Проектирование компактных и легких рамджетов для Uav-приложений

Дело о компактном реактивном движении в БПЛА следующего поколения

Рамджеты - это воздушные реактивные двигатели, которые генерируют тягу, сжимая входящий воздух исключительно через движение транспортного средства вперед, а затем смешивая его с топливом и воспламеняя смесь. Их фундаментальная простота - без вращающихся лопастей компрессора, без ступеней турбины - дает удивительно высокое отношение тяги к весу и очень компактный форм-фактор. Для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которые должны работать на устойчивых сверхзвуковых или даже гиперзвуковых скоростях, рамджет предлагает легкое, высокопроизводительное двигательное решение, которое трудно сопоставить с турбореактивными или ракетными двигателями.

Стремление сделать БПЛА меньше, быстрее и маневреннее сделало премию на компактных и легких реактивных конструкциях. Военные разведывательные беспилотники, высокоскоростные целевые беспилотники и экспериментальные научные платформы все извлекают выгоду из двигательных систем, которые добавляют минимальное сопротивление и вес при обеспечении конкретного импульса, необходимого для полета на большие расстояния, полета на большие расстояния. В этой статье рассматриваются фундаментальные принципы работы реактивных самолетов, конкретные проблемы проектирования, возникающие при масштабировании их для БПЛА, и наиболее перспективные стратегии - от передовых материалов до аддитивного производства - которые инженеры используют, чтобы нажать на производительность.

Понимание основ Ramjet

Рамджет работает по прямому термодинамическому циклу. По мере того, как транспортное средство разгоняется до сверхзвуковых скоростей, поступающий воздух сжимается впускной геометрией двигателя без необходимости в компрессоре. Это сжатие «тарана» повышает давление и температуру воздуха до того, как он попадает в камеру сгорания. Топливо впрыскивается и сжигается при почти постоянном давлении, и получающиеся горячие газы расширяются через сопло для получения тяги.

Отсутствие движущихся частей является определяющим преимуществом рамджета. Меньшее количество вращающихся компонентов означает меньший вес, снижение технического обслуживания и, по сути, более высокую надежность. Однако рамджет не может производить статическую тягу - он должен быть ускорен до минимальной рабочей скорости, обычно около 2-х до 3-х Маха, прежде чем сжатие станет эффективным. Для приложений БПЛА это часто означает, что транспортному средству нужен ускоритель, такой как твердотопливная ракета-носитель или турбореактивный двигатель, чтобы достичь скорости захвата рамджета.

По мере увеличения скорости эффективность сжатия быстро повышается. Выше 3 Маха рамджет может достигать специфических значений импульса значительно выше, чем ракетный двигатель, что делает его идеальным для устойчивого сверхзвукового круиза. Современные конструкции все чаще размывают грань между рамджетами и скрамджетами (самолетные рамджеты сгорания), но для многих текущих применений БПЛА простой рамджет дозвукового сгорания остается наиболее зрелым и практичным выбором.

Императив для миниатюризации в движении БПЛА

Беспилотные летательные аппараты охватывают широкий диапазон размеров, от микровоздушных транспортных средств с размахами крыльев, измеряемыми в сантиметрах, до больших высотных платформ с пролетами, превышающими 30 метров. Для сверхзвуковых и гиперзвуковых классов БПЛА - обычно тех, которые используются для высокоскоростной разведки, моделирования целей или будущих ударных ролей - двигательная система часто представляет собой самый большой компонент с одним весом. Сжатие и осветление двигателя напрямую приводит к большей полезной нагрузке, большей выносливости или меньшим общим размерам планера.

Помимо сырой массы и объема, расположение центра тяжести двигательной системы влияет на стабильность и управление транспортным средством. Компактный рамджет, который вписывается в флеш внутри планера или интегрирован в структуру крыла, уменьшает внешнее сопротивление и упрощает аэродинамическое формирование. Кроме того, меньшие двигатели требуют меньшего охлаждающего воздушного потока, меньшего расхода топлива и меньших поддерживающих подсистем, все из которых составляют экономию веса. Результатом является положительная петля обратной связи: более легкий, более компактный рамджет позволяет меньший, более дешевый и более маневренный БПЛА.

Основные проблемы проектирования и инженерные торговые операции

Проектирование компактного реактивного двигателя, который по-прежнему обеспечивает адекватную тягу и эффективность в требуемой оболочке полета, далеко не тривиально. Фундаментальные законы масштабирования гидродинамики и термодинамики накладывают ограничения, которые становятся более серьезными по мере уменьшения размера двигателя. Ключевые проблемы включают следующее.

Минимизация размера и веса двигателя

Уменьшение физических размеров рамджета уменьшает его внутренний объем и смачиваемую площадь, что в свою очередь снижает сопротивление и структурную массу. Однако меньшие двигатели работают при более низких числах Рейнольдса, что может ухудшить эффективность смешивания и увеличить вязкие потери. Длина камеры сгорания должна быть достаточной, чтобы обеспечить полное смешивание топлива и химическую реакцию; если камера слишком коротка, несгоревшее топливо выходит из сопла, теряя тягу и увеличивая расход топлива. Инженеры должны отменять более короткую, более легкую камеру против эффективности сгорания, часто используя генераторы вихрей или ребристые лайнеры для содействия быстрому смешиванию без добавления длины.

Обеспечение эффективного горения на широком диапазоне скоростей

Для работы рамджета БПЛА может потребоваться от 2,5 до 5 и более Маха. На нижнем конце динамическое давление относительно низкое, и впрыск топлива должен тщательно контролироваться, чтобы избежать пожара. При более высоких числах Маха воздух, поступающий в горючий элемент, уже чрезвычайно горячий, что может вызвать преждевременное воспламенение или тепловое задыхание. Удержание огня - поддержание стабильной зоны сгорания - становится более трудным при обеих крайностях. Компактные горючие часто полагаются на пламегасители блефа или ступенчатые конфигурации, которые создают зоны рециркуляции, но они добавляют сопротивление и вес. Поиск оптимальной геометрии для данного диапазона скоростей является центральной проблемой.

Поддержание структурной целостности при высоких температурах

Температура застоя внутри горючего рамджета может превышать 2500 К при 5 Маха. Без системы охлаждения даже высокотемпературные суперсплавы и керамика будут быстро смягчаться или окисляться. В более крупных двигателях регенеративное охлаждение - маршрутизация топлива по каналам в стенках горючего - осуществимо. В компактном рамджете БПЛА доступная площадь поверхности для охлаждения намного меньше, и топливо может не течь с достаточной скоростью, чтобы поглотить достаточное тепло. Инженеры должны выбирать материалы с экстремальной высокотемпературной способностью (например, керамические матричные композиты, C / SiC) и проектировать термические барьерные покрытия, которые могут выдержать повторную термическую цикличность. Активное охлаждение с эндотермическим топливом - еще один вариант, но он добавляет сложность и вес системы.

Бесшовная интеграция двигателя с UAV Airframe

Рамджет не является автономным модулем, который можно закрепить на планере без штрафа. Входной отверстие должен быть расположен для захвата ненарушенного воздуха, часто на нижней стороне, стороне или в конфигурации, установленной на носу. Сопло выхлопа должно быть выровнено с центральной линией транспортного средства, чтобы избежать моментов питчинга. Отвод потока пограничного слоя, управление ударными волнами и минимизация сопротивления разлива требуют тщательной интеграции между аэродинамиком и инженером-двигателем. В компактных БПЛА двигатель часто становится самим конструктивным элементом, принимая нагрузки, которые в противном случае переносились бы отдельными рамами или шкурами.

Продвинутые стратегии компактного и легкого дизайна Ramjet

Для преодоления этих проблем исследователи и инженеры разработали набор передовых стратегий проектирования и производства. Следующие подходы оказались особенно эффективными в последних прототипах и операционных системах.

Использование современных легких материалов

Переход к композитам, титановым сплавам и высокотемпературной керамике изменил правила игры для компактных рамджетов. Титан предлагает отличное соотношение прочности к весу до примерно 600 К, что делает его пригодным для впускных и передних секций. Для более горячих областей используются суперсплавы на основе никеля, такие как Inconel, но их плотность (около 8,4 г / см3) накладывает штраф за вес. Керамические матричные композиты (CMCs) такие как волокна карбида кремния в матрице карбида кремния (SiC / SiC) могут выдерживать температуры выше 1500 К, будучи одной третью плотности суперсплавов. Оксид-оксидные CMC также исследуются для низкотемпературных, но подверженных окислению сред. Задача заключается в соединении разнородных материалов без создания концентраций теплового напряжения и в разработке недорогих методов производства CMC, подходящих для объемов производства.

Модульные компоненты двигателя для более легкой интеграции

Проектирование рамджета как набора модульных подсборок — впускного, изолятора, горелки, сопла — позволяет оптимизировать каждый компонент независимо, а затем собирать его с помощью простых межсоединений. Этот подход также упрощает наземные испытания, поскольку каждый модуль может быть оценен на отдельных испытательных установках перед полным испытанием двигателя. Модульность снижает риск сюрпризов интеграции и облегчает замену секций для различных профилей миссий. Например, БПЛА, который может летать либо на низкой скорости, либо на высокоскоростной миссии, может быть оснащен другим входным модулем без изменения всего двигателя.

Оптимизация геометрии впускной и горючей камер

Вычислительная гидродинамика (CFD) в сочетании с алгоритмами оптимизации формы позволила инженерам спроектировать впуски, которые достигают высокого общего восстановления давления, оставаясь короткими и легкими. S-образные впуски, которые обертывают вокруг планера, популярны для беспилотных летательных аппаратов, потому что они скрывают поверхность компрессора от радара, но они добавляют длину канала и внутренние потери. Для компактных впускных устройств смешанного сжатия, которые используют одну рампу и систему ударного сжатия с затвором, обеспечивает хороший баланс восстановления и компактности. Внутри горелки такие методы, как полости, стойкие инжекторы и беспламенное горение, обещают стабильное горение с минимальной потерей давления и меньшей длиной. Конструкции, которые интегрируют впрыск топлива непосредственно во впуск или изолятор, также могут уменьшить длину горючего, необходимую для смешивания.

Аддитивное производство для снижения веса и геометрической точности

Аддитивное производство (AM) произвело революцию в производстве небольших сложных металлических деталей. Для рамджетных компонентов AM позволяет создавать внутренние охлаждающие каналы, которые следуют за изогнутыми поверхностями, легкие решетчатые структуры, которые сохраняют материал в регионах с низким напряжением, и цельные впускные секции, которые устраняют болтовые фланцы и их связанный вес. Прямое металлическое лазерное спекание (DMLS) в титане или Инконеле может производить детали с плотностью около 100%. Плавление электронного луча (EBM) быстрее для более крупных деталей, но предлагает немного более грубые поверхности. Постобработка, включая горячее изостатическое прессование и отделку поверхности, часто требуется для достижения усталостного срока службы и аэродинамической гладкости. Чистый результат - рамджет, который может быть на 15-30% легче, чем обычно обработанный эквивалент, с более коротким временем выполнения и большей свободой конструкции.

Будущие направления и новые технологии

Область компактного реактивного движения для БПЛА продолжает стремительно развиваться. Несколько новых технологий обещают еще больше повысить производительность и расширить операционную оболочку.

Впускные отверстия для изменяемой геометрии

Впускные отверстия с фиксированной геометрией оптимизированы для одного номера Маха конструкции. Впускные отверстия с изменяемой геометрией - с подвижными пандусами, трансляцией капотов или гибкими поверхностями - позволяют двигателю поддерживать высокую эффективность сжатия на диапазоне скоростей. Это особенно ценно для БПЛА, которые должны ускоряться от числа Маха с разделением на бустере до числа Маха 4,5 или выше. Механическая сложность и дополнительный вес изменяемой геометрии должны торговаться против прироста в конкретном импульсе и диапазоне. Последние достижения в сплавах памяти формы и легких приводах делают изменяемую геометрию более привлекательной для небольших двигателей.

Гибридные и комбинированные системы движения

Для БПЛА, требующих как малоскоростной возможности шлюза, так и высокоскоростной тире, одного рамджета недостаточно. Двигатели комбинированного цикла, интегрирующие турбореактивный или турбовентилятор с рамджетом — часто называемые турборамджетами — обеспечивают плавный переход от дозвукового к сверхзвуковому полету. В компактных БПЛА механические звенья и воздуховоды, необходимые для переключения режима, добавляют вес и сложность. В последних конструкциях турборамеев используется один путь потока с вентилятором с переменной частотой, который убирает или наклоняет поток, преобразуя двигатель из турбореактивного в рамджетный режим. Такие системы все еще экспериментальны, но были испытаны на небольших платформах.

Цифровые близнецы и машинное обучение — основанная оптимизация

Проектирование компактного рамджета традиционно включает в себя множество итераций CFD и экспериментальных испытаний. Создавая цифровой двойник двигателя, который соединяет структурные, тепловые и жидкие модели в режиме реального времени, инженеры могут практически тестировать тысячи вариантов проектирования без создания физических прототипов. Алгоритмы машинного обучения могут затем определить оптимальное сочетание геометрии входа, длины горючего, схемы топливного инжектора и выбора материала для данной миссии БПЛА. Этот подход резко сокращает время и стоимость разработки, позволяя создавать конструкции, которые невозможно было бы найти только с помощью интуиции. Цифровые двойники также поддерживают прогнозное обслуживание, позволяя операторам БПЛА контролировать состояние двигателя и планировать капитальные ремонты на основе фактического использования, а не фиксированных интервалов.

Переход на Scramjet и двухрежимную эксплуатацию

Для БПЛА, которым необходимо превышать 5 Маха, рамджет должен переходить в режим рамджета (суперзвукового сгорания). Один и тот же компактный двигатель часто может работать как в режиме дозвукового сгорания (рамджет), так и в режиме сверхзвукового сгорания (скрамджет), если изолятор и горючий двигатель спроектированы с достаточной гибкостью. Двухрежимные рамджеты (ДМР) контролируют впрыск топлива и пламегасение, чтобы избежать теплового удушья и обеспечить стабильное горение в обоих режимах. Компактные ДМР для БПЛА являются очень активной областью исследований, с несколькими тестовыми программами, демонстрирующими работу Маха 6+ с длиной двигателя менее двух метров.

Заключение

Проектирование компактных и легких ракет для БПЛА является требовательным многодисциплинарным предприятием, которое раздвигает границы аэродинамики, материаловедения, теплопередачи и производства. Фундаментальная простота цикла реактивных двигателей компенсируется серьезными эффектами масштабирования, которые возникают при сжатии двигателей. Успех зависит от тщательного выбора высокотемпературных материалов с низкой плотностью; принятие аддитивного производства для сложных внутренних геометрий; и использование вычислительной оптимизации для баланса конкурирующих целей производительности по всему полётному диапазону.

В перспективе впускные отверстия с изменяемой геометрией, архитектуры комбинированного цикла и конструкция с цифровым двойным покрытием еще больше улучшат соотношение тяги к весу и эксплуатационную гибкость ракет БПЛА. Независимо от того, применяются ли они к разведывательным беспилотникам, размещающимся над враждебной территорией, или к экспериментальным транспортным средствам, исследующим края гиперзвукового полета, эти инновации позволят БПЛА летать быстрее, дальше и с большей полезной нагрузкой, чем когда-либо прежде.

Для дальнейшего чтения см. История NASA разработки рамджетов и ScienceDirect Обзор рамджетной инженерии . Дополнительные сведения о аддитивном производстве для аэрокосмического движения можно найти в этот ресурс Dassault Systèmes .