Бортовое устройство летательных аппаратов для уменьшения эрозии грунта

1 Настоящее изобретение относится к устройствам для уменьшения эрозии грунта, вызываемой соприкосновением с ним горячих струй,например струй, выходящих из маршевых двигателей или из подъемных газотурбинных двигателей самолетов вертикального и короткого взлета и посадки, или горячих газов выхлопа ракет вертикального запуска. Выход подъемных струй, выходящих из выхлопного сопла газотурбинного двигателя или ракетного двигателя на горизонтальном или почти горизонтальном участке, характеризуется тремя четко выраженными зонами: 1. Свободная струя, выходящая из сопла; 2. Область стагнации, заканчивающаяся поворотной зоной, в которой струя отклоняется в поперечном направлении и радиально от точки соударения; 3. Боковая зона струи, в которой струя движется практически параллельно поверхности соударения. Эрозия наиболее часто применяемых материалов покрытия, являющаяся следствием воздействия струй, возникает главным образом в области, расположенной под поворотной зоной. Это объясняется тем, что здесь происходит максимальная передача тепла поверхности от струи. Помимо эрозии грунта в случае самолета вертикального короткого взлета и посадки с газотурбинным двигателем, ударение горячих струй вызывает и другие проблемы, такие как вдувание в воздухозаборник горячего газа, мусора и пыли. В дальнейшем эти проблемы еще более обострятся при освоении самолетов вертикального короткого взлета и посадки с улучшенными ЛТХ с подъемными струями, находящимися при высокой температуре и под высоким давлением. Известно, что для решения указанных выше проблем применяются алюминиевые обшивочные листы и переносные маты для защиты поверхности грунта при эксплуатации самолетов с вертикальным коротким взлетом и посадкой. Такие известные методы защиты могут применяться только в ситуации, когда самолет взлетает или садится в заранее заданной зоне,которую заранее можно покрыть известными защитными покрытиями. Задачей данного изобретения является создание средств, уменьшающих эрозию грунта, а,следовательно, и связанных с этим проблемами с помощью устройства, которое должно находиться на самолете с вертикальным коротким взлетом и посадкой или на любом другом летательном аппарате (ЛА), например на ракете вертикального запуска, при котором необходимо использовать горячие струи, соударяющиеся с землей, что дает возможность эксплуатировать самолеты и другие ЛА не только в заранее определенных зонах. 2 В соответствии с настоящим изобретением предлагается устройство, позволяющее избежать эрозию грунта, вызываемую воздействием горячих струй, например подъемных струй самолетов вертикального короткого взлета и посадки или ракет, причем эти горячие струи выходят из сопла, например сопла подъемного двигателя или сопла подъемного/маршевого двигателя, которое состоит из средств ввода жидкого хладагента в поверхность соударения,находящуюся непосредственно под поворотной зоной. Желательно, чтобы эти средства имели приспособления для направления струи жидкости под высоким давлением при сравнительно низкой температуре у поверхности соударения с целью создания изолирующей пленки из текучей среды у поверхности соударения, тем самым снижая перенос тепла к ней. Такой текучей средой может быть воздух или жидкость, например вода, или смесь из этих веществ, но, предпочтительно, чтобы это была текучая среда с высокой теплоемкостью, что позволит достичь данного эффекта при более низкой скорости потока. Основной задачей данного изобретения является подача текучей среды хладагента в центральную часть зоны соударения струи так,чтобы эта текучая среда распылялась в разных направлениях над поверхностью соударения, по возможности, равномерно. Поэтому в одном из вариантов данного изобретения поток текучей среды направляется коаксиально соударяющимся горячим струям. В альтернативном варианте изобретения, в котором в струи, имеющие скос (под углом к вертикали) или имеющие некруглое сечение при выходе из двигателя, вводится хладагент в направлении, которое первоначально не соответствует оси струи. В других вариантах изобретения текучая среда хладагента направляется так, чтобы она входила в струю как можно дальше вниз от сопла для горячей струи и в максимальной близости к поверхности соударения с тем, чтобы свести к минимуму секундный расход текучей среды. На практике, при установке устройства на самолете, текучая среда может подаваться из бортового резервуара с помощью насоса высокого давления и вводиться в горячую струю через сопло хладагента, установленное на сопле подъемного двигателя или сопле реактивного двигателя, или ниже по потоку этого сопла. Это сопло хладагента может опираться на обтекатель, который защищает его. Как сопло хладагента, так и обтекатель должны быть смонтированы так, чтобы иметь возможность отклонения внутрь горячей струи и из нее по необходимости. 3 Варианты данного изобретения далее будут рассмотрены на примере с использованием ссылок на сопутствующие чертежи. На фиг.1 а и 1b представлены, соответственно, вид сбоку известной струи самолета вертикального короткого взлета и посадки и струи самолета вертикального короткого взлета и посадки по данному изобретению, действующих в наземных условиях: на фиг.1 а изображена обычная струя/взаимодействие с грунтом; на фиг.1b - струя/взаимодействие с грунтом с применением охлаждающей текучей среды; на фиг.2a-2f представлены альтернативные варианты применения изобретения: на фиг. 2 а - вид сбоку сопла подъемного двигателя с установленной на нем соплом хладагента; на фиг.2b - вид сбоку поворотного сопла маршевого/подъемного двигателя с установленным на нем соплом хладагента; на фиг.2 с - вид сбоку поворотного сопла маршевого/подъемного двигателя с установленным на нем соплом хладагента, смонтированным ниже по потоку сопла двигателя; на фиг.2d - вид сбоку сопла подъемного двигателя с соплом смеси текучей среды хладагента, смонтированным на сопле двигателя; на фиг.2 е - вид сбоку поворотного сопла маршевого/подъемного двигателя с соплом для смеси текучей среды хладагента, смонтированным ниже по потоку сопла двигателя. На фиг.1a направленное вниз выхлопное сопло 1 газотурбинного двигателя или вентилятора самолета с вертикальным коротким вылетом и посадкой (не показано), направляет струю 2 выхлопных газов газотурбинного двигателя или вентилятора 4 к поверхности грунта 5 во время выполнения этапов вертикального взлета или посадки. После соударения с грунтом 5 струя 2 отклоняется в идущую радиально наземную струю 12. Между струей 2, направленной вниз, и струей, направленной радиально 12,струя от двигателя проходит через поворотную зону 4. В этой зоне 4 струя от двигателя отклоняется в поперечном и радиальном направлениях от поверхности соударения 6, которая находится непосредственно под струей 2. Под струей 2 создается заостренной формы квазинеподвижная зона (зона квазиторможения). Почти все случаи эрозии грунта возникают на поверхности, ограниченной поворотной зоной 4, так как в этом месте происходит максимальная теплопередача от струи к грунту. На фиг.1b показан принцип создания изолирующей пленки из текучей среды на поверхности соударения 6, которая используется в соответствии с данным изобретением. В струю 2 от двигателя как можно ниже по потоку от сопла двигателя 1 вводится струя хладагента, например воды, 7 коаксиально струе 2. Эта водя 000081 4 ная струя достигает поверхности соударения 6 и рассеивается радиально в направлении от центра к периферии, как показано на поз.8, таким образом создавая изолирующую пленку из текучей среды на поверхности соударения 6, тем самым уменьшая теплопередачу к ней. На фиг.2 а показано сопло 10 хладагента,установленное на сопле 1 подъемного двигателя. Сопло 10 хладагента коаксиально соплу подъемного двигателя 1, и позволяет потоку воды 7 протекать в направлении, коаксиальном струе 2 двигателя, исходящей из сопла 1. Обтекатель 9 является опорой для сопла хладагента 10 и защищает его от струи 2 двигателя. В сопло хладагента подается вода из резервуара (не показано) через трубопровод, который проходит по боковой стенке сопла 1 и обтекателю 9. На фиг.2b показано сопло хладагента 10,установленное на поворотном сопле 1 маршевого/подъемного двигателя. Здесь сопло хладагента 10 вновь коаксиально соплу 1 маршевого/подъемного двигателя, что позволяет воде 7 протекать коаксиально струе 2 двигателя, вытекающей из сопла 1. Обтекатель 9 является опорой для сопла хладагента 10 и защищает его от струи 2 двигателя. Вода в сопло хладагента 10 подается, как и в предыдущем варианте, из резервуара (не показан). На фнг.2 с изображено сопло 10 хладагента, установленное вниз по потоку от поворотного сопла маршевого/подъемного двигателя. Это сопло 10 хладагента коаксиально соплу 1 маршевого/подъемного двигателя, что позволяет струе воды 7 протекать коаксиально струе 2 двигателя, выходящей из сопла 1. Обтекатель 9 является опорой для сопла 10 хладагента в пределах узла 11 и защищает его от действия струи 2 двигателя. Узел 11 сопло-обтекатель смонтирован с возможностью поворота на самолете (не показано) так, что оно может вдвигаться в струю от двигателя и выдвигаться из нее по необходимости. На фиг.2d показано сопло 10 для смеси текучей среды хладагента, установленное на сопле 1 подъемного двигателя, Обтекатель 9 подпирает и защищает трубку 13 подачи первого хладагента. Воздух отводится от ступени компрессора двигателя (не показано) по трубке 13 подачи первого хладагента, а второй хладагент, например вода, вводится в трубку 13 подачи хладагента в любой точке 14 между компрессором и соплом 10 хладагента. Сопло 10 хладагента коаксиально соплу 1 подъемного двигателя, что позволяет струе 7 воздуха/водяного пара протекать коаксиально струе 2 от двигателя. На фиг.2 е изображено сопло 10 для смеси текучей среды хладагента, смонтированное на поворотное сопло 1 маршевого/подъемного двигателя. Обтекатель 9 подпирает и защищает трубку 13 подачи первого хладагента. Воздух отводится от ступени компрессора двигателя (не показано) по трубке 13 подачи первого хлада 5 гента, а второй хладагент, например вода, вводится в трубку хладагента 13 в любой точке 14 между компрессором и соплом 10 хладагента. Сопло 10 хладагента коаксиально соплу 1 подъемного двигателя, что позволяет струе 7 воздуха/водяного пара протекать коаксиально струе 2 от двигателя. На фиг.2f изображено сопло 10 для смеси текучей среды хладагента, смонтированное ниже по потоку поворотного сопла 1 маршевого/подъемного двигателя. Это сопло 10 хладагента коаксиально соплу 1 маршевого/подъемного двигателя, что позволяет струе воды 7 протекать коаксиально струе 2 двигателя, выходящей из сопла 1. Обтекатель 9 является опорой для сопла 10 хладагента в пределах узла 11 и защищает его от действия струи 2 двигателя. Узел 11 сопло-обтекатель смонтирован с возможностью поворота на самолете (не показано) так, что оно может вдвигаться в струю двигателя и выдвигаться из нее по необходимости. Для специалистов в этой области должно быть очевидно, что можно провести большое количество модификаций и усовершенствований данного изобретения, описанного выше. Возьмем в качестве примера недавно спроектированный самолет короткого взлета и вертикальной посадки, которому необходимо было провести вертикальную посадку на поверхность с обычным бетонным аэродромным покрытием при вертикальной скорости снижения 4,5 футов/с. Прогнозировалось, что во избежании эрозии поверхности обычного бетонного аэродромного покрытия минимально допустимая вертикальная скорость должна быть 11,7 футов/с, то есть необходимая скорость снижения была равна менее половины "безопасной" скорости снижения. Однако установка на самолет устройства по изобретению, описанного выше,даст возможность безопасно эксплуатировать самолет при нужной скорости снижения над поверхностью обычного бетонного аэродромного покрытия. Кроме того, известно, что максимальная теплопередача к поверхности соударения при вертикальной посадке возникает на расстоянии 10 диаметров сопла, таким образом,объект изобретения в рассмотренном случае должен будет функционировать всего в течение примерно 3,6 с (диаметр сопла подъемной струи равен 1,64 футов). Очевидно, что органы управления текучей средой хладагента могут быть соединены с сигналами, идущими от высотомера самолета, так,что эта текучая среда хладагента вводится в подъемную струю только тогда, когда самолет снижается с заранее определенной высоты над землей и при скорости снижения меньше, чем минимально допустимая (для самолета, который не оборудован объектом данного изобретения) и для конкретного типа поверхности. В рассматриваемом случае потребуется вводить хладагент 6 в подъемную струю на высоте 16,4 фута и ниже,если самолет снижается со скоростью менее 11,7 футов/с. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для уменьшения эрозии грунта, вызванной воздействием горячих струй,например подъемных струй самолета с вертикальным коротким взлетом и посадкой или ракет, выходящих из сопла подъемного двигателя или сопла маршевого/подъемного двигателя,отличающееся тем, что оно содержит приспособление для ввода текучей среды хладагента в поверхность соударения с грунтом, расположенную непосредственно под поворотной зоной струи. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем,что упомянутое приспособление выполнено с обеспечением подачи текущей среды хладагента к поверхности соударения под высоким давлением. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что упомянутое приспособление выполнено с обеспечением подачи текущей среды хладагента коаксиально горячим струям. 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что упомянутое приспособление выполнено с обеспечением подачи текучей среды хладагента в направлении, не совпадающем с осью струи. 5. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что оно содержит сопло для подачи текучей среды хладагента,расположенное вниз по потоку от сопла для горячих струй или в этом сопле. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем,что сопло хладагента защищено и поддержано обтекателем. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем,что сопло хладагента и обтекатель установлены на сопле для горячих струй. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем,что сопло хладагента и обтекатель установлены на каркасе самолета с вертикальным коротким взлетом и посадкой или на каркасе ракеты ниже по потоку сопла для горячих струй. 9. Устройство по пп.6-8, отличающееся тем, что сопло хладагента и обтекатель установлены с возможностью расположения коаксиально горячей струе или вывода из этого положения при необходимости. 10. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что упомянутое приспособление выполнено с обеспечением подачи текучей среды хладагента по возможности ниже и ближе к поверхности соударения. 11. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что оно соединено с областью начального сжатия маршевого/подъемного двигателя для отбора в качестве хладагента воздуха. 7 12. Устройство по п.11, отличающееся тем,что оно выполнено с возможностью подачи в него воды или любой другой текучей среды между точкой отбора и соплом хладагента. 13. Устройство по пп.1-10, отличающееся тем, что в качестве хладагента используется текучая среда с высокой теплопроводностью. 8 14. Устройство по пп.1-10, отличающееся тем, что в качестве хладагента используется вода. 15. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что текучая среда размещена в бортовом резервуаре, а устройство снабжено системой нагнетания текучей среды в сопло хладагента.