alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2015.20.007alternative-184Research ArticleЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGYИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ И ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ДВИЖЕНИИRESEARCH ON REDUCTION OF FUEL CONSUMPTION AND AERODYNAMIC HEATING LOAD AT HIGH SPEEDЧувашеваЕ. С.ChuvashevaE. S.

старший преподаватель «МАТИ»-РГТУ им. Циолковского на кафедре «Проектирование вычислительных комплексов»

a senior lecturer of the Ziolkovsky MATI Technological University (the Development of Computer Complexes department)

snchuv@mail.ruКутыревМ. В.KutyrevM. V.

начальник  бюро «Магнитно-импульсной обработки металлов» ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»

a chief of Bureau “Metal Processing with Pulsed Magnetic Fields” at the Khrunichev State Research and Production Space Center.

snchuv@mail.ruБраунЕ. С.BraunE. S.

аспирантка МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, кафедра «Проектирование вычислительных комплексов»; инженер Научно-производственного центра «Специальное машиностроение» (НПЦ «СМ») Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана).

postgraduate at the Ziolkovsky MATI Russian State Technological University, the Development of Computer Complexes department; engineer of the Research and Production Center of Special Machinery (RPC SM) at BMSTU

snchuv@mail.ruМосковский авиационный технологический институт (МАТИ) – Российский государственный технологический университет им. К.Э. ЦиолковскогоРоссияMATI Russian State Technological UniversityRussian Federation2015191120150207491Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20152015Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/184

Рассмотрен способ снижения потерь на лобовое сопротивление при полёте высокоскоростного летательного аппарата за счёт инжекции газа в новых изобарических режимах, что может также снизить нагрев поверхности аппарата. Проведён цикл аналитических исследований и математического моделирования. Впервые разработана и испытана в аэродинамической трубе система обеспечения изобарического режима инжекции. Результаты указывают на реализуемость и эффективность изобарических режимов активного воздействия на поток. Приводится пример расчёта по разработанным комплексным моделям, в котором сравниваются аппараты с системой снижения лобового сопротивления и с твердотопливным двигателем; использование изобарических режимов позволило уменьшить стартовую массу аппарата примерно вдвое.

The paper deals with a method of reduction of aerodynamic drag of a high-speed vehicle by means of active modification of the airflow with injection of light gas with high speed of sound, which can also mitigate the surface heating load. Analytical and numerical researches are carried out. An experimental model of the system of the isobaric modes implementation is created and tested in a wind tunnel for the first time. The results show power efficiency and possibility of realization of the isobaric modes of active airflow modification. An example of possible application of the isobaric modes to reduce the aerodynamic drag of a high speed vehicle is considered; it made it possible to halve the launch mass of the vehicle as compared with a vehicle with a solid propellant engine.

аэродинамическое сопротивлениеаэродинамический нагреввысокоскоростной полётактивное воздействие на потокинжекция газаaerodynamic dragaerodynamic heatinghigh speed movementactive effect on airflowgas injectionReferencesАлександров А.Ф., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н. Безударное сверхзвуковое движение в атмосфере: принципиальная возможность и практическая реализация. М.: Изд. МГУ, 1996 (препринт физического факультета n 4/1996).Aleksandrov A.F., Timofeev I.B., Chuvashev S.N. Bezudarnoe sverhzvukovoe dviženie v atmosfere: prin-cipial’naâ vozmožnost’ i praktičeskaâ realizaciâ. Mos-cow: Izd. MGU Publ., 1996 (preprint fizičeskogo fakul’teta n 4/1996) (in Russ.).Александров А.Ф., Арделян Н.В., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н. О возможности существенного снижения энергозатрат на сверх- и гиперзвуковое движение при нагреве воздуха и/или вдуве плазмы // XXVI Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемого термоядерного синтеза, 1999. С. 252.Aleksandrov A.F., Ardelyan N.V., Timofeev I.B., Chuvashev S.N. O vozmožnosti suŝestvennogo sniženiâ ènergozatrat na sverh- i giperzvukovoe dviženie pri nagreve vozduha i/ili vduve plazmy. XXVI Zvenigo-rodskaâ konferenciâ po fizike plazmy i upravlâemogo termoâdernogo sinteza: 1999, p. 252 (in Russ.).Александров А.Ф., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н. Безударное сверхзвуковое движение в атмосфере: принципиальная возможность и практическая реализация // Прикладная физика.1996. № 3. C. 112−117.Aleksandrov A.F., Timofeev I.B., Chuvashev S.N. Bezudarnoe sverhzvukovoe dviženie v atmosfere: prin-cipial’naâ vozmožnost’ i praktičeskaâ realizaciâ. Pri-kladnaâ fizika,1996, no. 3, pp. 112−117 (in Russ.).Александров А.Ф., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н. О концепции обеспечения безударного сверхзвукового движения в атмосфере // 4 межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике: тезисы докладов. М.: МГТУ, 1997. C. 12−13Aleksandrov A.F., Timofeev I.B., Chuvashev S.N. O koncepcii obespečeniâ bezudarnogo sverhzvukovogo dviženiâ v atmosfere. 4 mežgosudarstvennyj simpozium po radiacionnoj plazmodinamike: tezisy dokladov. Moscow: MGTU Publ., 1997, pp. 12−13 (in Russ.).Патент RU 2107010 c1 b64c 21/02, 23/00, 30/00 Способ обеспечения безударного сверхзвукового движения летательного аппарата в атмосфере и летательный аппарат / Александров А.Ф., Чувашев С.Н., Тимофеев И.Б. // Приоритет от 22.07.96. Изобретения. 10.03.1998. 7 с.Aleksandrov A.F., Chuvashev S.N., Timofeev I.B. Sposob obespečeniâ bezudarnogo sverhzvukovogo dviženiâ letatel’nogo apparata v atmosfere i letatel’nyj apparat. Patent RU 2107010 c1 b64c 21/02, 23/00, 30/00. Priority of 22.07.96. Izobretenia, 10.03, 1998. 7 p (in Russ.).Chuvashev S., Ershov A., Liagushin B., Timofeev B., Timofeev I. Ambient air modification for drag reduction. Similarity analysis results for modeling of weakly ionized plasma aerodynamics // Weakly ionized gases workshop: proc. Colorado: USAF academy, 1997. P. M3−M17.Chuvashev S., Ershov A., Liagushin B., Timofeev B., Timofeev I. Ambient air modification for drag reduc-tion. Similarity analysis results for modeling of weakly ionized plasma aerodynamics. Weakly ionized gases work-shop: proc. Colorado: USAF Academy, 1997, pp. M3−M17 (in Eng.).Chuvashev S., Ardelyan N., Chae J., Kosmachevskii K., Timofeev I. Class of energy saving regimes of supersonic propagation with plasma formation before streamlined bodies // 9-th int. Space planes and hypersonic systems and technologies conference. 3-rd weakly ionized gases symposium. Aiaa-99-4968. Norfolk, Virginia, USA. 1999. P. 2.85−2.96Chuvashev S., Ardelyan N., Chae J., Kosmachev-skii K., Timofeev I. Class of energy saving regimes of super-sonic propagation with plasma formation before streamlined bodies. 9-th int. Space planes and hyperson-ic systems and technologies conference. 3-rd weakly ionized gases symposium, AIAA-99-4968, Norfolk, Vir-ginia, USA, 1999, pp. 2.85−2.96 (in Eng.).Чувашев С.Н, Любченко Ф.Н., Костенко О.Ф. Концепция космического аппарата с лучевой плазмообразующей системой для полетов по сверхнизким орбитам // 4 межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике: М.: МГТУ, 1997. С. 206−207.Chuvasgev S.N, Lyubchenko F.N., Kostenko O.F. Koncepciâ kosmičeskogo apparata s lučevoj plazmoob-razuûŝej sistemoj dlâ poletov po sverhnizkim orbitam. 4 mežgosudarstvennyj simpozium po radiacionnoj plazmodinamike, Moscow: MGTU Publ., 1997, pp. 206−207 (in Russ.).Арделян Н.В., Чувашев С.Н. Математическое моделирование безударных режимов сверхзвукового обтекания при профилированном нагреве газа // XXVI Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемого термоядерного синтеза, 1999. С. 261.Ardelyan N.V., Chuvashev S.N. Matematičeskoe modelirovanie bezudarnyh režimov sverhzvukovogo ob-tekaniâ pri profilirovannom nagreve gaza. XXVI Zvenigorodskaâ konferenciâ po fizike plazmy i uprav-lâemogo termoâdernogo sinteza, 1999, p. 261 (in Russ.).Арделян Н.В., Чувашев С.Н. Вычислительные эксперименты по устранению сильных ударных волн и многократному снижению лобового сопротивления при сверхзвуковом движении тел в газах // 7 Всероссийская Школа-семинар «Современные проблемы математического моделирования». Ростов-на-дону. РГУ. Труды. 1997. С. 11−14.Ardelyan N.V., Chuvashev S.N. Vyčislitel’nye èksperimenty po ustraneniû sil’nyh udarnyh voln i mnogokratnomu sniženiû lobovogo soprotivleniâ pri sverhzvukovom dviženii tel v gazah. 7 Vserossijskaâ Škola-seminar "Sovremennye problemy matema-tičeskogo modelirovaniâ". Rostov-na-donu, RGU Trudy, 1997, pp. 11−14 (in Russ.).Арделян Н.В., Космачевский К.В., Чувашев С.Н. Математическое моделирование энергетически эффективных режимов сверхзвукового движения летательного аппарата с вдувом плазмы (газа) из иглы на носу // XXVI Звенигородская конференция по физике плазмы и управляемого термоядерного синтеза: 1999. С. 264.Ardelyan N.V., Kosmachevskii K.V., Chuvashev S.N. Matematičeskoe modelirovanie ènergetičeski èffek-tivnyh režimov sverhzvukovogo dviženiâ letatel’nogo apparata s vduvom plazmy (gaza) iz igly na nosu. XXVI Zvenigorodskaâ konferenciâ po fizike plazmy i uprav-lâemogo termoâdernogo sinteza: 1999, p. 264 (in Russ.).Ершов А.П., Розанов В.В., Сысоев Н.Н., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н., Шибков В.М. Наблюдение безударного сверхзвукового движения плазмы капиллярного разряда в атмосфере // 4 межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике. М.: МГТУ, 1997. С. 122−123Ershov A.P., Rozanov V.V., Sysoev N.N., Timofeev I.B., Chuvashev S.N., Shibkov V.M. Nablûdenie bezudarnogo sverhzvukovogo dviženiâ plazmy ka-pillârnogo razrâda v atmosfere. 4 mežgosudarstvennyj simpozium po radiacionnoj plazmodinamike: Moscow: MGTU Publ., 1997, pp. 122−123 (in Russ.).Ершов А.П., Тимофеев И.Б., Чувашев С.Н., Шибков В.М. Экспериментальная реализация формирования горячего канала и сверхзвукового движения плазменного тела в атмосфере без возбуждения ударных волн // 4 межгосударственный симпозиум по радиационной плазмодинамике. М.: МГТУ, 1997. С. 124−125.Ershov A.P., Timofeev I.B., Chuvashev S.N., Shibkov V.M. Èksperimental’naâ realizaciâ formirova-niâ gorâčego kanala i sverhzvukovogo dviženiâ plazmennogo tela v atmosfere bez vozbuždeniâ udarnyh voln. 4 mežgosudarstvennyj simpozium po radiacionnoj plazmodinamike, Moscow: MGTU Publ.,1997, pp. 124−125 (in Russ.).Чувашев С.Н., Чувашева Е.С. Альтернативная энергетика гиперзвукового движения при активном воздействии на поток // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2014. № 18. C. 95−110.Chuvashev S.N., Chuvasheva E.S. Al’ternativnaâ ènergetika giperzvukovogo dviženiâ pri aktivnom voz-dejstvii na potok. International Scientific Journal “Al’ternativnaâ ènergetika i èkologiâ” (ISJAEE), 2014, no. 18, pp. 95−110 (in Russ.).Bar-Meir G. Fundamentals of compressible fluid mechanics. Chicago, IL. 2013. 465 pp. http://www.potto.org/gd/gasdynamics.pdfBar-Meir G. Fundamentals of compressible fluid mechanics. Chicago, IL, 2013, 465 p. Available at: http://www.potto.org/gd/gasdynamics.pdf (in Eng.)Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.Kutateladze S.S. Teploperedača i gidrodina-mičeskoe soprotivlenie. Moscow: Ènergoatomizdat Publ., 1990, 367 p. (in Russ.).Чувашева Е. С., Чувашев С. Н., Зорина И. Г. Комплексная математическая модель для концептуального проектирования высокоскоростных летательных аппаратов // Информационные технологии. 2012. № 11 (195). С. 10−14.Chuvasheva E.S., Chuvashev S.N., Zorina I.G. Kompleksnaâ matematičeskaâ model’ dlâ konceptu-al’nogo proektirovaniâ vysokoskorostnyh letatel’nyh apparatov. Informacionnye tehnologii, 2012, no. 11 (195), pp. 10−14 (in Russ.).Чувашева Е.С., Чувашев С.Н. Выбор рациональных характеристик высокоскоростных летательных аппаратов разных масштабов на основе комплексной математической модели // Информационные технологии. 2013. № 8. C. 12–16.Chuvasheva E.S., Chuvashev S.N. Vybor racion-al’nyh harakteristik vysokoskorostnyh letatel’nyh appa-ratov raznyh masštabov na osnove kompleksnoj ma-tematičeskoj modeli. Informacionnye tehnologii, 2013, no. 8, pp. 12–16 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.