CC BY
14
Kovalenko Roman Andreevich, postgraduate, mplaceph@gmail. com, Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation,
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences, docent, ramiz63@yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC Interparliamentary Assembly,
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, tis_ivesep@,mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC Inter-parliamentary Assembly
УДК 531.55
ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВЕЕРНЫХ СТРУЙ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ И СНИЖЕНИЯ СИЛЫ ЛОБОВОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
ПРИ ДВИЖЕНИИ В ПЛОТНЫХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ
А.В. Шевченко, А.С. Юрьев, М.А. Кашина
Описаны способы стабилизации и снижение силы лобового сопротивления баллистических объектов на пассивном участке траектории при использовании системы веерных струй, расположенной определенным образом в кормовой части, и подобной системы струй, выдуваемых из носовой иглы, с целью увеличения статической устойчивости и снижения силы лобового сопротивления.
Ключевые слова: баллистический объект, коэффициент лобового сопротивления, веерная струя.
Вследствие высоких силовых и тепловых нагрузок на баллистические объекты (БО), движущиеся с высокими скоростями в атмосфере, актуальным является стабилизация их движения с целью увеличения статической устойчивости и снижения силы лобового сопротивления. К этим способам можно отнести применение системы веерных струй (ВС) различной интенсивности выдуваемых из управляемого объекта.
В работах [1, 2] показано, что при применении ВС, выдуваемых из носовой иглы, возможно существенное снижение силы лобового сопротивления. Однако при этом для тел определенной формы наблюдается снижение статической устойчивости.
Для исключения этого негативного влияния носовых струй, эффективно снижающих силу лобового сопротивления, было исследовано влияние ВС, выдуваемых из кормовой части БО.
Результаты этих исследований показали, что совместное применение ВС (в носовой и кормовой части) позволяет снизить силу лобового сопротивления и повысить статическую устойчивость БО.
107
Проблема стабилизации БО решается путем создания управляющих сил и моментов за счет воздействия на набегающий гиперзвуковой поток ВС. Вследствие большого плеча, образуемого от края носовой иглы до центра масс, усилие, необходимое для стабилизации и маневров, является совсем не значительным, и не требует больших запасов сжатых газов на борту БО.
Дополнительное снижение коэффициента силы лобового сопротивления (Сх) достигается за счет повышения донного давления, вызванного взаимодействием кормовых струй и гиперзвуковым потоком.
Для определения эффективности применения ВС с использованием универсального программного комплекса Ansys с кодом CFX (лицензия ВКА имени А.Ф. Можайского № 1020993), основанного на численном решении уравнений Навье-Стокса, получены аэродинамические характеристики БО при различных углах атаки.
В качестве модели турбулентности, замыкающей уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу, использовалась модель переноса сдвиговых напряжений Ментнера [4]. Проведенный анализ показал, что по сравнению с другими используемыми в настоящее время моделями турбулентности подход Ментнера демонстрирует достаточно высокую эффективность при расчетах характеристик обтекания тел сложной формы.
Рассматривалось симметричное обтекание гиперзвуковым потоком цилиндра, расположенного продольно потоку, с диаметрами носовой и хвостовой части (001 и 002) с установленными на торцах в носовой и кормовой части иглами с удлинением (!01 и 102). (рис. 1).
Иглы с диаметром ((01 и (02) установлены соосно с цилиндром. Схема обтекания тела жидкий-диск-цилиндр при условии, что линия тока, разделяющая внешнее течение от циркуляционного, тормозится около острой кромки цилиндра называется оптимальной, имеется в виду тот факт, что Сх при этом близок к минимальному значению для данного класса тел [3].
Геометрические размеры рассматриваемого тела 101,102, (01 и (02 отнесены к соответствующим диаметрам цилиндра 001 и 002, в частности 101 = 0.83, 102 = 0.42, (01 = 0.19 и (02 = 0.53 .
а
Рис. 1. Схема установки носовой
108
(а)
б
и кормовой (б) игл на БО
Внешняя форма расчетной модели БО основана на геометрическом облике второй ступени РН «Союз-2» и является простейшей для данного класса тел с передней срывной зоной.
В качестве начальных условий во всех точках поля течения в момент времени задаются параметры невозмущенного потока (воздух -к=1,4, который предполагается вязким и теплопроводным) соответствующие заданной высоте полета Н, рх, Тх, р®, М®.
Граничные условия для течений идеального газа определяются обычным образом: на левой границе расчетной области, которая располагается левее головной ударной волны, не меняющиеся с течением времени параметры невозмущенного потока; на поверхности тела задаются условия «непротекания» (рис. 2).
м®
р®, Т
-1- пп«
Параметры ВС ( рвс, Мвс, Твс, Рвс)
р
®
Рис. 2. Граничные условия
Расчет проводился при режиме течения сплошной среды (Кп < 0,01). Тем не менее, при некоторых условиях полета затупленного тела параметры набегающего потока могут не соответствовать режиму сплошной среды. Однако возрастание плотности при переходе через отошедший скачек уплотнения сопровождается уменьшением местной средней длины свободного пробега, благодаря чему условия течения вблизи тела соответствуют условиям течения сплошной среды.
Используемые в расчетах сетки имели размерность примерно 1,бх106 тетраэдральных элементов. Расстояние от первой расчетной точки до стенки обеспечивало подходящий для используемой модели диапазон значений нормированного расстояния у+ от 15 до 30 и являлось достаточно малым для определения местных аэродинамических и тепловых характеристик поверхности БО.
Из результатов расчетов (при М®=6; Яе®=8х107; Т®=216,6 К; р®=0,088 кг/м3; параметры ВС: Мст=1; рст=1,225 кг/м3; Тст=285 К; Рст=151,9 кПа) (табл. 1) видно, что БО в компоновке ВС+иглы (носовые и кормовые) существенно снижают лобовое сопротивление (Сх(без игл)=1,1 и
Сх(вс+игла) 0,25).
Таблица 1
Коэффициенты силы лобового сопротивления для БО при использовании различных вариантов ВС (а=0 0)
№, Вариант использования
п/п системы ВС
Сх
п/п
Вариант использования системы ВС
Сх
0,25
0,95
0,34
1,04
6
7
8
9
Результаты численных расчетов взаимодействия ВС с гиперзвуковым потоком приведены на рис. 3 и 4 в виде изолиний давления в зоне взаимодействия и следе за телом, а также графиков распределения коэффициента давления вдоль радиуса торца БО (рис. 5).
Поле давления без выдува ВС
Поле давления с выдувом ВС
Поле давления Поле давления без выдува ВС с выдувом ВС
а
в
Линии тока без выдува ВС
Линии тока Линии тока без выдува ВС с выдувом ВС б г
Рис. 3. Картина обтекания модели БО
Линии тока с выдувом ВС
Из рис. 4 можно видеть, что появление скачка уплотнения, локализованного перед ВС, приводит к образованию зоны повышенного давления, распространяющейся на периферийную часть самого донного среза и прилегающую к ней цилиндрическую часть тела. Обтекание исследуемой
компоновки происходит с образованием единой циркуляционной зоны в пространстве между веерной струей и торцом цилиндра. Зона повышенного давления на цилиндрической части возрастает на наветренной стороне при отклонении угла атаки от нулевого значения, в результате чего появляется стабилизирующий момент, повышающий статическую устойчивость тела.
т ^
Рис. 4. Распределение давления вблизи БО при использовании ВС, выдуваемых из носовой и кормовой иглы
На рис. 5 видно резкое (шестикратное) возрастание давления вдоль радиуса донного среза, что приводит к существенному снижению одной из составляющих Сх - коэффициента донного сопротивления.
Рис. 5. Распределение коэффициента давления вдоль радиуса торца БО при выдуве и без выдува газа из кормовой иглы
Представленная зависимость Сх и Су от угла атаки БО с выдувом и без выдува ВС из носовой и кормовой игл показывает, что использование ВС существенно снижает Сх (в два раза) и делает его практически неизменным при малых углах атаки Сх =f(0.. .6 0) (рис. 6).
111
с 0,3
0,2
—
-Л Е—
-
—
С II
-Сх (без выдува) — Х- Су (без выдува)
0 1 2 3 4 5 6
угол атаки, а
Рис. 6. Зависимость Сх и Су от угла атаки БО с еыдуеом
и без выдува ВС
Результаты теоретических исследований взаимодействия ВС, выдуваемых из носовой и кормовой игл БО, с гиперзвуковым потоком показали, что управление обтеканием, которое основано на выдуве ВС газа и является по существу развитием известных механических, комбинированных и струйных способов управления, представляет собой один из возможных перспективных направлений совершенствования аэродинамических характеристик. Совместное применение ВС в носовой и кормовой части БО, позволяет снизить силу лобового сопротивления и повысить статическую устойчивость.
Список литературы
1. Пирогов С.Ю., Никитин К.В., Типаев В.В. Анализ результатов исследования сверхзвукового обтекания элементов конструкции летательных аппаратов с комбинированной системой управления обтеканием // Сборник трудов молодых ученых академии ВКА им. А.Ф. Можайского. 2004. Вып. 2. С. 204 - 207.
2. Рыжов Е.В., Юрьев А.С. Экспериментальное исследование влияния веерной струи на ударный слой затупленных тел // Труды ВИКИ. 1984. Вып. № 605.
3. Шевченко А.В., Юрьев А.С. Взаимодействие струйных органов управления движением летательного аппарата с неравномерным гиперзвуковым потоком // Труды ВКА имени А.Ф. Можайского. 2016. Вып. № 655. С.162 - 171.
4. Mentner F.R., Galpin P.F., Esch T., Kuntz M., Berner C. CFD Simulations of Aerodynamic Folws with a Pressure-Based Method // Paper ICAS 20042.4.1. Japan, Yokohoma, 2004. 11 p.
Шевченко Артем Васильевич, канд. техн. наук, начальник отдела, art-netru@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Юрьев Анатолий Степанович, д-р техн. наук, профессор, artnetru@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Кашина Марина Анатольевна, аспират, ya.kashina-marina@yandex.ru, Россия, Пермь, Институт механики сплошных сред УроРАН
INVESTIGATION OF A FAN-JET SYSTEM FOR STABILIZATION AND REDUCTION OF THE DRAG FORCE OF BALLISTIC OBJECTS WHEN MOVING IN DENSE LAYERS OF
THE ATMOSPHERE
A.V. Shevchenko, A.S. Yuriev, M.A. Kashina
The article describes ways to stabilize ballistic objects in the passive section of the trajectory using a fan jet system, located in a certain way in the rear part, and a similar jet system blown out of the nose needle in order to increase static stability and reduce lobe resistance.
Key words: ballistic object, frontal drag coefficient, fan jet.
Shevchenko Artem Vasilyevich, candidate of technical sciences, head of department 17 (NI), artnetrua yandex. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named A.F. Mozhaysky,
Yuriev Anatoly Stepanovich, doctor of technical sciences professor, professor, art-netruayandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named A.F. Mozhaysky,
Kashina Marina Anatolyevna, postgraduate, ya. kashina-marinaayandex. ru, Russia, Perm, Institute, of mechanics UroRan
УДК 332.3; 528.514
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ
Д.В. Аксёнова
Проводится сравнение технических средств для измерения расстояний, дальномеров. Приводятся некоторые характеристики приборов, их достоинства и недостатки, а также дается сравнительная оценка.
Ключевые слова: дальномер, метрология, строительство, преимущества, недостатки, сравнение, землеустройство.
Одним из элементов метрологического обеспечения являются технические средства, необходимые для определения какой-либо величины, в том числе для измерения длинны необходимы приборы, - дальномеры [1 - 6].
Чтобы измерить дистанцию, объем, площадь применяется лазерный дальномер. С его помощью можно получить наиболее точные показания. Прибором пользуются строители, дизайнеры, инженеры, геодезисты, землеустроители. Типовой лазерный дальномер представлен на рисунке.
113
