Что такое форсаж и как долго реактивный самолет может летать на форсаже?

Форсажная камера представляет собой систему вторичного сгорания, которая сжигает дополнительное топливо после камеры сгорания для дальнейшего увеличения тяги за счет гораздо более высокого расхода топлива.

Это турбовентиляторный двигатель Pratt & Whitney F100 с форсажной камерой, варианты которого используются во флоте ВВС США 4-го поколения F-15 и F-16:

Последняя вещь, похожая на спицы сразу за ребрами турбины, а также все пространство между сердцевиной турбины и выхлопным соплом — это форсажная камера. В этой области топливо распыляется непосредственно в поток выхлопных газов из активной зоны турбины, где тепла от воздуха, выходящего из активной зоны, достаточно для его воспламенения. Это дополнительное давление добавляется к тяге, создаваемой турбиной.

Однако, как я уже сказал, компромиссом является повышенный расход топлива, иногда очень значительный. F-16 на полной военной мощности и на малых высотах сжигает около 8000 фунтов топлива в час, что при полной конфигурации баков дает ему около 2 часов полета. При крейсерском полете на больших высотах это время полета может быть дополнительно увеличено, поскольку как большая высота, так и более низкая установка дроссельной заслонки (около 80%) снижают расход топлива до 40% по сравнению с полетом на малой высоте.

На полном форсаже на малых высотах F-16 может сжигать более 64 000 фунтов в час. На полном газу у американского варианта F-16 с максимальными внешними запасами топлива есть около 20 минут, пока он не перейдет на аварийный резерв (который продлится всего около минуты на полном форсаже). Прирост скорости минимальный; крейсерская скорость F-16 составляет 450-550 узлов, в то время как полный форсаж только увеличивает скорость до 700-800 узлов при типичной нагрузке под крылом. Таким образом, сжигая в 8 раз больше топлива, вы получаете примерно 50-процентный прирост скорости.

При использовании форсажной камеры топливо впрыскивается после турбины. Выходная скорость становится выше -> Больше тяги.

Сравнение развиваемой тяги F/A-18C Hornet:

• Максимальная тяга без форсажа 10 440 даН (каждая 5220 даН).
• Максимальная тяга на форсаже 15 660 даН (каждая по 7830 даН).

(На F/A-18C Hornet установлены 2 ТРД General Electric F404-GE-402)

Некоторым самолетам требуется форсажная камера для достижения сверхзвуковой скорости, потому что «нормальное» использование реактивной турбины не создает достаточной тяги. Использование турбины в «нормальном» режиме (без форсажа) еще называют «военно-мощным» или «сухим». Использование турбины с форсажной камерой также называют «полной мощностью» или «мокрой».

Из этой статьи в Википедии:

Из-за большого расхода топлива форсажные камеры обычно используются как можно реже; Заметным исключением является двигатель Pratt & Whitney J58, используемый в SR-71 Blackbird. Форсажные камеры обычно используются только тогда, когда важно иметь как можно большую тягу. Это включает в себя взлеты с коротких взлетно-посадочных полос, помощь в запуске катапульт с авианосцев и во время боевых действий в воздухе.

Это правда, что реактивный истребитель редко включает форсажную камеру, потому что расходует огромное количество топлива. Иногда до коэффициента 10 к нормальному расходу топлива. Вот почему они не используют его постоянно: дальность действия истребителя резко сокращается при использовании форсажной камеры.

Пилот может использовать форсаж на разных этапах, чтобы найти идеальное соотношение расхода топлива/скорости/дальности полета.

Источник (на английском языке): http://www.lw.admin.ch/internet/luftwaffe/en/home/dokumentation/assets/aircraft/fa18.html

Можно сконструировать самолет, способный летать со сверхзвуковой скоростью без использования форсажных камер (например, «Конкорд», британский ударно-разведывательный самолет TSR-2, Ту-144). Сила аэродинамического сопротивления выше на околозвуковых скоростях, чем на сверхзвуковых, и использование форсажных камер для ускорения в околозвуковом диапазоне скоростей может фактически уменьшить общий расход топлива. Это определенно имело место для Concorde. Форсажные камеры также использовались для сокращения разбега на Concorde.

Большинство реактивных истребителей не предназначены для «эффективного сверхзвукового крейсерского полета по прямой с постоянной скоростью», поэтому сверхзвуковой полет без форсажных камер не является основным соображением конструкции.

Я летал на B-1B 7 лет. У меня также были полеты на F-15 и F-16. У Б-1 4 форсажных камеры, но бензина намного больше, чем у истребителей, поэтому мне редко приходилось оставаться вне горелки из-за топлива. Однако есть много причин минимизировать использование горелки:

1. Оперативно, AB делает вас очень заметным для всех. Ночью вы ставите на себя прожектор. Днём вас слышат все на земле. ИК-сенсоры найдут вас быстро и легко, а даже более низкотехнологичные ИК-ракеты предпочтут вашу горелку сигнальным ракетам.

2. Эти дополнительные 50% сверх мощности mil на самом деле очень много. Когда вы используете горелку, она вам не понадобится надолго. В-1 мог разгоняться в полном АБ с 0,8 до 0,95 Маха всего за несколько секунд. С практической точки зрения вам просто не нужно так много или часто использовать AB. Если вы пытаетесь поразить ракету, вы будете использовать избыточную воздушную скорость, чтобы снизить скорость до поворота. B-1 может поддерживать скорость на поворотах без горелки, так как он имеет относительно низкую g. Истребителю с перегрузкой 7+ g потребуется немного горелки для поддержания энергии, особенно на скорости прохождения поворотов, но, поскольку он может развернуться на 90+ градусов всего за несколько секунд, ему не нужно много или вообще горелка. Несмотря на это, в свою очередь, чтобы победить радиолокационную ракету, поскольку ИК-ракеты обнаруживают «пассивно», что означает, что предупреждения мало или нет, пилот часто предполагает, что это произошло.

3. Воздушные бои в ближнем бою - один из немногих случаев, когда боевому самолету требуется расширенная горелка. В истребительном бою очень важно управление энергией. Никто не хочет оказаться в проигрыше. Слишком низкая скорость полета, и ваш самолет будет поворачивать слишком медленно, и вы проиграете, поэтому пилоты-истребители будут использовать любую горелку, которая им нужна, чтобы не допустить угрозы и выиграть бой. В B-1 также, в учениях по перехвату истребителей, мы использовали больше горелки. Мы привыкли использовать его для быстрого ускорения, чтобы усложнить перехват истребителя, а в некоторых случаях, чтобы вылететь с истребителем на хвосте.

4. Другим режимом, в котором часто используется горелка, является взлетный режим. Статистически это одна из самых опасных фаз полета, и быстрое достижение скорости полета минимизирует опасность. Когда я летал, B-1 всегда взлетал в горящем режиме – сейчас не уверен. Истребители могут при определенных условиях взлетать на милевой мощности, но я такое редко видел.

5. Использование горелки в американских самолетах АБСОЛЮТНО НЕ ДОПОЛНЯЕТ СУЩЕСТВЕННО ТРЕБУЕМОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И НЕ ВРЕДИТ ДВИГАТЕЛЯМ. Плакат, который упомянул, что мог видеть что-то на МиГ-25, что выведет из строя его двигатели в полете на высокой скорости. Предположительно, у других советских истребителей есть некоторые проблемы с техническим обслуживанием, связанные с использованием горелки, но американские боевые самолеты построены так, чтобы использовать горелку всякий раз, когда это необходимо, без повреждения двигателей.

6. Высота над уровнем моря является очень важным моментом, так как расход топлива горелки будет уменьшаться с высотой. В разреженном воздухе для горения доступно меньше кислорода, поэтому регуляторы подачи топлива должны соответствующим образом регулироваться. Как писал предыдущий постер, более разреженный воздух создает меньшее сопротивление, что облегчает езду на высокой скорости. Но... как коммерческий пилот сегодня, я летал со многими бывшими летчиками-истребителями, и когда бы мы ни заговорили об этом, мало кто из нас провел время выше 40 000 футов. Более высокий потолок обслуживания является хорошей статистикой для отделов продаж подрядчиков, но это редко связано с производственной причиной, и может произойти много плохих вещей (например, остановка двигателя и физиологические чрезвычайные ситуации) вплоть до 40-х годов.

https://www.nasa.gov/centers/dryden/pdf/88117main_H-1449.pdf

Прокрутите вниз, там есть несколько полезных графиков, которые могут дать вам некоторое представление. AB увеличивает температуру выхлопа и, таким образом, позволяет увеличить скорость выхлопа. По теории исполнительного диска это означает, что тяга в полете на МАКС. будет ближе к статическому числу, чем тяга в полете на MIL для любой заданной скорости. Вот почему F-15 на высоте 40 000 футов может летать только с M0,95 на MIL, но может делать M2,5 на MAX с увеличением статической тяги всего на 63%.

Ответ: это зависит от вашей высоты. Много.

Например, я возьму F-16, так как я спросил об этом кого-то, кто назвал себя бывшим командиром экипажа F-16 в Интернете: F-16, летящий на полной боевой тяге на уровне моря, потребляет примерно столько же топлива, сколько полный форсаж. на эшелоне полета 400 (40000 футов). При практическом потолке F-16 FL500 полный форсаж будет потреблять немного меньше топлива, чем боевая тяга на уровне моря.

Таким образом, на большой высоте полный форсаж можно было бы использовать даже в течение 30 минут, если набор высоты был выполнен эффективно и использовался большой сбрасываемый топливный бак по центральной линии. Вот как F-16 на самом деле может достичь скорости 2 Маха. Чтобы так сильно разогнаться, потребуется некоторое время на форсаже.

Это также означает, что полный форсаж не будет создавать такой большой дополнительной тяги, но, поскольку воздух настолько разрежен, это окажет довольно существенное влияние на реальную скорость полета.