Экспериментальное исследование газодинамического способа управления струйным течением Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Том XXXVII

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 2 006

№ 4

УДК 629.7.036.062.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ СТРУЙНЫМ ТЕЧЕНИЕМ

Б. Л. ЖИРНИКОВ, О. К. КУДИН, Ю. Н. НЕСТЕРОВ

Представлены результаты экспериментального исследования газодинамического воздействия на струйное течение с целью управления вектором тяги и снижения донного сопротивления. Исследования проводились на схематической модели хвостовой части летательного аппарата, в котором используется плоское сопло с внешней расширительной стенкой,

являющейся элементом фюзеляжа. Рассматривается газодинамический способ управления, основанный на подаче дополнительного воздуха через перфорацию в расширительной стенке.

Приводятся данные весовых и дренажных испытаний, дающие представление о возможной эффективности такого способа управления.

В схемах перспективных летательных аппаратов (ЛА), в которых фюзеляж интегрирован с силовой установкой, хвостовая поверхность фюзеляжа используется в качестве стенки сопла с внешним расширением струйного потока. При работе такого сопла на маршевом режиме полета вектор тяги направлен прямо вперед и проходит через центр масс аппарата. На начальных режимах полета, когда перепад давления на сопле невелик, реактивная струя приобретает ячеистую структуру, прилипает к расширительной стенке и распространяется вдоль нее. На стенке возникают зоны разрежения, струя отклоняется вверх, а на хвостовую часть ЛА со стороны струи действует сила, направленная вниз. В результате, вектор эффективной тяги оказывается направленным не по оси аппарата, а отклоняется вниз, что приводит к появлению кабрирующего момента. Этот момент настолько значителен, что его трудно парировать обычными аэродинамическими органами управления [1]. Постоянно меняющийся характер течения у расширительной стенки при изменении перепада давления на сопле и большие омываемые поверхности затрудняют создание сопла регулируемой геометрии. Поэтому возникает необходимость поиска возможностей управления струйным течением газодинамическими способами. Один из возможных способов управления состоит в подаче дополнительного расхода через расширительную стенку с целью уменьшения разрежения на ней или перевода течения из схемы с обтеканием стенки струей в схему с отрывом струи от стенки, что позволит соединить отрывную зону с окружающей средой. Расход воздуха, который необходимо подавать через стенку для эффективного управления течением, должен определить возможность применения такого способа. Цель настоящей работы заключается, в основном, в экспериментальной оценке необходимых расходов дополнительного воздуха.

Первоначальные сведения о возможностях газодинамического воздействия на струйное течение у расширительной стенки сопла на рассматриваемых режимах могут быть получены в экспериментах без внешнего потока. Правомерность такого подхода основана на качественном согласовании результатов численного расчета течения у модельной хвостовой части ЛА без внешнего потока и с внешним потоком на режиме максимального сопротивления.

Экспериментальные исследования проводились на схематической модели, которая состоит из сопла с прямоугольным выходным сечением и перфорированной пластины, примыкающей к длинной стороне выходного сечения (рис. 1). Пластина имитирует нижнюю поверхность хвостовой части ЛА. Длина пластины составляет 20.7к, где к — высота выходного сечения сопла.

В выходном сечении сопла отношение сторон 1 : 6 и число М = 1.9. Полуугол раскрытия сверхзвуковой части сопла составляет 10°. Угол наклона пластины относительно горизонтальной плоскости симметрии сопла 15°. По бокам пластины вдоль всей ее длины установлены щеки в плоскости боковых стенок сопла высотой 2к. На внешней стороне пластины располагается форкамера вторичного воздуха. Внутрь форкамеры могут вставляться заглушки, перекрывающие часть перфорации, через которую подается вторичный воздух.

Перфорация выполнена в виде 78 отверстий одинакового диаметра 0.3к. Суммарная площадь отверстий составляет 0.044 площади пластины и почти равна площади ¥а выходного

сечения сопла (0.92^а).

Испытания проводились на дифференциальном стенде, имеющем две независимые трассы подвода воздуха — для создания основного потока через сопло и вторичного потока через перфорацию в пластине. В обеих трассах установлены расходомеры и управляющие дроссели. Вдув воздуха через перфорацию в пластине осуществлялся перпендикулярно ее поверхности. Дифференциальный стенд представляет собой укрепленную на двухкомпонентных тензометрических весах вертикальную трубу с форкамерой на конце [2]. На противоположных сторонах форкамеры устанавливаются сопла — испытуемое и уравновешивающее. Поток воздуха проходит через тензовесы, выполненные в виде полого цилиндра, и далее по трубе в форкамеру модельного и уравновешивающего сопл. Основная идея этого устройства заключается в уравновешивании тяги модельного сопла с помощью другого, создающего тягу противоположного направления. В качестве уравновешивающего сопла использовалось осесимметричное сопло с числом М на срезе 1.9. Предварительные методические эксперименты показали, что разность тяг обоих сопл в отсутствии пластины на всех исследуемых режимах пренебрежимо мала. При таком способе измерения даже небольшие изменения тяги модельного сопла, обусловленные наличием примыкающей

к нему пластины, могут быть измерены с большой точностью, так как появляется возможность использования более чувствительных весов, рассчитанных на диапазон малых сил.

Конструкция трассы подвода вторичного воздуха предусматривает разгрузку тензовесов от воздействия механических сил, обусловленных ее влиянием. Для исключения возможной ошибки из-за неполной компенсации этого влияния проводились методические эксперименты в отсутствие основного потока. На основании полученных данных определялись поправки, которые учитывались при обработке результатов исследований.

Помимо весовых измерений проводились измерения распределения давления вдоль пластины датчиками ДМИ. Расположение датчиков давления показано на рис. 1.

Рис. 1

Ниже при представлении результатов приняты следующие обозначения: Рх — осевая составляющая полной эффективной тяги в компоновке с расширительной стенкой, Ру — сила действующая на компоновку в вертикальном направлении, в = arctg Ру/Рх — угол отклонения

вектора тяги (схема на рис. 2). Все силы отнесены к тяге Рс свободного сопла без

пластины, полученной расчетом по одномерной теории, а расход вдуваемого через перфорацию воздуха —

к расходу через сопло Євд /Gс. Эксперименты проводились при различных перепадах

давления

на сопле р0]/р , где р0 — полное давление в форкамере сопла, рн — давление в окружающей среде. Результаты измерений

давления на пластине представлены в виде распределения относительного избыточного давления (р - рн)/рн по длине пластины Цк.

Расстояние Ь отсчитывается от передней кромки пластины, примыкающей к срезу сопла. Следует подчеркнуть, что приведенные в работе разности величин рх - Рс, характеризующие влияние пластины,

измеряются непосредственно соответствующей компонентой тензовесов.

На рис. 2 приведены данные измерений составляющих эффективной тяги и угла отклонения вектора тяги при распространении струи из сопла вдоль перфорированной пластины без подачи вторичного воздуха. Данные являются обобщением ряда р ^ экспериментов и получены как при открытии

всех дренажных отверстии на пластине, так и при открытии части отверстии, расположенных вблизи среза сопла и составляющих 0.3 или 0.6 от общей площади дренажа. Видно, что потери осевой компоненты тяги в исследованном диапазоне перепадов на сопле составляют 4 — 5% от тяги сопла, вертикальная компонента эффективной тяги отрицательна и по абсолютной величине составляет 22 — 24% расчетной тяги свободного сопла, угол отклонения вектора тяги Р*-13°К -14°. Поведение экспериментальных точек на приведенных графиках отражает ячеистую структуру течения, изменяющуюся с изменением перепада давления на сопле. Кроме того,

в режиме течения без подачи вторичного потока возможно перетекание газа основного потока через дренажные отверстия между отдельными участками пластины, что может влиять на разброс экспериментальных точек.

Отрицательные значения силы Ру связаны с образованием на пластине зон разрежения.

Кривые распределения давления вдоль пластины (рис. 3) дают представление о протяженности этих зон и об уровне давления в них. Наиболее протяженными зонами с низким давлением являются зоны, расположенные на пластине непосредственно за срезом сопла. Попытки увеличить давление на пластине за счет организации локального вдува в месте расположения этих зон не дали положительных результатов. Наиболее благоприятное распределение давления на пластине оказалось при вдуве вторичного воздуха через все дренажные отверстия (рис. 4). Данные, представленные на рис. 5, 6, показывают, что донное сопротивление, поперечная составляющая эффективной тяги и угол наклона вектора тяги уменьшаются по абсолютной величине с увеличением расхода вторичного воздуха наиболее

существенно при полностью открытой перфорации. То есть, распределенная подача вторичного воздуха по всей пластине наиболее эффективна.

Угол Р отклонения вектора тяги при (Рж-Рс )/Р0 распределенной по всей пластине подаче вторичного воздуха в количестве Gвд/Gc « 0.2 — 0.25 изменяется от -14° до -7°.

Значительные расходы вторичного воздуха, необходимые для улучшения характеристик сопла с внешней расширительной стенкой,

10

Рис. 4

0.1 0.15

«Д / «

Рис. 6 Рис. 7

могут затруднить применение на практике газодинамического способа управления течением. В связи с этим был рассмотрен комбинированный способ, предполагающий наряду с подводом вторичного воздуха использование в схеме хвостовой части ЛА некоторых конструктивных элементов. На модели в области наибольшего разрежения за срезом сопла устанавливался щиток клиновидной формы (отмечен темной заливкой на схеме рис. 7). Рассматривались два варианта щитка — длиной, примерно равной протяженности зоны разрежения (і/к = 5), и в два раза короче. Грань щитка,

обтекаемая потоком, была параллельна горизонтальной плоскости симметрии сопла. Поперечный размер щитка равен длинной стороне среза сопла. При установке щитка он перекрывал ряд дренажных отверстий в пластине. Использование щитка дает прирост осевой составляющей эффективной тяги и уменьшение по абсолютной величине угла отклонения вектора тяги при более низких значениях расхода вторичного воздуха, чем в компоновке без щитка. Эффект достигается во всем исследованном диапазоне изменения перепада давления РоУр = 4.9 — 8.4. На рис. 7 в качестве примера приведены данные для щитка длиной і/к = 5. При перепаде р0)^р = 7.3 уже при рас-

ходе вторичного воздуха Овд/Ос = 0.13 наблюдается существенное улучшение характеристик

сопла с расширительной стенкой, в частности, угол отклонения вектора тяги приближается к нулевому значению.

Следует отметить, что все приведенные выше данные получены при определенной последовательности запуска экспериментальной установки. Вначале подавался воздух в основное сопло и устанавливался заданный режим течения. Затем осуществлялся вдув вторичного воздуха. Измерения проводились при последовательном увеличении расхода вдува. Изменение режима вдува на обратный, т. е. снижение расхода вдува от максимального до нуля, приводит к

гистерезису зависимости исследуемых характеристик от расхода вдува в некотором диапазоне

СВд/ G.

Приведенные результаты демонстрируют возможность управления струйным течением в хвостовой части летательного аппарата путем подвода дополнительного количества воздуха. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию подвода дополнительного воздуха с целью сокращения его расхода и повышения эффективности управления течением.

ЛИТЕРАТУРА

1. Zeutzius M., Beylich A. E., Matsuo S., Setoguchi T. Experimental investigation of a gas dynamic thrust vector control for hypersonic space planes // JSME International J.,

Series B. — 1996. Vol. 39, № 1.

2. Гродзовский Г. Л., Равдин А. Ф., Симонов И. С. Исследование реактивных сопл на весовой дифференциальной установке // Технические отчеты ЦАГИ. —

1957.

Рукопись поступила 19/IV 2005 г.