Способ изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде и устройство для его осуществления

Способ изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится преимущественно к технике для движения в воздушной среде с дозвуковой скоростью, в частности к дозвуковым летательным аппаратам, скоростным судам, поездам и автомобилям, и позволяет снизить сопротивление движению транспортных средств.

Известно, что различные виды изменения формы транспортных средств в настоящее время практически исчерпали себя, позволяя лишь незначительно повысить их скорость при сравнительно больших затратах.

Наиболее близким к заявленному техническому решению, в частности, по уменьшению основной составляющей аэродинамического сопротивления - сопротивления трения является отсос пограничного слоя с поверхности летательного аппарата (см., напр., Н.Ф.Краснов, В.Н.Кошевой. Управление и стабилизация в аэродинамике. Москва. «Высшая школа». 1978 г., стр.103-104.). Отсос является средством ламинаризации пограничного слоя, благодаря чему происходит снижение сопротивления трения. Техническое решение состоит в том, что отсос пограничного слоя на несущих поверхностях летательных аппаратов производят с помощью вакуумных насосов через профилированные щели, системы отверстий или проницаемые поверхности (дискретный или распределенный отсос). Недостатками этого технического решения являются его сложность, громоздкость, высокая стоимость и вместе с тем малое снижение сопротивления трения, а также практическая невозможность использования на скоростном наземном и водном транспорте. Кроме того, с ростом скорости масса отсасываемого газа возрастает и с определенного предела способ становится практически нереализуемым.

Изобретение направлено на решение задачи изменения аэродинамического сопротивления, в основном, дозвуковых транспортных средств, а технический результат состоит в уменьшении сопротивления движению транспортного средства до 30% за счет уменьшения сопротивления трения приблизительно на 35-40%.

Технический результат достигается тем, что в способе изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде, заключающемся в изменении состояния пограничного слоя транспортного средства, не менее 70% поверхности внешней обшивки транспортного средства нагревают равномерно с допустимым температурным градиентом ±20°С до температуры не ниже 60°С.

Кроме того, поверхность внешней обшивки транспортного средства нагревают до 80-180°С.

Кроме того, нагревают поверхность всей внешней обшивки корпуса транспортного средства.

Кроме того, поверхность внешней обшивки транспортного средства нагревают за счет прокачки смеси воздуха и продуктов сгорания топлива двигательной установки.

Технический результат достигается также тем, что в способе изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде, заключающемся в изменении состояния пограничного слоя транспортного средства, не менее 70% поверхности внешней обшивки транспортного средства нагревают равномерно с допустимым температурным градиентом ±20°С до температуры не ниже 60°С и вместе с тем производят локальный выдув разогретой смеси воздуха и продуктов сгорания топлива двигательной установки через проницаемые пористые вставки на поверхностях транспортного средства в обтекающий его воздушный поток поперек потока при скорости этого потока не менее 0,25 числа Маха.

Кроме того, поверхность внешней обшивки транспортного средства нагревают до 80-180°С.

Кроме того, нагревают поверхность всей обшивки транспортного средства.

Кроме того, поверхность внешней обшивки транспортного средства нагревают за счет прокачки смеси воздуха и продуктов сгорания топлива двигательной установки.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде, включающем в себя корпус транспортного средства, его двигательную установку, компрессор, герметичные магистрали, а также содержащем систему для изменения состояния пограничного слоя транспортного средства, согласно изобретению в качестве системы для изменения состояния пограничного слоя транспортного средства по обшивке транспортного средства изнутри встроен канал или встроены каналы, покрывающие не менее 70% площади внутреннего слоя обшивки, причем канал или каналы ограничены с внешней стороны стенкой, смежной с обшивкой транспортного средства, или сам внутренний слой обшивки является стенкой канала, а с внутренней стороны - стенкой, отделяющей канал от внутреннего пространства транспортного средства, при этом внутренний слой обшивки или смежная с обшивкой транспортного средства стенка канала или каналов для прокачки разогретого газа от двигательной установки или смеси разогретого газа от двигательной установки с воздухом от компрессора или воздухозаборника через систему герметичных магистралей имеет равномерный тепловой контакт канала или каналов с внешней поверхностью обшивки, а между противоположными стенками канала для интенсификации теплообмена установлены прерывистые ребра, расположенные вдоль канала или каналов.

Кроме того, каналы, прилегающие изнутри к внешней обшивке транспортного средства, выполнены в форме кольцевых каналов и между наружными и внутренними стенками каналов установлены прерывистые ребра, расположенные вдоль каналов, для интенсификации конвективного теплообмена.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде, включающем в себя корпус транспортного средства, его двигательную установку, компрессор, герметичные магистрали, а также содержащем систему для изменения состояния пограничного слоя транспортного средства, согласно изобретению в качестве системы для изменения состояния пограничного слоя транспортного средства по обшивке транспортного средства изнутри встроен канал или встроены каналы, покрывающие не менее 70% площади внутреннего слоя обшивки, причем канал или каналы ограничены с внешней стороны стенкой, смежной с обшивкой транспортного средства, или сам внутренний слой обшивки является стенкой канала, а с внутренней стороны - стенкой, отделяющей канал от внутреннего пространства транспортного средства, при этом внутренний слой обшивки или смежная с обшивкой транспортного средства стенка канала или каналов для прокачки разогретого газа от двигательной установки или смеси разогретого газа от двигательной установки с воздухом от компрессора или воздухозаборника через систему герметичных магистралей имеет равномерный тепловой контакт канала или каналов с внешней поверхностью обшивки, а между противоположными стенками канала для интенсификации теплообмена установлены прерывистые ребра, расположенные вдоль канала или каналов, при этом герметичные магистрали также подведены к проницаемым пористым вставкам, расположенным на обшивке транспортного средства на уровне ее поверхности.

Кроме того, каналы, прилегающие изнутри к внешней обшивке транспортного средства, выполнены в форме кольцевых каналов и между наружными и внутренними стенками каналов установлены прерывистые ребра, расположенные вдоль каналов, для интенсификации конвективного теплообмена.

Кроме того, проницаемые пористые вставки размещены рядами на нижней и верхней или на нижней или верхней поверхностях несущей плоскости транспортного средства параллельно передней кромке соответствующей поверхности или перпендикулярно направлению набегающего воздушного потока, причем суммарная ширина проницаемых пористых вставок составляет 5-7% от максимальной хорды несущей плоскости, а при цилиндрической форме транспортного средства проницаемые пористые вставки выполнены в виде замкнутого цилиндрического кольца и суммарная ширина кольцевых вставок составляет 5-7% от полной длины корпуса транспортного средства.

Кроме того, перед каждой проницаемой пористой вставкой и параллельно ей выполнена прямоугольная или кольцевая щель для разрыва и возобновления приповерхностного пограничного слоя.

Кроме того, между проницаемыми пористыми вставками и прилегающей поверхностью несущей плоскости или корпуса транспортного средства установлена экранно-вакуумная теплоизоляция.

Снижение силы лобового сопротивления любого транспортного средства, перемещающегося с достаточно высокой скоростью в воздушной среде, достигается за счет уменьшения сопротивления трения, составляющего 70-80% общего лобового сопротивления. Уменьшение сопротивления трения на дозвуковых скоростях производят путем формирования указанного температурного режима с использованием экономичной системы нагрева, а также путем сочетания этой процедуры с дополнительным поперечным выдувом струи разогретого газа в виде смеси воздуха и продуктов сгорания топлива в набегающий поток воздуха. Эффект проявляется как при ламинарном, так и при турбулентном режимах движения окружающего воздуха. При обычном движении транспортного средства при достаточно высоких дозвуковых скоростях при частичном (меньше 60% по длине аппарата) нагреве корпуса транспортного средства или при разных температурах внешней обшивки при переходе воздушного потока от нагретой части к холодной происходит резкая деформация профилей скорости, приводящая к значительному увеличению напряжения трения, тогда как при равномерном нагреве всей или почти всей внешней обшивки происходит следующее. Нагрев газа в пограничном слое вблизи внешней поверхности транспортного средства приводит к уменьшению плотности газа и к увеличению его коэффициента вязкости. В результате весь газ вблизи всей поверхности корпуса аппарата дополнительно тормозится при падении его плотности. Вследствие этого толщина пограничного слоя в направлении нормали к обтекаемой поверхности возрастает на 50-80%. По этой причине профили скорости газа во внешнем потоке становятся менее заполненными (то есть градиент скорости внешнего потока в направлении нормали уменьшается. Известно (см. Г Шлихтинг. Теория пограничного слоя. Москва. «Наука», 1974 г., стр.210-221), что напряжение трения (напряжение трения - это сила трения, отнесенная к единице площади обтекаемой поверхности) на стенке в пограничном слое газа пропорционально градиенту скорости в направлении нормали к стенке. Причем снижение градиента скорости в данном случае оказывается большим, чем рост коэффициента вязкости газа. Поэтому суммарное влияние этих двух факторов и приводит к снижению напряжений трения вдоль всей внешней поверхности корпуса аппарата (или несущей плоскости летательного аппарата).

Кроме того, из-за образования локальных отрывных зон при местном выдуве газа, в которых газ движется в направлении, противоположном направлению невозмущенного потока, снижается интегральная сила сопротивления трения, препятствующая горизонтальному движению летательного аппарата и других транспортных средств, что также может применяться в ряде случаев вместе с равномерным нагревом обшивки. Это еще больше снижает суммарное аэродинамическое сопротивление. (См., напр., «Течение газа с подводом тепла вблизи внешней поверхности тела». Обзор ОНТИ ЦАГИ. Москва, 1971. № 347, стр.185.; Низовцев В.М., Москалец Г.Н. Влияние расположения области локального тепломассоподвода на распределение давления и трения по поверхности летательного аппарата в сверхзвуковом потоке вязкого газа. Сборник «Методы исследований аэротермодинамических характеристик гиперзвуковых летательных аппаратов». Тезисы докладов ежегодной научной школы-семинара ЦАГИ «Механика жидкости и газа». ЦАГИ, 1992 г., стр.140-141.; Низовцев В.М. Численные расчеты структуры отрывных зон в ламинарном и турбулентном пограничном слое сжимаемого газа при локальном тепломассоподводе. Сборник «Турбулентный пограничный слой».

Тезисы докладов ежегодной научной школы-семинара ЦАГИ «Механика жидкости и газа». ЦАГИ, 1991 г., стр.103; Низовцев В.М. Sharp air fall head flux and surface loading distribution particularity in hypersonic viscose flow with local head mass supply. Тезисы докладов международной конференции. ЦАГИ, 1994 г., стр.17-19.

На чертеже показано в разрезе (вид сбоку) транспортное средство в виде дозвукового крылатого летательного аппарата метеорологического назначения. Кроме того, на чертеже приведены следующие обозначения: М - число Маха потока; T∞ - температура набегающего потока; р∞ - давление набегающего потока; V∞ - скорость набегающего потока; v - местная скорость газа; Т - температура газа, выдуваемого через пористые вставки; р - давление газа на поверхности несущей плоскости в окрестности пористой вставки; Yд - дополнительная поперечная (подъемная) сила, обусловленная выдувом газа через проницаемую вставку; Tc - температура нагреваемой стенки; Тп - температура газа в пограничном слое.

Устройство изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде содержит двигатель 1, например турбореактивный двигатель, включающий в себя компрессор 2, воздухозаборник 3, расположенный в передней части транспортного средства. От входа выхлопного сопла двигателя 1 отведена герметичная магистраль 4 для разогрева газа, соединенная с герметичной магистралью 5, которая подключена к компрессору 2 и воздухозаборнику 3. Газ, смешанный с более холодным воздухом, поступает в герметичную магистраль 6, подключенную к коллектору 7, соединенному с кольцевым каналом 8, прилегающим с внутренней стороны ко всей внешней обшивке 9 корпуса транспортного средства. Между наружными и внутренними стенками канала 8 установлены прерывистые ребра 10, расположенные вдоль кольцевого канала 8. Выход канала 8 соединен с двигателем 1 для возврата прокачанной через канал 8 газовоздушной смеси, например, в выхлопное сопло двигателя 1.

Герметичная магистраль 5 также подведена к проницаемым пористым вставкам 11, размещенным на обшивке 9 корпуса и на верхней 12 и на нижней 13 поверхностях несущих плоскостей 14 на уровне их внешних поверхностей параллельно передней кромке поверхностей, то есть перпендикулярно направлению набегающего на обшивку 9 корпуса воздушного потока. При цилиндрической форме обшивки 9 корпуса проницаемые пористые вставки 11 выполнены в виде замкнутого цилиндрического кольца с суммарной шириной 5-7% от полной длины обшивки 9. Суммарная ширина проницаемых пористых вставок 11 на несущих плоскостях 14 составляет 5-7% от максимальной длины хорды несущей плоскости 14.

Устройство работает следующим образом.

При движении транспортного средства для снижения сопротивления отбирают разогретый газ (продукты сгорания) от двигателя 1, например от выхлопного сопла турбореактивного двигателя. От компрессора 2 или воздухозаборника 3 отбирают холодный воздух. Разогретый газ и воздух подают соответственно по магистралям 4 и 5 для смешивания и дальнейшей подачи по магистрали 6 через коллектор 7 к кольцевому каналу 8, который прилегает ко всей внешней обшивке 9 корпуса транспортного средства. Для интенсификации теплоотдачи от горячего прокачиваемого газа к обшивке 9 между наружными и внутренними стенками канала 8 установлены прерывистые ребра 10. С выхода канала 8 газ возвращают в двигатель 1. При этом через герметичную магистраль 5 к проницаемым пористым вставкам 11 подают газовоздушную смесь для поперечного выдува ее в набегающий высокоскоростной воздушный поток. Проницаемые пористые вставки 11 расположены на обшивке 9 корпуса на уровне ее внешней поверхности. Кроме этого, проницаемые пористые вставки 11 размещены на верхней 12 и нижней 13 поверхностях несущих плоскостей 14 параллельно передней кромке поверхности и перпендикулярно направлению набегающего воздушного потока. При цилиндрической форме обшивки 9 корпуса транспортного средства проницаемые пористые вставки 11 выполнены в виде замкнутого цилиндрического кольца с суммарной шириной 5-7% от полной длины обшивки 9. Суммарная ширина проницаемых пористых вставок 11 на несущих плоскостях 14 составляет 5-7% от максимальной хорды несущей плоскости 14.

Параметры разогретого, выдуваемого через вставки 11 газа меняются в следующих пределах: температура газа на 150-200°С больше температуры внешнего набегающего потока; скорость выдуваемого газа - дозвуковая, но меньше скорости набегающего внешнего потока.

При взаимодействии поперечно выдуваемого через вставки 11 разогретого газа с основным холодным набегающим высокоскоростным потоком происходит следующее: дозвуковая поперечная струя газа, выдуваемого через вставки 11, является препятствием для высокоскоростного дозвукового набегающего потока, который интенсивно тормозится в соответствии с особенностями изоэнтропических течений, а повышенная температура выдуваемого газа делает это препятствие более жестким. В результате кинетическая энергия газа преобразуется в потенциальную, а давление газа в области выдува повышается. Повышение давления в области локального тепломассоподвода приводит к отрыву потока вязкого газа на обтекаемой поверхности и образованию местной отрывной зоны или местных отрывных зон, в которых газ движется в направлении, противоположном направлению внешнего набегающего потока. Вследствие этого интегральная сила сопротивления трения, препятствующая горизонтальному движению транспортного средства, снижается.

В случае высоких температур выдуваемого газа между проницаемыми пористыми вставками 11 обшивки 9 транспортного средства установлена экранно-вакуумная теплоизоляция.

1. Способ изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде, заключающийся в изменении состояния пограничного слоя транспортного средства, отличающийся тем, что не менее 70% поверхности транспортного средства нагревают равномерно с допустимым температурным градиентом ±20°С до температуры не ниже 60°С, а двигательную установку транспортного средства, воздухозаборник или компрессор соединяют магистралями с каналами, прилегающими изнутри к внешней обшивке корпуса транспортного средства.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность транспортного средства нагревают до 80-180°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность транспортного средства нагревают за счет прокачки смеси воздуха и продуктов сгорания топлива двигательной установки.

4. Способ изменения аэродинамического сопротивления при движении транспортного средства в воздушной среде, заключающийся в изменении состояния пограничного слоя транспортного средства, отличающийся тем, что не менее 70% поверхности транспортного средства нагревают равномерно с допустимым температурным градиентом ±20°С до температуры не ниже 60°С и вместе с тем производят локальный поперечный выдув с дозвуковой скоростью разогретой смеси воздуха и продуктов сгорания топлива двигательной установки через проницаемые пористые вставки на поверхностях транспортного средства в обтекающий его воздушный поток поперек потока при скорости этого потока не менее 0,25 числа Маха, а двигательную установку транспортного средства, воздухозаборник или компрессор соединяют магистралями с каналами, прилегающими изнутри к внешней обшивке корпуса транспортного средства.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что поверхность транспортного средства нагревают до 80-180°С.

6. Способ по любому из п.4 или 5, отличающийся тем, что поверхность транспортного средства нагревают за счет прокачки смеси воздуха и продуктов сгорания топлива двигательной установки.

7. Устройство изменения аэродинамического сопротивления при движении в воздушной среде транспортного средства, содержащего корпус, двигательную установку, компрессор, включающее герметичные магистрали и систему для изменения состояния пограничного слоя транспортного средства, отличающееся тем, что с внутренней стороны к обшивке транспортного средства прилегает канал или каналы, соединенные герметичными магистралями с двигательной установкой транспортного средства, воздухозаборником или компрессором, а между наружными и внутренними стенками каналов установлены прерывистые ребра, расположенные вдоль каналов, для интенсификации теплообмена.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что каналы, прилегающие изнутри к внешней обшивке транспортного средства, выполнены в форме кольцевых каналов.

9. Устройство изменения аэродинамического сопротивления при движении в воздушной среде транспортного средства, содержащего корпус, двигательную установку, компрессор, включающее герметичные магистрали и систему для изменения состояния пограничного слоя транспортного средства, отличающееся тем, что с внутренней стороны к обшивке транспортного средства прилегает канал или каналы, соединенные герметичными магистралями с двигательной установкой транспортного средства, воздухозаборником или компрессором, а между наружными и внутренними стенками каналов установлены прерывистые ребра, расположенные вдоль каналов, для интенсификации теплообмена, при этом герметичные магистрали также подведены к проницаемым пористым вставкам, расположенным на обшивке транспортного средства на уровне ее поверхности.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что каналы, прилегающие изнутри к внешней обшивке транспортного средства, выполнены в форме кольцевых каналов.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что проницаемые пористые вставки размещены рядами на нижней и верхней или на нижней или верхней поверхностях обшивки транспортного средства параллельно передней кромке соответствующей поверхности или перпендикулярно направлению набегающего воздушного потока, причем суммарная ширина проницаемых пористых вставок составляет 5-7% от максимальной хорды несущей плоскости.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что проницаемые пористые вставки размещены рядами на нижней и верхней или на нижней или верхней поверхностях обшивки транспортного средства параллельно передней кромке соответствующей поверхности или перпендикулярно направлению набегающего воздушного потока, причем при цилиндрической форме транспортного средства проницаемые пористые вставки выполнены в виде замкнутого цилиндрического кольца и суммарная ширина кольцевых вставок составляет 5-7% от полной длины корпуса транспортного средства.

13. Устройство по п.9 или 12, отличающееся тем, что перед каждой проницаемой пористой вставкой и параллельно ей выполнена прямоугольная или кольцевая щель для разрыва и возобновления приповерхностного пограничного слоя.

14. Устройство по п.9 или 12, отличающееся тем, что между проницаемыми пористыми вставками и прилегающей поверхностью несущей плоскости установлена экранно-вакуумная изоляция.