Технические науки / 9. Авиация и космонавтика

К. т. н., Середа В. А.

Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина

Рациональный вид реактивной тележки для обеспечения оптимальных параметров старта легкого беспилотного летательного аппарата

Отличительной особенностью ввода в полет беспилотного летательного аппарата (БЛА) с помощью реактивной тележки является действие силы тяги ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) только на длине направляющей (например, комплекс «Строй-П» с БЛА «Пчела-1»). Предание необходимой скорости БЛА на минимальном участке разгона может быть обеспечено только при воздействии постоянной стартовой перегрузки, т. е. при нейтральным законе горения заряда твердого топлива. Закон тяги любого РДТТ определяется площадью поверхности горения в каждый момент времени, которая зависит от начальной формы заряда и места бронировки.

Максимально приближенный к постоянному закону тяги обеспечивают цилиндрические заряды торцевого и всестороннего (с цилиндрическим каналом) горения. Однако их использование в качестве штатных зарядов для запуска легких БЛА массой до 30 кг при стартовой перегрузке до 5 g не вполне рационально в силу следующих причин. В связи с малым временем движения БЛА по направляющей (около 0,4 с) свод горения для топлива со средней скоростью горения 2 см/с составит всего лишь 8 мм. В результате, для обеспечения необходимой номинальной тяги заряд торцевого горения вырождается в цилиндр с малым удлинением («таблетку»), а всестороннего – в цилиндр с большим удлинением (низкой прочности). Кроме всего прочего, классический сопловой аппарат с избыточной сверхзвуковой скоростью истечения продуктов сгорания, в условиях глубоко дозвуковых скоростей перемещения стартовой тележки, обеспечивает низкий пропульсивный КПД.

Исходя из этого, рациональной представляется реактивная тележка без заднего днища с вкладным цилиндрическим зарядом внутреннего горения по центральному несквозному каналу. У заряда, в котором выходное сечение заряда является одновременно критическим, площадь сечения канала растет, а давление в процессе горения падает и тяга, определяемая их произведением, остается постоянной [1]. Кроме того, такая форма заряда обеспечивает надежную теплозащиту стенок камеры сгорания и обладает необходимой прочностью, а низкие скорости истечения продуктов сгорания обеспечивают высокий тяговый КПД транспортной системы.

Разработана комплексно-сопряженная термогазодинамическая и механическая модель стартовой тележки БЛА, учитывающая пространственное неоднородное течение [2]. Математическое описание модели течения во внутренних и внешних объемах расчетной области основывается на консервативной форме записи уравнений переноса массы, импульса и энергии. Использовалась модель горения, в соответствии с которой суммарная скорость горения является функцией давления и начальной температуры заряда. В качестве необходимого этапа верификации разработанной технологии численного эксперимента было проведено сопоставление результатов расчетов с результатами натурных исследований РДТТ на огневом испытательном стенде НАУ им. Н. Е. Жуковского «ХАИ».

Приведенные на рис. 1 результаты получены на 4-ядерной ПЭВМ класса Pentium 4 с тактовой частотой процессора 2,2 ГГц на прямоугольной регулярной расчетной сетке 30×30×120 с пространственным шагом 2 мм. Требуемое машинное время для расчета одного рабочего цикла реактивной тележки составляет 8 ч.

Задача оптимизации реактивной тележки сводится к поиску геометрии заряда твердого топлива, обеспечивающего нейтральный закон горения и, таким образом, постоянную тягу. Применительно к рассматриваемому типу двигателя, управляющим параметром в задаче оптимизации динамических характеристик НПУ становится относительное удлинение канала – отношение длины канала к его диаметру. Варьирование этим соотношением позволяет получить произвольный, но слабо выраженный закон горения (с низкой степенью прогрессивности или регрессивности).

Результаты расчета свидетельствуют о низком характерном для данного типа двигателя значении давления в камере сгорания (до 4 атм), что требует высокого начального диаметра канала для создания потребной перегрузки в момент страгивания БЛА (рис. 1). Скорость истечения на срезе пороховой шашки является дозвуковой, что обеспечивает высокий тяговый КПД транспортной системы «стартовая тележка – БЛА» при наборе скорости до 30 м/с.

Рис. 1. Фазовый срез расчетной области реактивной тележки в момент схода БЛА с направляющей (временной срез 0,3900 с)

Для выявления рациональной конфигурации заряда использовалось нормирование отклонения тяги относительно средней линии, соответствующей постоянному значению предельно допустимой стартовой перегрузки. В численном эксперименте получены циклограммы тяги для стартовой тележки без заднего днища при различном относительном удлинении канала в диапазоне 1-1,88 с шагом 0,22 (рис. 2, поз 0-4).

Наилучшей динамике разгона соответствует заряд с относительным удлинением 1,88 (поз. 4), обеспечивающий нейтральный закон горения и максимальную стартовую скорости БЛА (30,8 м/с) на заданном участке направляющей (3 м).

а	б
Рис. 2. Циклограммы динамических характеристик реактивной тележки при различных формах заряда: а – стартовая перегрузка; б – скорость разгона БЛА

Задача получения адаптивного тягового усилия также решается при наличии эксплуатационных ограничений по полному импульсу отдачи на элементы конструкции в передней мертвой точке направляющей. Удар тележки об упругий демпфер в конце участка разгона приводит к дефрагментации заряда и покиданию им камеры сгорания, следствием чего является мгновенное падение тяги РДТТ до нуля.

Литература:

1. Волков, Е. Б. Твердотопливные ракеты [Текст] / Е. Б. Волков, Г. Ю. Мазинг, В. Н. Сокольский. – М.: Машиностроение, 1992. – 288 с.

2. Середа, В. А. Газотермодинамическая модель ракетного двигателя твердого топлива [Текст] / М. В. Амброжевич, В. А. Середа // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н. Е. Жуковского «ХАИ» – Х.: НАКУ, 2011. – Вып. 65 (1) – C. 88-93.