облетом групп препятствий в вертикальной плоскости задают движение по траектории полета с заданными углами тангажа, корректируют траекторию при сближении с группой препятствий, каждое из которых аппроксимируется полуэллипсом, вычисляют приращение угла тангажа по определенному правилу, корректируют угол тангажа определенным образом, начиная с момента, когда расстояние от управляемого БЛА до цента аппроксимирующего полуэллипса станет меньше определенной заранее заданной величины.

Группа изобретений относится к стендам для прочностных испытаний самолетов. При способе стабилизации планера самолета в пространстве при прочностных испытаниях формируют непрерывные сигналы коррекции по крену и тангажу планера самолета и осуществляют аварийную защиту по максимальной величине углов наклона при помощи системы автоматического управления.

Изобретение относится к маневрирующим в атмосфере сверхзвуковым летательным аппаратам (ЛА). Способ управления обтеканием включает изменение направления воздушного потока со встречного на радиальное истечение относительно ЛА.

Изобретение относится к области гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА). Способ управления аэродинамическими характеристиками гиперзвукового летательного аппарата включает установку плоских МГД-генераторов попарно симметрично относительно плоскости симметрии элементов оперения ГЛА, а между ними располагают магнитоэкранирующие пластины, выполненные из ферромагнитного материала с точкой Кюри, превышающей рабочую температуру элементов ГЛА, обеспечивающих устойчивость, управляемость и балансировку.

Система управления общесамолётным оборудованием с распределенным вычислительным ресурсом содержит два блока управления процессом (БУП), k-блоков защиты и коммутации (БЗК), n-блоков преобразования сигналов (БПС), два блока вычислителя-концентратора (БВК), пульт пилотов, специализированное средство управления, соединенные определенным образом при помощи основного и резервного мультиплексного каналов с общесамолетным оборудованием, бортовым радиоэлектронным оборудованием, пультом пилотов, специализированным средством управления. БУП содержит модуль приема сигналов, модуль силовых команд, модуль процессора. БЗК состоит из основного и резервного каналов, каждый из которых содержит модуль процессора, m-модулей передачи силовых команд, БВК состоит из основного и контрольного канала, каждый из которых содержит модуль приема разовых команд, модуль передатчик разовых команд, модуль вычислительный интегрированный. Каждый из БУП и основных каналы БЗК, БПС, БВК дополнительно содержат модуль распределения вычислительных ресурсов. Модуль распределения вычислительных ресурсов содержит энергонезависимую память, устройство сравнения, устройство приема команд от пульта пилотов. Обеспечивается повышение безопасности пилотирования за счет автоматизации управления и контроля общесамолётного оборудования. 2 ил.

Изобретение относится к маневрирующим в атмосфере сверхзвуковым летательным аппаратам. Управление обтеканием основывается на изменении направления набегающего воздушного потока со встречного на радиальное истечение относительно ЛА с использованием нагреваемой по команде газопроницаемой пористой вставки на переднем конце ЛА. Нагрев газопроницаемой пористой вставки осуществляется с помощью электрического индукционного нагрева. Изобретение направлено на упрощение системы воздействия на поток и повышение быстродействия управления обтеканием. 1 ил.

Наверх