Технические науки / 5. Энергетика

д.т.н. Силуянова М.В., Шпагин В.П., Юрлова Н.Ю.

ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э.Циолковского»

Моделирование пневматического способа отклонения вектора тяги плоского реактивного сопла

Одним из способов отклонения вектора тяги (ОВТ) является использование тонкой реактивной струи, истекающей из щелевого сопла на криволинейную отклоняющую поверхность – пневматический способ ОВТ. Тонкая щелевая струя, обтекая искривленную отклоняющую поверхность, увлекает за собой струю основного двигателя, при этом угол отклонения вектора тяги регулируется количеством (расходом) выдуваемого в тонкую щель газа, причем отклонение вектора тяги от оси здесь может достигать значительных углов [1]. Отмечается, что пневматическая система ОВТ может обеспечить хорошие характеристики самолета при повышенной маневренности, достаточно быстрое увеличение подъемной силы и получение короткой длины взлетной и посадочной дистанции. Пневматическая система ОВТ не требует регулируемых или отклоняемых элементов, т.к. отклонение вектора тяги достигается пневматическим способом. Выдуваемая из тонкой щели плоская струя прилипает к криволинейной поверхности вследствие баланса центробежных сил тангенциально выдуваемой щелевой струи и снижения статического давления по сечению струи. Это явление известно как эффект Коанда. Струя основного двигателя истекает из плоского сопла, создавая тягу, затем, взаимодействуя со щелевой струей, обтекает криволинейную поверхность, создавая дополнительную силу (или тягу) до момента отрыва струи от поверхности. При увеличении количества движения газа понижается минимальный уровень давления на поверхности Коанда и увеличивается площадь поверхности, на которую действует это давление. Пониженное давление на обтекаемой поверхности приводит к отклонению реактивной струи сопла основного двигателя вплоть до момента отрыва потока от этой поверхности. Суммарная тяга есть сумма тяги сопла основного двигателя и силы, возникающей на криволинейной поверхности Коанда. Увеличение этой силы соответствует увеличению угла отклонения вектора тяги. Так как величина силы, действующей на обтекаемую поверхность, определяется количеством движения тангенциально выдуваемого газа из щелевого сопла, то изменение этого количества движения позволяет изменять или управлять величиной угла отклонения вектора тяги [2].

Возможность отклонения вектора тяги реактивного сопла пневматическим способом была проверена с помощью численного моделирования в программном комплексе ANSYS (модуль CFX и Fluent). Расчетная модель для задачи построена в программе Unigraphics NX 7.5 (рис. 1).

Рисунок 1. – Расчетная модель

Выходное сечение имеет следующие геометрические характеристики – прямоугольник с соотношением ширины к высоте, равном 3 при ширине 2265 мм, высота щели – 55 мм. Поверхность Коанда – полуцилиндр радиусом 300 мм.

При исследовании на расчетную модель задачи были наложены следующие граничные условия:

- выходное сечение сопла: u_с = 330 м/c, T_с = 410 К;

- выходное сечение щелевого сопла: u_щ = 0...500 м/c, T_щ = 300 К;

- выход из расчетной области: P_ст = 1 атм, T = 288.1 К.

Результаты расчетов приведены на рисунках 2, 3.

Рисунок 2. – Результаты расчета для случая: u_щ = 0 м/с (при истечении тонкой струи из верхней щели).

а)

в)

г)

б)

Рисунок 3. – Результаты расчетов: а) u_щ = 100 м/с; б) u_щ = 200 м/с; в) u_щ = 300 м/с; г) u_щ = 500 м/с (при истечении тонкой струи из верхней щели)

При анализе результатов моделирования можно сделать вывод о возможности реализации концепции пневматического отклонения вектора тяги. Показано, что с увеличением скорости (а, следовательно, и количества движения) вытекания воздуха из щели увеличивается угол отклонения вектора тяги. В рассмотренной постановке был достигнут угол отклонения вектора тяги ~ 8º. При этом, по экспериментальным данным [1], угол ОВТ может достигать 60°. Так как для летательных аппаратов обычно достаточно отклонения истекающей струи в пределах 20°, можно говорить о возможности применения пневматического отклонения вектора тяги в реальных условиях.

Литература:

1. 1. Лаврухин Г.Н., Широкопояс Е.П. Проблемы аэродинамики выходных устройств перспективных самолетов. Часть II/Экспериментальные исследования реактивных сопел современных и перспективных самолетов: Обзор ОНТИ ЦАГИ. №271, 1993.

2. Силуянова М.В., Шпагин В.П., Скирдов Г.П. Применение композиционных материалов в конструкции форсажной камеры и реактивного сопла ТРДДФ //  Научные труды XXXYIII Международной молодежной конференции «Гагаринские чтения» в 8 томах. — М.: МАТИ, 2012. Т2, 256 с., с. 248-249.