Устройство активной теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления гиперзвукового бпла

Устройство активной теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления гиперзвукового бпла

Реферат

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике, в частности к активной тепловой защите теплонапряженных передних кромок гиперзвукового беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Аналогами предлагаемого устройства являются пассивные средства защиты теплонапряженных элементов конструкции летательного аппарата с помощью высокотемпературных покрытий (Проблемы механики и теплообмена в космической технике. Под ред. Белоцерковского О.М. М.: Машиностроение, 1982; патент США №6497390, 24.12.2002; патент RU №2383476С1, МПК B64G 1/58, B64G 1/62, 25.12.2008).

Известен способ неразрушающейся тепловой защиты передней кромки летательного аппарата от воздействия интенсивного теплового потока и передняя кромка летательного аппарата с неразрушающейся тепловой защитой (патент RU №2149808 С1, МПК B64G 1/58, В64С 1/38, 1/36, 08.06.1999), включающая оболочку с минимальным аэродинамическим сопротивлением и средства транспортировки энергии от передней кромки, воспринимающей пиковые тепловые нагрузки.

Недостатком известного технического решения является дополнительное аэродинамическое сопротивление затупленной передней кромки с оболочкой при гиперзвуковых скоростях полета.

Наиболее близким из технических решений к предлагаемому устройству активной теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления гиперзвукового БПЛА является принятое за прототип устройство, реализующее способ теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления объекта, спускаемого с космического аппарата (патент RU №2219110 С1, МПК B64G 1/58, С09Д 1/02, В64С 1/38, 31.05.2002), содержащее теплоноситель и средства формирования теплозащитного слоя.

Недостатком известного технического решения является повышенное энергопотребление.

Задачей заявленного изобретения является создание эффективной теплозащиты теплонапряженной передней кромки летательного аппарата и модуляции его аэродинамического сопротивления на режимах гиперзвукового полета в атмосфере.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в снижении пиковых тепловых нагрузок на элементы конструкции гиперзвукового БПЛА и повышение топливной эффективности его силовой установки.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в устройстве активной теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления гиперзвукового БПЛА, содержащем теплоноситель и средства формирования теплозащитного слоя, соединенные с системой управления БПЛА, внутри носовой части БПЛА между его передней кромкой и камерой сгорания силовой установки по оси БПЛА размещен цилиндрический газоструйный резонатор с системой управляемых клапанов, расположенных на боковой стенке резонатора, причем открытый вход резонатора совмещен с передней кромкой БПЛА и направлен навстречу набегающему потоку, на внешней поверхности резонатора на его боковых стенках по окружности установлены контейнер с теплоносителем в виде метангидрата и преобразователь метангидрата в смесь паров воды и метана, которая, находясь под давлением в пульсирующем режиме с частотой более 100 Гц, с помощью системы управляемых клапанов газоструйного резонатора обеспечивает возможность формирования на открытом входе резонатора защитного слоя, предохраняющего переднюю кромку БПЛА от пиковых тепловых нагрузок.

Схема устройства активной теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления гиперзвукового БПЛА показана на фигуре 1. В носовой части 4 гиперзвукового БПЛА 1 между его передней кромкой 2 и камерой сгорания 11 силовой установки 12 по оси БПЛА размещен цилиндрический газоструйный резонатор 7 с системой управляемых клапанов 6, расположенных на боковой стенке резонатора 7, причем открытый вход 8 резонатора 7 совмещен с передней кромкой 2 БПЛА и направлен навстречу набегающему потоку. На внешней поверхности резонатора 7 на его боковых стенках по окружности установлены контейнер 3 с теплоносителем в виде метангидрата и преобразователь 5 метангидрата в смесь паров воды и метана. Кроме того, на фигуре 1 обозначено: 9-система управления БПЛА, 10-топливо.

Работает устройство следующим образом.

При движении гиперзвукового БПЛА 1 в атмосфере на него набегает поток воздуха со скоростью V₀, формируется головная ударная волна и температура торможения потока достигает порядка 2000К. На элементы конструкции летательного аппарата, и в первую очередь на его переднюю кромку 2, поступает тепловой поток, который может повредить конструкцию или изменить конфигурацию передней кромки 2, определяющей аэродинамические характеристики БПЛА.

С целью охлаждения передней кромки 2 БПЛА перед ней с помощью преобразователя 5 через систему управляемых клапанов 6, расположенных на боковой стенке газоструйного резонатора 7, создают защитный слой из продуктов разложения метангидрата в виде смеси паров воды и метана. Полученную смесь направляют в газоструйный резонатор 7, в котором пары воды и метана под давлением в пульсирующем режиме с частотой более 100 Гц через открытый вход 8 газоструйного резонатора вводят навстречу набегающему потоку. В результате формируется защитный слой, экранирующий переднюю кромку БПЛА от пиковых тепловых нагрузок. Экспериментально установлено, что для полной диссоциации одного моля водяного пара требуется более 242 кДж. Диссоциация метана в присутствии паров воды также протекает с интенсивным поглощением энергии и хорошим выходом водорода, атомарного углерода, ацетилена и других компонентов с высокой энтальпией, которые могут эффективно быть использованы в процессе горения топливовоздушной смеси в камере сгорания 11 силовой установки 12 гиперзвукового БПЛА 1.

Ввод смеси паров воды и метана газоструйным резонатором 7 навстречу набегающему потоку в пульсирующем режиме вызывает также модуляцию аэродинамического сопротивления БПЛА и способствует устойчивости пограничного слоя БПЛА.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет:

- создать эффективную теплозащиту теплонапряженной передней кромки гиперзвукового БПЛА за счет снижения пиковых тепловых нагрузок на элементы конструкции БПЛА с формированием защитного слоя;

- улучшить устойчивость пограничного слоя за счет создания модуляции аэродинамического сопротивления БПЛА при вводе в набегающий высокоскоростной поток с помощью газоструйного резонатора паров воды и метана под давлением в пульсирующем режиме;

- организовать поглощение энергии набегающего потока при диссоциации молекул воды, метана, а также синтезе ацетилена и других компонентов;

- повысить топливную эффективность БПЛА и улучшить его массогабаритные характеристики за счет использования полученных продуктов разложения метангидрата с добавленной энтальпией в камере сгорания силовой установки гиперзвукового БПЛА.

В настоящее время принято решение о создании опытного образца устройства (демонстратора технологии).

Устройство активной теплозащиты и модуляции аэродинамического сопротивления гиперзвукового БПЛА, содержащее теплоноситель и средства формирования теплозащитного слоя, соединенные с системой управления БПЛА, отличающееся тем, что внутри носовой части БПЛА между его передней кромкой и камерой сгорания силовой установки по оси БПЛА размещен цилиндрический газоструйный резонатор с системой управляемых клапанов, расположенных на боковой стенке резонатора, причем открытый вход резонатора совмещен с передней кромкой БПЛА и направлен навстречу набегающему потоку, на внешней поверхности резонатора на его боковых стенках по окружности установлены контейнер с теплоносителем в виде метангидрата и преобразователь метангидрата в смесь паров воды и метана, которая, находясь под давлением в пульсирующем режиме с частотой более 100 Гц, с помощью системы управляемых клапанов газоструйного резонатора обеспечивает возможность формирования на открытом входе резонатора защитного слоя, предохраняющего переднюю кромку БПЛА от пиковых тепловых нагрузок.