Представленные двигатели проектировались с учётом следующих приоритетов:
– Минимальная масса и компактность конструкций;
– Простота в производстве, возможность изготовления в лабораторно-модельных условиях;
– Использование доступных отечественных компонентов (в первую очередь, турбокомпрессоров и материалов);
– Надёжность, ремонтопригодность и технологичность;
– Устойчивость работы при низких скоростях и переменных режимах (висение, вертикальный подъём, переход в горизонтальный полёт);
– Возможность масштабирования для малых и средних летательных аппаратов, включая беспилотные платформы и экспериментальные винтокрылы.
Отдельное внимание уделено адаптации силовых установок под реалии «реактивного» вертолёта, где вместо классической трансмиссии с турбовальным двигателем и хвостовым винтом, используются силовые установки, размещённые прямо на концах лопастей несущего винта или в его ступице. Такие схемы позволяют:
– Исключить сложную и громоздкую трансмиссионную систему;
– Значительно уменьшить массу и упростить силовую конструкцию;
– Повысить энергетическую отдачу каждой лопасти за счёт автономного реактивного привода;
– Повысить устойчивость и управляемость за счёт распределённой тяги.
Разработка объединила как классические экспериментальные методики (стендовая проверка, наблюдение тяги, термоконтроль), так и оригинальные инженерные решения, основанные на применении резонансных явлений (в камерах сгорания), дозвуковых и полуимпульсных потоков, дефлаграционного усиления и нестандартной геометрии камеры.
В основе некоторых из них – идеи, зародившиеся ещё в 1980-е годы, например, конструкция полусферической камеры, предложенная Н. И. Поповым в Благовещенске и переосмысленная в рамках настоящей работы.
Данная разработка носит поисково-инновационный характер, однако продемонстрированные результаты, включая успешные испытания прототипов, позволяют говорить о технической состоятельности предложенного подхода и значительном потенциале для дальнейших исследований, оптимизации и практического применения в конструкции новых типов летательных аппаратов.
1. Пневмоаккумуляторная поршневая группа – новая концепция для ДВС беспилотной авиации
Известно, что в беспилотной авиации идёт борьба за каждый лишний килограмм веса, а маховик ДВС является самой тяжелой вращающейся частью.
Известно, что маховик, как самая тяжелая вращающаяся часть любого двигателя и как аккумулятор кинетической энергии, за счет своего веса нейтрализует отклонения неравномерной угловой скорости коленчатого вала и обеспечивает постоянный вывод поршней из мертвых точек.
Известно, что во время такта сжатия и во время сгорания топливовоздушной смеси газы частично прорываются сквозь поршневые кольца и проникают в полость картера. Когда они скапливаются, незначительно увеличивается давление в картерном пространстве с побочным эффектом ухудшения качества моторного масла.
С учётом вышеизложенного, и с некоторыми ограничениями, которые заявл7ены ниже, предлагается отказаться от массивного маховика, или значительно уменьшить его вес в двигателях внутреннего сгорания за счёт значительного повышения давления воздуха в картере двигателя внутреннего сгорания. Функцию аккумулятора кинетической энергии будет выполнять давление воздуха в картере двигателя (пневмоаккумулятор) совместно с работой поршневых групп в двухстороннем действии.
Поршневая группа двигателя внутреннего сгорания прямой ход совершает под действием давления газов горения топливовоздушной смеси и дополнительно расходует часть энергии на повышение давления в пневмоаккумуляторе. Обратный ход поршневая группа совершает за счёт энергии сжатого воздуха в картерном пространстве (пневмоаккумуляторе).
Условие работы пневмоаккумулятора в качестве маховика – давление воздуха в картере P аккум. должно быть больше максимального давления воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия P сжатия (компрессия).
Рис. № 1. Условие работы пневмоаккумулятора.
В идеальных условиях топливовоздушная смесь должна сжиматься энергией сжатого воздуха в картере (пневмоаккумуляторе). Этим обеспечивается также предотвращение поступления газов в пневмоаккумулятор во время такта сжатия.
Известно, что для двигателей с принудительным зажиганием степень сжатия не должна превышать 10:1 для целей предотвращения детонационное сгорания топливовоздушной смеси. Таким образом, давление в пневмоаккумуляторе должен находится на конструктивно достижимых уровнях в 1 МПа и меньше. Уменьшение давления в пневмоаккумуляторе приводит к необходимости использования облегчённого маховика.
Отсутствие избыточного давления воздуха в пневмоаккумулятое (картере) соответствует весу классического маховика для данного типа двигателя и работе