DE4434901A1

DE4434901A1 - Verfahren zur Erzeugung von Schubkraft sowie Düse für die Erzeugung von Schubkraft

Info

Publication number: DE4434901A1
Application number: DE4434901A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Pavlovic Znamenskij; Sergej Viktorovic Sokolov; Vladislav Dmitrievic Cekmasov
Original assignee: CEKMASOV VLADISLAV D
Current assignee: CEKMASOV VLADISLAV D
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1994-09-29
Publication date: 1995-04-06
Also published as: CA2133353A1; RU2037066C1; US5524827A; GB2282854A8; FR2710691A1; GB9119699D0; GB2282854A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strahltriebtechnik und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung von Schubkraft und eine Einrichtung zur Durchführung desselben. Die Erfindung ist für die Anwendung in Triebwerken von Flugkörpern mit Steuerung des Schubkraftvektors mittels einer Mehrfunktions-Schubdüse bestimmt.

Es ist bekannt, daß für die Regelung des Moduls und des Vektors der Schubkraft eine Mehrfunktionsdüse mit einem zentralen Gelenkkörper verwendet wird, der auslenkbar und verschiebbar angeordnet ist (US-Patentschrift Nr. 38 88 419).

Es ist auch die Verwendung einer tellerförmigen Düse mit einem drehbaren Zentralkörper für die Regelung des Vektors der Schubkraft in Triebwerken bekannt (US-Patentschrift Nr. 36 36 710).

Die Form des Zentralkörpers und seine Betriebsweisen (Verhältnisse der Bewegung desselben) in den oben erwähnten Lösungen erlauben es jedoch nicht, den Schubkraftvektor um beträchtliche Winkel abzulenken, wodurch die Möglichkeit der Ausnutzung derselben für eine beträchtliche Steigerung der Manövrierfähigkeit eines Flugkörpers beschränkt ist.

In (Ilsen V., Proc. 6th Sump on Ballistic Missile and Aerospace Technology, vol. III, Academic Press, p. 171-203, 1961) ist die Möglichkeit der Erzeugung der Schubkraft durch Beschleunigung von gasförmigen Produkten mit einem überkritischen Druckgefälle in einer Ringdüse mit einem schlitzförmigen Austritt aus dem kritischen Querschnitt, der von einem kurzen Zentralkörper (in Form eines Tellers) und einem diesen umfassenden Gehäuse gebildet ist, mit gegenläufigen, fast radialen Strahlen und anschließendem Ausströmen in die Umwelt als Axialstrom, der bei der Umströmung des Austrittsbodens des Zentralkörpers gebildet wird, beschrieben.

Zu den hauptsächlichen Nachteilen der gegebenen Lösung muß man die hohen aerodynamischen Verluste rechnen, welche zunehmen können, wenn man für die Steuerung des Vektors der Schubkraft die Ablenkung des Zentralkörpers ausnutzt, infolge einer dabei steigenden Ungleichmäßigkeit des Austrittsstroms über den Querschnitt der Düse, die von der axialen Komponente von den gegenläufigen Strömen nach dem Zusammenstoß und der Wendung derselben hervorgerufen ist.

Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, ein Verfahren zur Erzeugung von Schubkraft mit einem regelbaren Vektor in einer Mehrfunktionsdüse zu gewährleisten sowie eine Düse zu schaffen, welche es ermöglicht, die aerodynamischen Verluste zu vermindern sowie die Funktionsmöglichkeiten durch Vergrößerung des Ablenkwinkels des Vektors der Schubkraft unter Verminderung der Steuerkräfte und des Gewichtes des Antriebs für die Bewegung und Ablenkung des Zentralkörpers der Düse zu erweitern.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch verwirklicht, daß man für die Erzeugung der Schubkraft aus gasförmigen Verbrennungsprodukten, die aus der Brennkammer mit überkritischem Druckgefälle ankommen, einen axialen Ringstrom formiert, diesen in der Ringdüse mit dem schlitzförmigen Austritt aus dem kritischen Querschnitt durch gegenläufige radiale Strahlen längs der ebenen Oberfläche des Austrittsbodens des Zentralkörpers beschleunigt, welche beim Zusammenstoß eine Bremszone, die von der ebenen Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers begrenzt ist, mit anschließender Wendung des Stroms und Ausströmung in die Umwelt in axialer Richtung bildet, wobei man den Modul (die Größe) der Schubkraft durch die Änderung des Verbrauches des radialen und axialen Stroms reguliert, was durch die Änderung des Verhältnisses der effektiven Fläche der Bremszone, welche als Teil der Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers bestimmt wird, der durch die Projektion des kritischen Querschnittes der Düse begrenzt ist, und der Fläche des kritischen Querschnittes der Düse sichergestellt wird, durch radiale und axiale Bewegung von profilierten Austrittskanten des Gehäuses, das den Zentralkörper unter Bildung eines ringförmigen und eines radialen Kanals mit kritischem Querschnitt umfaßt, und die Richtung des Vektors der Schubkraft durch die Ablenkung des Vektors der Geschwindigkeit vom Austrittsstrom bei der Ausströmung in die Umwelt durch die Ablenkung der erwähnten ebenen Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers aus der Lage, die zur Längsachse der Düse senkrecht verläuft, verändert.

Die Lösung der gestellten Aufgabe wird genauso dadurch erreicht, daß in der Düse für die Erzeugung der Schubkraft, die das anmeldungsgemäße Verfahren realisiert, die einen Mantel, einen Zentralkörper, der im Inneren des Mantels untergebracht ist, und ein Gehäuse, das den Zentralkörper unter Bildung eines ringförmigen Kanals umfaßt, aufweist, wobei die Austrittskanten des Gehäuses mit dem flachen Boden des Zentralkörpers einen schlitzförmigen radialen Kanal mit kritischem Querschnitt und axialem Austritt bilden, laut Erfindung der Zentralkörper mit einem flachen Austrittsboden ausgebildet ist, der mit der Möglichkeit der Ablenkung aus der Lage angeordnet ist, die zur Längsachse der Düse senkrecht ist, und das Gehäuse mit profilierten Austrittskanten versehen und am Mantel mit der Möglichkeit der axialen Verschiebung montiert ist, welche die Änderung der Fläche des kritischen Querschnitts der Düse sicherstellt.

Es ist wünschenswert, für die Regelung der Größe (des Moduls) der Schubkraft die profilierten Austrittskanten des Gehäuses der Düse mit der Möglichkeit der radialen Verschiebung auszubilden, was die Änderung der Parameter der Bremszone und in erster Linie der effektiven Fläche der Bremszone sicherstellt.

Es ist vorteilhaft, daß der Zentralkörper aus mehreren (zumindest zwei) sektorenförmigen, gelenkig befestigten einzelnen Elementen ausgebildet ist, welche miteinander durch einen Antrieb verbunden sind.

Es ist bevorzugt, daß das Gehäuse der Düse einen autonomen Antrieb für axiale Bewegungen aufweist.

Es ist bevorzugt, daß der Zentralkörper der Düse einen autonomen Antrieb für die Ablenkung des flachen Austrittsbodens aus der Lage hat, die zur Längsachse der Düse senkrecht ist.

Darüber hinaus ist es erwünscht, daß das Gehäuse der Düse bezüglich des Mantels schwenkbar ausgebildet und am Mantel wie eine kugelförmige Gelenkstütze mit einem Antrieb angeordnet ist.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 das Schema der Bildung von gegenläufigen radialen Strahlen längs der flachen Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers in einer achssymmetrischen Düse, das den Prozeß der Realisierung des Verfahrens zur Erzeugung der Schubkraft veranschaulicht,

Fig. 2 die Ansicht A in Fig. 1,

Fig. 3 stellt den Aufriß der Verteilung des Druckes auf der flachen Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers im Falle der Durchführung des Verfahrens zur Erzeugung der Schubkraft, gemäß Fig. 1 vor,

Fig. 4 eine achssymmetrische Düse, welche mit einem Zentralkörper versehen ist, der einen flachen Austrittsboden aufweist, und mit einem Gehäuse, das axial beweglich ausgebildet ist,

Fig. 5 schematisch eine flache Düse, deren Gehäuseaustrittskanten parallel zur flachen Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers radial beweglich ausgebildet sind,

Fig. 6 eine Ansicht einer Düse mit einem Zentralkörper, der auslenkbar ausgebildet ist,

Fig. 7 eine Variante einer Düse, deren umfassendes Gehäuse als Kugelgelenkstütze ausgebildet ist, und deren Zentralkörper aus einzelnen sektorförmigen Elementen ausgebildet ist, die miteinander durch einen Antrieb verbunden sind.

Das Verfahren zur Erzeugung von Schubkraft gemäß der Erfindung wird wie folgt verwirklicht.

Die gasförmigen Produkte, die beispielsweise in der Brennkammer entstanden sind, gelangen über eine Gasleitung in eine ringförmige Düse mit einem überkritischen Druckgefälle, in welcher sie bis zur Unterschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, indem sie den Zentralkörper mit einer axialen Stromrichtung umströmen. Danach werden die gasförmigen Produkte, die sich als radiale gegenläufige Strahlen längs der flachen Oberfläche des Austrittsbodens des Zentralkörpers bewegen, bis zur Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und in die Bremszone geleitet, wo der Zusammenstoß derselben sowie die Änderung der Bewegungsrichtung mit anschließender Ausströmung in die Umwelt in Form eines axialen Stroms stattfinden. Dabei wird der Effekt einer Strahlbremsung von gegenläufigen radialen Strahlen realisiert, der den Druckanstieg auf der flachen Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers vom Wert P_kr., im kritischen Querschnitt der Düse bis zum Wert P₀ = KP₀, der dem Wert des vollen Druckes P₀ nahe liegt, der ausströmenden gasförmigen Produkte am Düseneintritt bedingt, wo der Wert des Koeffizienten K, der den Grad der Reduktion des vollen Druckes kennzeichnet, im Bereich von 0,7 bis 0,9 liegt.

Das Schema der Bildung von gegenläufigen radialen Strahlen und der Bremszone bei der Umströmung des Zentralkörpers 1 mit einer flachen Oberfläche des Bodens 2 ist in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt.

Der Aufriß der Druckverteilung auf der flachen Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers ist in Fig. 3 dargestellt.

Die Größe der Schubkraft wird in dem gegebenen Fall aus dem Verhältnis

R = ∫ P(S)dS (1)

bestimmt, worin
R - die Größe der Schubkraft;
P(S) - die Druckverteilung auf der effektiven Fläche der Bremszone S, welche als Teil der Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers bestimmt wird, der durch die Projektion des kritischen Querschnitts der Düse begrenzt ist.

Dabei stellt der kritische Querschnitt der Düse eine Zylinderfläche mit der Fläche S_kr. dar, deren Leitkurve eine Schnittlinie der inneren Oberfläche der Austrittskante vom umfassenden Gehäuse mit der Tangentialebene darstellt, die zur Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers parallel gezogen ist.

Durch die Änderung des Kanalprofils der Düse mit Hilfe der unten angegebenen Mittel können unabhängig voneinander sowohl die Größe der effektiven Fläche der Bremszone S als auch die Größe der Fläche des kritischen Querschnitts S_kr. und somit das Verhältnis der Flächen S/S_kr. geregelt werden, das im Bereich von 3 bis 15 geändert wird. Hierbei wird unabhängig voneinander der Verbrauch des radialen Stroms und/oder der Verbrauch des axialen Austrittsstroms geändert, die die Verteilung des Druckes P(S) in der Bremszone und dementsprechend die Größe der Schubkraft bestimmen.

Für die Steuerung des Vektors der Schubkraft nimmt man die Ablenkung der flachen Oberfläche des Austrittsbodens des Zentralkörpers aus der Lage vor, die zur Längsachse der Düse senkrecht ist. Dabei erfolgt die effektive Wendung des aus der Düse austretenden Stroms von Gasen und dementsprechend des Vektors der Schubkraft, der als Summe von Druckkräften gebildet wird, die in der Normale zur flachen Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers wirken, ohne Verschlechterung der aerodynamischen Kennwerte der Düse und ohne Anstieg des inneren hydraulischen Widerstandes vom Trakt.

Der gegebene Prozeß wird von einer unbedeutenden Umverteilung des Verbrauches von gasförmigen Produkten des axialen Stroms begleitet, der in die Umwelt durch einen oberen und einen unteren Teil der Düse austritt. Zum Beispiel, bei der Ablenkung des Vektors der Schubkraft nach unten, ist eine gewisse Vergrößerung des Anteils des Verbrauchs an Gas durch den unteren Teil der Düse und eine entsprechende Verminderung des Anteils des Verbrauchs an Gas durch den oberen Teil der Düse zu vermerken, was von der zusätzlichen Wendung des Stroms und dem Zuwachs des resultierenden Auftriebs ohne wesentliche Änderung des äußeren Widerstandes und der Schubkraftverluste in der Düse begleitet wird.

Das Verfahren zur Erzeugung von Schubkraft laut der vorliegenden Erfindung kann unter Ausnutzung einer Mehrfunktionsdüse verwirklicht werden, die in den Fig. 4, 5, 6, 7 dargestellt ist.

In der Fig. 4 ist eine achssymmetrische Düse gezeigt, welche aus einem Zentralkörper 1 besteht, der einen flachen Austrittsboden 2 aufweist, dessen Oberfläche zur Düsenachse senkrecht ist. Die Düse enthält einen Mantel 3, der mit dem Zentralkörper 1 einen Ringkanal 4 bildet. An dem Mantel 3 der Düse ist ein Gehäuse 5 verschiebbar montiert, dessen profilierte Austrittskanten 6 mit der flachen Oberfläche des Bodens 2 einen schlitzartigen radialen Kanal 7 bilden, der in einen axialen Austrittskanal 8 übergeht.

Das Gehäuse 5 weist einen autonomen Antrieb auf, der einen hydraulischen Zylinder 9 und eine kinematische Bindung 10 einschließt sowie die Möglichkeit der axialen Beweglichkeit sicherstellt. Mit strichpunktierten Linien ist in Fig. 4 die Lage der Austrittskanten 6 bei der Vergrößerung des kritischen Querschnittes S_kr. der Düse durch eine axiale Verschiebung des Gehäuses 5 gezeigt, was jeweils das Verhältnis S/S_kr. und die Größe der Schubkraft R ändert.

Die Düse wird mittels einer Gasleitung mit einem Turbokompressoraggregat (in Fig. 4 nicht gezeigt) verbunden, welche konstruktionsmäßig in verschiedenen Varianten ausgebildet sein können, die ein überkritisches Druckgefälle des Gasstroms in der Düse sicherstellen.

In Fig. 5 ist eine flache Düse mit einem Zentralkörper 12 dargestellt, der einen flachen Austrittsboden 13 aufweist. Die Düse ist mit einem Gehäuse versehen, das aus zwei profilierten Klappen 14 ausgebildet ist, welche am Mantel 15 der Düse parallel zur flachen Oberfläche des Bodens 13 radial beweglich ausgebildet und miteinander über einen Antrieb verbunden sind, der einen hydraulischen Zylinder 16 und eine kinematische Bindung 17 aufweist. Bei der Versetzung der Klappen 14, zum Beispiel, in die Lage, die mit strichpunktierten Linien gezeigt ist, findet eine Verminderung der effektiven Fläche S der Bremszone statt, was jeweils das Verhältnis S/S_kr. und die Größe der Schubkraft R ändert.

In der Fig. 6 ist eine achssymmetrische Düse mit einem Zentralkörper 18 dargestellt. Der Zentralkörper 18 ist an einem Gelenk 19 mit der Möglichkeit der Auslenkung des flachen Bodens 20 aus der Lage, die zur Düsenachse senkrecht ist, mit Hilfe von hydraulischen Zylindern 21 angeordnet, was eine Änderung der Richtung des Vektors der Schubkraft ermöglicht. Der Mantel 22 der Düse und das diesen umfassende Gehäuse 23 können konstruktionsmäßig, zum Beispiel gelenkig, verbunden sein.

In der Fig. 7 ist eine achssymmetrische Düse mit einem Zentralkörper gezeigt, der aus zwei einzelnen sektorförmigen Elementen 24 besteht, die miteinander über einen Antrieb - den hydraulischen Zylinder 25 - verbunden sind. Das Gehäuse 26 der Düse ist am Mantel 27 wie an einer Kugelgelenkstütze angeordnet und mit einem Antrieb versehen, der hydraulische Zylinder 28 aufweist, welche die Schwenkung des Gehäuses 26 bezüglich der Achse, die in der zur Düsenachse senkrecht verlaufenden Ebene liegt, sicherstellen, was zur Folge hat, daß sich der austretende Gasstrom wendet und der Vektor der Schubkraft abgelenkt ist. Hierbei sind die Elemente 24 des Zentralkörpers am Gelenk 29 mit der Möglichkeit einer mit dem Gehäuse 26 gemeinsamen Auslenkung montiert und haben die Möglichkeit, die Lage des Bodens 30 bezüglich der Austrittskanten 6 des Gehäuses 26 zu ändern (wie dies mit strichpunktierten Linien gezeigt ist), was es erlaubt, die Größe des kritischen Querschnittes S_kr. und dementsprechend die Größe der Schubkraft R bei einer symmetrischen Anordnung der einzelnen Elemente 24 bezüglich der Düsenachse zu ändern und den Effekt der Ablenkung des Vektors der Schubkraft bei asymmetrischer Anordnung der einzelnen Elemente 24 zu verstärken.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Erfindung können in vollem Ausmaß bei der Entwicklung von vervollkommneten Flugkörpern mit erhöhten Geschwindigkeitsparametern und erhöhter Manövrierfähigkeit durch die Verwendung für die Steuerung des Vektors der Schubkraft des Zentralkörpers einer ablenkbaren flachen Oberfläche des Austrittsbodens in Erscheingung treten, wodurch eine Verbesserung von Start- und Landecharakteristiken sowie die Möglichkeit des vertikalen Startens und Landens und eine Erhöhung der Flugcharakteristiken von Flugkörpern unter den Verhältnissen der Gefechtsmanövrierfähigkeit und besonders bei großen Sturmangriffswinkeln sichergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Schubkraft, welches die Bildung von gasförmigen Verbrennungsprodukten, die aus einer Brennkammer mit einem überkritischen Druckgefälle ankommen, eines axialen ringförmigen Stroms und die Beschleunigung desselben in einer ringförmigen Düse mit einem Zentralkörper mit schlitzförmigem Austritt mit Hilfe von gegenläufigen radialen Strahlen aus dem kritischen Querschnitt, der von der Oberfläche des Austrittsbodens des Zentralkörpers und den Austrittskanten des diesen umfassenden Gehäuses gebildet ist, in die Bremszone einschließt, wo der Zusammenstoß der Strahlen und die Wendung des Stroms mit anschließender Ausströmung in die Umwelt in axialer Richtung stattfinden, dadurch gekennzeichnet, daß man die gegenläufigen radialen Strahlen längs der flachen Oberfläche des Austrittsbodens des Zentralkörpers leitet, wobei man den Modul der Schubkraft durch die Änderung des Verbrauches der radialen und axialen Ströme durch die Änderung des Verhältnisses der effektiven Fläche der Bremszone, die als Teil der Oberfläche des Bodens des Zentralkörpers bestimmt wird, der von der Projektion des kritischen Querschnittes der Düse begrenzt ist, und der Fläche des kritischen Querschnittes der Düse reguliert, und die Richtung des Vektors der Schubkraft durch die Auslenkung der flachen Oberfläche des Austrittsbodens des Zentralkörpers aus der Lage ändert, die zur Längsachse der Düse senkrecht ist.

2. Düse für die Erzeugung von Schubkraft, enthaltend einen Mantel, einen Zentralkörper, der im Inneren des Mantels angeordnet ist und ein Gehäuse, das den Zentralkörper unter Bildung eines ringförmigen Kanals umfaßt, wobei die Austrittskanten des Gehäuses mit dem Austrittsboden des Zentralkörpers einen schlitzartigen radialen Kanal mit kritischem Querschnitt und axialem Austritt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsboden (2) des Zentralkörpers (1) flach ausgebildet und mit der Möglichkeit der Auslenkung aus der Lage angeordnet ist, die zur Längsachse der Düse senkrecht ist, und das Gehäuse (5) mit profilierten Austrittskanten (6) versehen und am Mantel (3) mit der Möglichkeit der axialen Verschiebung montiert ist, die die Änderung der Fläche des kritischen Querschnitts der Düse sicherstellt.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskanten (6) des Gehäuses (5) radial beweglich ausgebildet sind.

4. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (1) aus mehreren sektorenförmigen gelenkig befestigten Elementen (24) ausgebildet ist, die miteinander über einen Antrieb (25) verbunden sind.

5. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) einen autonomen Antrieb für die axiale Verschiebung aufweist, der einen hydraulischen Zylinder (9) und eine kinematische Bindung (10) einschließt.

6. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkörper (18) mit einem autonomen Antrieb (21) für die Ablenkung des flachen Austrittsbodens (20) aus der Lage versehen ist, die zur Längsachse der Düse senkrecht ist.

7. Düse nach Ansprüchen 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (26) am Mantel (27) wie ein Kugelgelenk über einen Antrieb (28) schwenkbar angeordnet ist.