Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструкций и технологий изготовления инновационных двигательных установок для высокоэффективных ракетно-артиллерийских систем

Докладчик: Устинов Лев Александрович

Должность: профессор, профессор

Цель проекта:
Обеспечение высокой эффективности двигательных установок для ракетных систем на базе инновационных технических решений их узлов и агрегатов, разработки технологий проектирования и изготовления двигательных установок с использованием новых концептуальных структурных схем и высокоинформативных математических моделей процессов в двигательных установках, в том числе воздушно-реактивных двигателей предельно малого калибра, ракетно-прямоточных на твердом топливе, с жесткими ограничениями по компоновке заборных устройств и широким диапазоном одновременного изменения высоты и скорости полета летательного аппарата при функционировании двигателей, двигателей на твердом топливе с максимально возможной плотностью заполнения камеры сгорания с оптимальными характеристиками.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
- результаты теоретических исследований функционирования элементов конструкций двигательных установок, в том числе: вынесенных и утопленных воздухозаборных устройств для воздушно-реактивного двигателя предельно малого калибра; двухрежимного ракетного двигателя новой схемы с высоким коэффициентом заполнения топливом;
- комплексные математические модели аэродинамики сверхзвуковых и гиперзвуковых течений, гетерогенных газовых реагирующих потоков с содержанием конденсированной фазы, теплообмена высокотемпературных гетерогенных потоков с конструкцией, горения диспергированных конденсированных веществ в тангенциальных потоках в элементах конструкций двигательных установок, ориентированные на применение параллельных вычислений;
- программный комплекс прогнозирования состояний и процессов функционирования узлов и агрегатов двигательных установок;
- результаты математического компьютерного моделирования процессов в элементах конструкций двигательных установок, структурно построенных на новых инновационных технических решениях, позволяющие проводить научно-техническое обоснование найденных технических решений и обеспечивающие однозначную оценку параметров и характеристик анализируемых конструктивных решений с целью обоснования рационального варианта конструкций;
- описание технологии проектирования элементов двигательных установок указанных выше схем в части обоснования их рациональных проектных параметров по результатам вычислительного эксперимента на базе высокоинформационных математических моделей, ориентированных на применение многопроцессорных вычислительных систем;
- эскизная конструкторская и технологическая документация для изготовления модельных образцов элементов конструкций двигательных установок (воздухозаборного устройства для воздушно-реактивного двигателя предельно малого калибра, двухрежимного ракетного двигателя новой схемы с высоким коэффициентом заполнения топливом);
- результаты стендовых испытаний модельных образцов воздухозаборных устройств для воздушно-реактивного двигателя предельно малого калибра и двухрежимного ракетного двигателя новой схемы с высоким коэффициентом заполнения топливом;
- технико-экономическое обоснование разработки продукции (элементов конструкции двигательных установок), технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Практическое применение результатов работы ориентировано на их межотраслевое использование. Использование в практике НИР и ОКР результатов работы позволит предприятиям получить конкурентное преимущество, поскольку их применение дает возможность увеличить эффективность определенного класса ракетных систем.
Результаты работы позволят создать новые образцы высокоэффективных двигательных установок при минимальных материальных и временных затратах.
Созданный в процессе выполнения работы уникальный инструмент аналитического анализа сложных взаимосвязанных процессов тепломеханического функционирования в виде совокупности математических моделей, их численных реализаций и алгоритмов вычислительных экспериментов, в результате проведения которых должны быть созданы достоверные методики и программный комплекс прогнозирования состояний и процессов функционирования узлов и агрегатов ракет позволит поднять уровень научно-исследовательской базы отрасли, а наличие методик достоверного прогнозирования позволит еще на этапе формирования технических предложений по разработке перспективных образцов двигательных установок оценить их работоспособность и создаст интеллектуальную собственность в части патентоспособности будущих результатов исследований и их лицензионных возможностей. Использование продукции, полученной на основе результатов данных исследований создает необходимые условия для обеспечения социально-экономических эффектов за счет коммерциализации в экономически целесообразных объемах.

Текущие результаты проекта:
1.Выполнен аналитический обзор научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему развития высокоэнергетических двигательных установок, обеспечивающих повышение их эффективности за счет использования атмосферного воздуха. Аналитический обзор показал, что одним из наиболее рациональных направлений развития снарядов малого калибра является использование в них ракетно-прямоточных двигателей (РПД) на твердом топливе (ТТ). При сравнительной простоте РПД имеют высокие значения удельного импульса в широком диапазоне высот и скоростей полета, что позволяет при обеспечении высоких скоростей иметь, при определенных условиях полета, в 1,5–2 раза большую дальность полета по сравнению с использованием РДТТ.
При проектировании РПД большое внимание уделяют диффузору, так как от параметров воздушного потока на входе в камеру ДУ полностью зависит процесс дожигания первичных продуктов сгорания твердого топлива, выходящих из газогенератора. Анализ литературных источников показывает, что в настоящее время достаточно широко изложены методы проектирования элементов РПДТ, в частности диффузоров, на расчетном режиме – с несущественным изменением высоты и скорости полета. Однако отсутствует однозначное обоснование структуры и параметров диффузоров для двигательных установок беспилотных летательных аппаратов малого калибра, которые предназначены для функционирования на различных режимах полета, т.е. при значительном изменении высоты, скорости и появлении угла атаки. что
2.Проведено патентное исследование в области развития высокоэнергетических двигательных установок, обеспечивающих повышение их эффективности. Результаты патентных исследований позволили сформировать информационно-проектный базис выполнения запланированных работ, который необходимо будет постоянно расширять за счет продолжения патентных исследований на протяжении всего срока выполнения Проекта.
Сравнительный анализ зарубежных патентов, направленных на повышение эффективности РДТТ, показал, что предложенные ранее авторами Проекта аналогичные решения занимают свою проектную нишу, не уступают мировому уровню технических решений в этом направлении и имеют очевидную перспективу своего развития и внедрения. Выбранная авторами логика и детальная многовариантная проработка таких технических решений, запланированная их модельная, технологическая и экспериментальная экспертиза создадут почву для создания новых, усовершенствованных патентоспособных решений. Что качается второго основного направления исследований по обоснованию эффективности внедрения воздухозаборников ВРД новой конструкции на ЛА малого калибра, то проведенные патентные исследования однозначно показали, что именно эта тенденция развития ЛА данного класса станет доминирующей в ближайшее время и потребуется разработка новых конструктивных схем и в том и другом случаях несомненно должны появляться новые патентоспособные технические решения.
3.С целью проведения структурно-параметрического синтеза и анализа вариантов технических решений двигательных установок, обеспечивающих повышение их эксплуатационных характеристик разработана система математических моделей, включающая:
- математические модели первого уровня для оценки изменения термогазодинамических параметров по тракту РПДТ в условиях внешнебаллистического функционирования РС;
- математические модели первого уровня для оценки изменения термогазодинамических параметров по тракту двухрежимного ракетного двигателя твердого топлива.
При этом проведено максимально допустимое упрощение моделей, которое позволило увязать воедино сопряженные процессы внешнего и внутреннего тепломассопереноса. Такая структура программного обеспечения моделирования позволяет проводить сквозной расчет важных для исследований параметров в реальном времени и проводить при необходимости доработку, модернизацию, уточнения моделей, описывающих разрабатываемое (исследуемое) изделие.
На основе разработанных математических моделей разработан алгоритм расчета и программно-вычислительный комплекс, предназначенный для проведения предварительных поисковых расчетов параметров РПДТ и двухрежимных РДТТ на этапах создания перспективных конструкций ракет.
4.На базе разработанных математических моделей первого уровня для оценки изменения термогазодинамических параметров по тракту ракетно-прямоточного двигателя в условиях внешнебаллистического функционирования РС выполнен структурно-параметрический синтез и анализ вариантов технических решений по конструкциям лобовых, вынесенных и утопленных воздухозаборных устройств для воздушно-реактивного двигателя предельно малого калибра.
5.Проанализированы диффузоры для дозвуковых и небольших сверхзвуковых скоростей полета, в том числе конические диффузоры, изоградиентные диффузоры, укороченные диффузоры, диффузор с прямым скачком уплотнения на входе, многоскачковые диффузоры, в том числе с внутренним сжатием, со смешенным сжатием и внешним сжатием воздушного потока, забираемого из окружающей среды во время полета летательного аппарата. Дана оценка работе многоскачкового диффузора на нерасчетных режимах, работе дозвукового диффузора на трансзвуковых и небольших сверхзвуковых скоростях. Исследованы варианты реализации утопленных воздухозаборных устройств (диффузоров) посредством анализа влияния предыстории потока на характеристики утопленного ВЗУ и анализа влияния слива пограничного слоя на характеристики утопленного диффузора (ВЗУ). На базе проведенного анализа определены рациональные площади входного сечения утопленного ВЗУ для реактивных снарядов различного калибра.
6.В основу синтеза вариантов технических решений положена разработанная методика оптимизации внешнебаллистического функционирования реактивного снаряда, позволяющая учитывать влияние углов пуска, профиля тяги, доли топлива, расходуемого на первом режиме, на максимальную дальность полета. Структурно-параметрический синтез и анализ вариантов технических решений двигательных установок, обеспечивающих повышение их эксплуатационных характеристик, позволил провести обоснование и выбор направлений разработки инновационных технических решений в области конструкций основных узлов двигательных установок.
7.Обоснована эффективности применения головных диффузоров с различным числом скачков при расчетном и нерасчетых режимах функционирования в полете сверхзвукового снаряда. Обоснованы характеристики двухрежимных двигательных установок для получения траекторий на максимальную дальность РС рассматриваемых калибров.