А не подкинуть ли нам в костерок дровишек? Нет, не так — а не подлить ли нам в камерку сгорания бензинчика?
Почему бы и нет? — подумали мы за рюмкой чая в пятничный вечер. В самом деле, мы занимались этим в свое время, а это уже добрых 40 лет назад, и это совершенно секретная тема пульсирующих воздушно-реактивных двигателей и систем запуска для ударных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), и все эти работы были насмерть засекречены. Почему, спросите, засекречены? А так, на всякий случай. Причем, не потому, что они такие супер-секретные и государственно-важные, а потому, что они были… и нахрен никому не нужны. Вот ведь парадокс, правда?
И действительно, в те времена (а это 80-е годы прошлого века) савецкие генералы прямо говорили нам, что им тупо не нужны никакие авиамодельные игрушки — им только нужно еще как можно больше савецких танков, пушек, ракет и самолетов, а не всей этой авиамодельной экзотики. И это при том, что всех этих савецких танков, пушек, ракет и самолетов у них было даже чуть больше чем г…на за старой баней. И их всех с помощью тех же БПЛА просто в ноль уже раскатала израильская «военщина» в 1982 году в долине Бекаа…
Но сейчас, а на самом деле, уже давно, наступило совершенно другое время, когда и танки-пушки савецкие давно или сгнили, или сгорели, и эти работы могут быть вновь использованы. Но нет, опять никому ничего не надо, и до всего этого по-прежнему, как и 40 лет назад, никому нет никакого дела. Типо, мы и сами с усами.
Получается, что за 40 лет ничего не изменилось? Ну, ОК — если от нас ничего не нужно, то и нам от них точно так же и нахрен ничего не упало. Зато, в отличие от них, у нас кое-что есть. И мы даже можем просто так это показать. Просто из любви к искуству. Или как хобби. Ну, или чтобы было. Или вообще, для пущего пафоса и понтов — почему бы и нет?
Итак, наш вклад в дело ударных БПЛА состоит из нескольких основных направлений. Это ПуВРД — пульсирующие воздушно-реактивные двигатели, ТРД — турбореактивные двигатели, а оба типа этих двигателей непосредственно предназначены для ударных БПЛА, а также системы запуска таких БПЛА (катапульты). А недавно мы снова присоединились к теме поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), создав онлайн-программу моделирования винтомоторной установки для высокоскоростного БПЛА.
В разное время мы делали некоторые исследовательские работы, результаты которых опубликованы и представлены в наших статьях по тематике БПЛА. Что это за работы, на самом деле говорит даже одно только их название.
Короче, пользуйтесь и ни в чем себе не отказывайте, а мы еще понаделаем, при случае — мы и не такое могём (а мы уже делаем, не сомневайтесь).
1. Наша новая онлайн-программа моделирования винтомоторной установки БПЛА
Наша новая разработка!
Известно, что за прошедшие 80 лет мощностные характеристики 2-тактных двигателей были серьезно улучшены – удельная мощность отдельных образцов выросла в 3-4 и более раз. Соответственно, значительно улучшились показатели экономичности, по которым 2-тактный двигатель вплотную приблизился к 4-тактному.
Вместе с тем, несмотря на то, что системы управления двигателей стали полностью электронными, в конструкции силовой установки БПЛА остался древний элемент, который практически не претерпел никаких изменений – это воздушный винт постоянного шага. Фактически он так и остался деревянным, хотя традиционные материалы давно уже заменены на современные гораздо более стабильные и прочные.
Но именно винт сегодня является одним из элементов, тормозящих не только БПЛА на скорости около 150 км/час, но и все дальнейшее развитие данной технологии. И электроника тут не поможет. А что поможет? Мы провели исследование и нашли…
Как значительно увеличить скорость БПЛА с поршневым двигателем
2. Наш ликбез: Что такое пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД), с чем его едят, и как с ним бороться
Наш ликбез по пульсирующим воздушно-реактивнім двигателям
Мы тут подумали и решили запилить небольшой лекторий на тему «Когда Земля была еще тепленькой, и по ней ходили крылатые реактивные мамонты и пульсирующие реактивные динозавры«, а точнее, на тему истории авиации. Параллельно с нашим лекторием на Youtube.
Просто мы, как бы это сказать помягше, заметили, что некоторые товарисчи-всезнайки настолько хорошо знают, что такое пульсирующий двигатель, что… практически ничего не знают. Но с умным видом рассказывают. А их еще и слушает досужий народец. Вот поэтому лекторий и понадобился.
Очень, надо сказать, познавательный лекторий, как говорится, оставайтесь с нами, скучно не будет. В самом деле, давайте посмотрим,…
Что такое пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, с чем его едят, и как с ним бороться
3. Онлайн-программа моделирования пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД)
Наш супер-проект века — программа Pulsejet-Sim: https://pulsejet-sim.com
Нам всегда говорили, что процесс горения топлива и течения газов в пульсирующем воздушно-реактивном двигателе так сложен и так запутан, что его вообще никак не рассчитать. Потом, правда, отдельные, очень великие ученые сказали, что да – этот процесс настолько сложен, что его можно моделировать, но только с помощью… самых сложных 3-D программ. А иначе никак не получится. Но поскольку такие программы доступны только этим величайшим ученым, они тем самым лишь подтвердили, что все и так давно знают – моделировать в пульсирующем двигателе действительно ничего нельзя.
Что же мы имеем в итоге? А то, что без моделирования ничего и никак не выходит. То есть нет – оно получается, но надо слишком много потратить нержавеющей стали, времени, шлифовальных кругов на резку и сварочных электродов или проволоки на сварку, чтобы получилось. Стоит ли простая труба таких серьезных вложений? Тем не менее, до сих пор такой путь и был наиболее распространенным, главным образом, у энтузиастов-сварщиков. Режь, вари, режь снова и снова вари – неужели именно этот путь и дальше будет единственно возможным и правильным для проектирования пульсирующих двигателей?
Мы – не поверили. И вообще говоря, очень трудно поверить, что в 21 веке есть какая-то загадочная труба, для которой нет еще готовой расчетной модели и не написано ни одной готовой программы. Почему не написано – кому-то денег не дали, сколько он хотел, кто не смог или не захотел напрягаться, потому что был уверен, что это нельзя, а кто решил, что легче резать и варить, чем думать и считать – уже даже не интересно в этом разбираться. Мы просто сели и за пару недель написали модель и программу моделирования рабочего цикла пульсирующего двигателя. Которую потом взяли и выложили на специально созданном для этого сайте. И теперь это приложение может запустить любой. И не просто запустить, а даже проверить, работает ли его двигатель с заданными параметрами, а если работает, то как – хорошо или не очень. Причем, даже на своем собственном телефоне.
Не верите? Попробуйте сами…
Исследовать, подобрать параметры и сконструировать свой собственный ПуВРД
4. Подробное описание нашей математической модели и программы моделирования пульсирующего воздушно-реактивного двигателя
Khrulev A., Muntyan V. (2025). Mathematical model and computer program development for online modeling of pulse jet engine working cycle, parameters and characteristics. Drone Systems and Applications, 2025, Just-In, 48 p. DOI: https://doi.org/10.1139/dsa-2025-0027
В известном канадском журнале «Drone Systems and Applications» опубликована наша фундаментальная статья «Mathematical model and computer program development on-line modeling of pulse jet engine working cycle, parameters and characteristics». Статья очень подробно описывает вывод расчетных уравнений нашей математической модели, а также разработку и устройство программы Pulsejet-Sim. Выход такой статьи – это одновременно апробация в научном сообществе и своего рода признание нашей работы: перед опубликованием статью несколько раз проверяли очень авторитетные специалисты по авиационным двигателям, а после их чрезвычайно полезных замечаний нам пришлось даже внести некоторые поправки в модель и программу. Однако самое важное то, что статья фактически является учебником или пособием по моделированию пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, отвечая на вопросы «что?», «как?» и «почему?».
Посмотреть, как создать математическую модель пульсирующего двигателя и перенести ее в современную компьютерную программу.…
5. Математическое моделирования пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) с помощью безразмерных критериев подобия
Khrulev A. (2023). Modeling of engine with periodic workflow using dimensionless similarity criteria and piston analogy method. World of scientific research, 2023, Issue 23, Opole, Poland, 24 October 2023. Aviliable at: https://www.economy-confer.com.ua/full-article/4861/
В данном исследовании был выбран простой метод поршневой аналогии (или метод газового поршня) и применен к простому клапанному пульсирующему воздушно-реактивному двигателю для получения общих закономерностей. Суть метода заключается в том, что камера сгорания двигателя представляется в нульмерной формулировке так же, как это делается при термодинамическом описании внутрицилиндрового процесса двигателя внутреннего сгорания, то есть с равномерно распределенными по объему мгновенными параметрами газа. Течение газа в резонансной трубе в 1-м приближении рассматривается как колебательное движение газового столба. Другими словами, двигатель представляется не как труба (как в обычных методах), а как резонатор Гельмгольца или механическая колебательная система.
Эти предположения позволили составить математическую модель из уравнений непрерывности, импульса и энергии. Это система дифференциальных уравнений 1-го порядка, относительно мгновенных параметров газа (как функций времени) — давления, температуры в камере сгорания и скорости газа в резонансной трубе, с учетом образовавшихся зон течения.
При разработке модели также было установлено, что если вывод расчетных уравнений производить с использованием безразмерных переменных (относительно атмосферного давления, температуры и скорости звука), то могут быть выявлены некоторые ранее неизвестные закономерности. В результате получены безразмерные критерии подобия пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающие комплексный параметр и коэффициент площади. Полученные критериальные зависимости были проверены на данных известных двигателей и дали удовлетворительную сходимость в широком диапазоне их размеров по безразмерной тяге, цикловой частоте и удельному расходу топлива.
Посмотреть, как можно сделать математическую модель ПуВРД…
6. Моделирование течения газа в резонансной трубе ПуВРД методом поршневой аналогии
Khrulev, A. (2023). Determination of gas parameters in resonant pipes and channels of engines with a periodic workflow using the piston analogy method. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (7 (125)), 50–59. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.288520
В этой работе моделируется процесс течения газа в резонансной трубе ПуВРД. Анализ различных моделей течения и сравнение известных данных показали, что остаются не решенные до конца проблемы правильного выбора принципов построения замкнутых 0-мерных моделей рабочего цикла. В соответствии с этим возникает вопрос о размерности моделей отдельных элементов двигателей, включая и модель резонансной трубы, которые необходимо включить в общую модель цикла, особенно, на начальном этапе ее разработки.
Для решения выявленных проблем усовершенствована математическая модель течения воздуха, посторенная на базе аналогии с «жидким» поршнем. В отличие от существующих, модель поршневой аналогии позволяет рассчитывать мгновенную скорость, осредненную по длине трубы, с помощью численного решения дифференциального уравнения для скорости.
Для проверки разработанной модели выбрана альтернативная конечно-разностная 1-мерная газодинамическая модель, с помощью которой выполнено тестовое математическое моделирование течения воздуха в трубе. На основании полученных данных проведен сравнительный анализ точности и достоверности модели поршневой аналогии. Установлено, что поршневая модель позволяет найти скорость течения в трубе с точностью до 5% для перепада давления, изменяющегося по синусоидальному закону. Найдены допустимые пределы изменения частоты колебаний и длины трубы, при которых поршневая модель имеет минимальную ошибку по сравнению с 1-мерной моделью.
По результатам исследования сделан вывод о том, что при правильном учете имеющихся ограничений поршневая модель дает результаты, близкие к тем, которые обеспечивают более сложные модели с более высокой размерностью. Это указывает на возможность применения поршневой модели для элементов типа труб в составе 0-мерной термодинамической модели ПуВРД как на приближенную альтернативу традиционным 1-мерным моделям течения.
Посмотреть, как работает резонансная труба ПуВРД…
7. Математическое моделирование лепесткового клапана в системах впуска клапанных ПуВРД
Khrulev, A. (2024). Technical condition assessment and modelling of reed valves in vehicle engine intake systems. Communications. University of Zilina, 27 (1), B41-B52. DOI: https://doi.org/10.26552/com.C.2025.006
В данной работе рассмотрены простая квазистационарная модель впускного лепесткового клапана ПуВРД, предназначенная для замыкания 0-мерных термодинамических моделей полного цикла, и альтернативная динамическая модель, с помощью которой выполнено контрольное математическое моделирование движения лепестка клапана. При этом целью исследования являлась оценка эффективности применения простой модели лепесткового клапана как составляющей части 0-мерных замкнутых термодинамических моделей рабочего цикла ПуВРД или как самостоятельной модели при исследовании причин неисправностей.
Для достижения поставленной цели рассмотрена модель рабочего цикла двигателя, выявлено влияние впускного клапана на рабочий процесс через расход воздуха как параметр, по которому можно проводить сравнение моделей клапана, разработаны модели лепесткового клапана, выполннено математическое моделирование движения лепестка. На основании полученных данных проведен сравнительный анализ точности и достоверности квазистационарной и динамической моделей лепесткового клапана. Установлено, что квазистационарная модель позволяет найти расход воздуха через лепестковый клапан с точностью до 5-6% для перепада давления, изменяющегося по синусоидальному закону в случае, если безразмерная частота и/или число Струхаля не выходят за пределы диапазона допустимых значений 0,2-0,3, при которых квазистационарная модель имеет минимальную ошибку по сравнению с динамической моделью.
Полученные данные подтвердили, что при правильном учете имеющихся ограничений квазистационарная модель дает результаты, близкие к тем, которые обеспечивают более сложные динамические модели, в том числе, с более высокой размерностью. Это указывает на возможность применения квазистационарной модели для элементов типа лепестковых клапанов как приближенной альтернативы более сложным динамическим моделям, что особенно важно при создании и предварительной отладке 0-мерных термодинамических моделей ПуВРД.
Посмотреть, как работает лепестковый клапан в клапанном ПуВРД…
8. Использование коммерческих микротурбореактивных двигателей для высокоскоростных оперативно-тактических БПЛА
Khrulev A. (2023) Analysis of possibility of using commercial micro turbojet engines for high-speed small-sized operational-tactical UAVS. Aerospace Engineering and Technology, No. 4, special issue 2 (190), pp. 5-18. DOI: https://doi.org/10.32620/aktt.2023.4sup2.01
В данной работе рассмотрены технологические успехи, позволившие к 90-м годам прошлого века создать серийные коммерческие микро-ТРД с тягой до 1 кН, однако отмечено, что широкого распространения двигатели этого типа в классе высокоскоростных беспилотных летательных аппаратов массой до 200 кг пока не получили. Тем не менее, известно, что компании военно-промышленного сектора периодически показывают новые разработки как отдельных реактивных малоразмерных БПЛА, так и микро-ТРД для них. Поэтому применение микро-ТРД продолжает рассматриваться как перспективное, и исследованию этих двигателей посвящено большое количество работ.
Несмотря на это, в имеющихся исследованиях нередко наблюдается упрощенный подход, когда микро-ТРД рассматривается изолированно от его возможного авиационного применения, или когда вопросы аэродинамики БПЛА исследуются в отрыве от двигателя и его характеристик. Это может привести к выбору неоптимальных параметров и неверным ограничениям области применения микро-ТРД. Для устранения указанных проблем с целью оценки эффективности применения серийных коммерческих микро-ТРД на высокоскоростных БПЛА была использована стандартная программа газодинамического расчета газотурбинных двигателей GasTurb14, с помощью которой проведены газодинамические расчеты, получена конструктивная схема и выполнено математическое моделирование характеристик микро-ТРД.
На основании полученных данных выполнен анализ условий и эффективности применения рассматриваемого типа двигателей на высокоскоростных БПЛА, определены возможные производители и модели выпускаемых ими двигателей, а также их комплектация. Выявлено, что для БПЛА рассматриваемого класса двигатель должен иметь степень повышения давления в компрессоре в диапазоне 4,2-4,7, а полетный рабочий режим микро-ТРД целесообразно выбрать на частоте вращения 92-95% от максимальной. Установлено также, что БПЛА с микро-ТРД, в сравнении с поршневыми двигателями, легко обеспечивают ту же дальность полета при той же относительной массе топлива за счет, как минимум, в три раза более высокой скорости. В результате применение микро-ТРД оказывается более эффективно при дальности полета свыше 300 км, а при скорости полета свыше 150 м/с (540 км/час) микро-ТРД обеспечивает существенное преимущество перед поршневым двигателем для целого ряда оперативно-тактических задач.
Посмотреть, как правильно подбирать турбореактивный двигатель для ударного БПЛА…
9. Моделирование системы пневматического катапультного старта с учетом характеристик двигателя и БПЛА
Khrulev, A. (2023). Analysis of pneumatic catapult launch system parameters, taking into account engine and UAV characteristics. Advanced UAV, 3 (1), pp. 10-24. Aviliable at: https://publish.mersin.edu.tr/index.php/uav/article/view/1045
В этой работе отмечено, что несмотря на значительные успехи в разработке современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в настоящее время для них не используются универсальные пусковые комплексы. Фактически каждый проект БПЛА требует своей собственной пусковой установки, что во многих случаях неэффективно. Особенно это касается сравнительно тяжелых тактических и оперативно-тактических БПЛА массой от 50 кг и более, для которых применяются преимущественно пневматические пусковые системы. Для оценки характеристик пусковых установок БПЛА применяются простые методы на уровне анализа действующих сил, однако они не дают возможности правильно выбрать тип и параметры катапульты для конкретных задач. При отсутствии необходимых методик это приводит к конструктивным ошибкам, значительно сужающим область применения пусковой установки.
Для устранения указанных проблем разработана математическая модель пневматической катапульты, составлены и численно решены дифференциальные уравнения движения и изменения газодинамических параметров элементов конструкции, выполнен анализ характеристик, обоснован выбор конструктивной схемы и основных параметров пневматической катапульты. Путем моделирования показано, что для эффективного функционирования пусковой установки не требуется никакого специального уплотнения поршня пневмоцилиндра, утечки воздуха через зазор являются контролируемыми вследствие малого времени процесса даже при высоких рабочих давлениях. Кроме этого, определена допустимая минимальная высота точки крепления троса на тележке над роликом блока, ниже которой резко увеличиваются нагрузки на трос и поршень.
В результате разработанная модель подтвердила универсальность применения пневматической катапульты рассматриваемой схемы для оперативных и оперативно-тактических БПЛА взлетной массой от 50 до 250 кг, причем такой широкий диапазон обеспечивается только регулированием давления воздуха в ресивере и недоступен в системах других типов. В то же время, если повышение давления будет ограничено требованиями безопасности, возможность дальнейшего увеличения взлетной массы БПЛА в рассматриваемой схеме катапульты сохранятся путем увеличения диаметра пневмоцилиндра.
Посмотреть, как правильно моделировать старт БПЛА с пневматической катапульты…
10. Роторный микро-ТРД
Хрулев А. и др. Малоразмерный газотурбинный двигатель. Авторское свидетельство СССР № 995563, F02 C 6/00, 20.10. 1980.
https://engine-expert.com/…/1980avt_5-1.pdf
Уникальная разработка так называемого роторного ТРД тех далеких времен, когда никаких микро-ТРД не было и в помине. А поскольку основной проблемой в их создании видилась проблема зазоров (и утечек) между вращающимися лопатками и неподвижным корпусом, проект координально решал эту проблему — никаких зазоров просто не было за счет того, что все лопатки намертво крепились к корпусу (который и вращался).
При исследовании выяснилось, что в камере сгорания образуется очень интересный вихрь, что позволяет при впрыскивании топлива в его зону получить устойчивое горение в малом объеме за счет очень большой длины пути закрученного потока (что невозможно в обычных камерах сгорания.
Еще одним преимуществом схемы оказалось отсутствие необходимости в спрямляющих (напрявляющих, сопловых) лопатках компрессора и турбины — их функции брал на себя вихрь, образующийся при вращении ротора.
К сожалению (или к счастью), этот проект так и не был реализован из-за спора о приоритете с руководством одного очень большого моторного КБ, которое выпускало очень большие двигатели для очень больших савецких истребителей. А потом, в 90-х годах, появились микро-ТРД, которые мы все знаем, и актуальность этой разработки (вроде бы) отпала. И напрасно, потому что данная схема могла дать недостижимые для современных микро-ТРД параметры…
Посмотреть, как выглядел микро-ТРД в те времена, когда никаких микро-ТРД не было и в помине…
