Почему ПВРД создает чистую прямую тягу

Таким образом, каждое (нетехническое) объяснение ПВРД, которое я видел, говорит о том, что воздухозаборник замедляет и сжимает поступающий воздух перед сгоранием, но затем принимает как должное тот факт, что сжигание топлива должно создавать чистую тягу. Почему? Почему расширяющиеся газы, образующиеся при сгорании (через добавочные газы и тепло), не создают такую ​​же большую силу как в прямом, так и в обратном направлении?

Источник изображения: Wikiwand Ramjet

Ключом к этой идее является достижение скорости поступательного движения, много, гораздо больше, чем у коммерческого самолета. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели не могут запускаться самостоятельно, но как только они запускаются, обычно с помощью ракет, они начинают цикл захвата воздуха спереди и использования поступательного движения транспортного средства для сжатия этого воздуха, а затем добавления топлива для создания тепла и давления, что приводит к при более высокой скорости выхлопа, чем скорость впуска.

Конструкция сопла в задней части транспортного средства способствует эффективному прохождению воздушного потока через транспортное средство, подобно выхлопным соплам ракетных двигателей.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели лучше всего работают в скоростном режиме около 3 Маха (3675 км/ч). Этот тип двигателя может работать на скорости до 6 Маха (7350 км/ч), за пределами этого вам потребуется конструкция ГПВРД .

Чтобы ответить на ваш комментарий, идея состоит в том, что как только вы набираете скорость , а не сравниваете ее со статическими условиями, воздушный поток естественным образом наклоняется и стимулируется как засорами спереди, так и конструкцией сопла сзади, чтобы пройти через автомобиль.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели сталкиваются с той же проблемой, что и Concorde: необходимо использовать рампу или диффузор для замедления сверхзвукового входящего воздуха до дозвуковых скоростей внутри камеры сгорания.

Если вы посмотрите на диаграмму выше, это устройство также действует, чтобы, по крайней мере, частично, предотвратить возвращение газов при относительно низком давлении обратно на впуск, где скорость воздуха намного выше. Таким образом, поскольку вы замедлили газ внутри камеры сгорания, гораздо более вероятно, что он выйдет через сопло, чем будет двигаться против сверхзвукового воздушного потока, который проходит через горловину впуска.

Заднее сопло предназначено для повышения эффективности выходящих газов. Для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, работающего на дозвуковых скоростях, его выхлопной поток ускоряется через сужающееся сопло. Для сверхзвукового числа Маха полета ускорению способствует сужающееся-расходящееся сопло (Де Лавеля).

Его работа основана на различных свойствах газов, движущихся с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями. Скорость дозвукового потока газа будет увеличиваться, если несущая его труба сужается, поскольку массовый расход постоянен. В дозвуковом потоке газ сжимаем, и звук будет распространяться через него. В «горловине», где площадь поперечного сечения минимальна, скорость газа локально становится звуковой (число Маха = 1,0), что называется запертым потоком. По мере увеличения площади поперечного сечения сопла газ начинает расширяться, и газовый поток увеличивается до сверхзвуковых скоростей, при которых звуковая волна не будет [выделено мной] распространяться через газ назад, если смотреть в системе отсчета сопла ( число Маха > 1,0).

Источник изображения и приведенный выше отрывок из сужающихся-расходящихся сопел :

Я уверен, что вы уже знаете об этом, так что извините за это, но для тех, кто этого не знает, самой ранней идеей, подобной прямоточному воздушному двигателю, была импульсная струя, ракета Фау-1, у которой были впускные заслонки, похожие на клапаны, которые останавливали выход воздуха спереди. . Их энергетические системы были разработаны для работы в прерывистом режиме, в отличие от постоянно работающего прямоточного воздушно-реактивного двигателя, о котором вы спрашиваете.

Входящий воздух замедляется и сжимается из-за его скорости относительно двигателя и формы впускного отверстия. Чтобы замедлить его, необходимо приложить силу к воздуху. Эта сила частично исходит от впускного оборудования, а частично от воздуха под высоким давлением в камере сгорания. Именно этот поступающий воздух создает давление в камере сгорания в первую очередь, поэтому сила от поступающего и тормозящего воздуха во впуске всегда уравновешивается силой от давления в камере сгорания, когда он находится в установившемся режиме. Это также означает, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель не может стартовать с места, а должен разгоняться каким-то другим способом.

В отличие от цилиндрового двигателя, сгорание в реактивном двигателе происходит при постоянном давлении, но объем сгорающих газов значительно увеличивается. Именно это увеличение объема обеспечивает чистую тягу вперед.

Газ под высоким давлением в камере сгорания также воздействует на газ, выходящий из выхлопных газов. Здесь нет входящего воздуха, поэтому эта сила ускоряет выброс горячего газа из задней части двигателя. Затем сжатый выхлоп расширяется в расширительном сопле, что еще больше ускоряет его. (Работа расширительного сопла состоит в том, чтобы сфокусировать выхлопные газы в направленном назад луче. Чем быстрее выхлоп движется назад, тем больше сила реакции толкает двигатель вперед.)

В то время как давление над впуском и выпуском более или менее симметрично, объемы, равно как и размеры и площади поверхности каналов и сопел, неодинаковы. Воздух, замедляющийся во впускном отверстии, оказывает на двигатель силу сопротивления, а выхлоп, выходящий из выхлопного сопла, оказывает на двигатель силу прямой тяги. Поскольку сила = давление × площадь, поступательная сила на большей площади поверхности выпускного сопла намного больше, чем сила сопротивления на входе, поэтому результатом является чистая тяга. Другой результат заключается в том, что горячий воздух (который имеет больший объем, но все же почти такую ​​же массу) ускоряется из двигателя намного быстрее, чем движется всасываемый воздух. Это гарантирует сохранение импульса.

Если вы попытаетесь запустить ПВРД в обратном направлении, это не сработает. Вы будете сжимать большое количество воздуха через большой выхлопной канал (при условии, что выхлоп будет эффективно работать как поршневой компрессор, что, вероятно, не так). Тогда больший объем нагретого воздуха должен был пройти через более узкий воздуховод, который не подходил. Давление в камере сгорания и выхлопе, направленном вперед, будет расти до тех пор, пока ударная волна (которая обычно возникает внутри двигателя) не будет вытолкнута из двигателя перед ним, и большая часть воздуха будет вытеснена вокруг двигателя. В этот момент у вас есть «двигатель» с небольшой выхлопной струей и очень большим сопротивлением, и он не будет создавать чистую тягу. Фактически, общее сопротивление будет меньше, если сгорание будет остановлено, поскольку через впускное отверстие будет проходить большая (более плотная) масса воздуха, и поэтому меньше воздуха потребуется проталкивать вокруг двигателя. Таким образом, увеличение объема и размеры сопел / воздуховодов, соответствующие объемам газа, необходимы для работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Кстати, аналогичный анализ работает и для обычных реактивных двигателей. Там у вас компрессор и турбина на одном валу. Компрессоры и турбины в основном одно и то же. Если повернуть всю сборку в обратном направлении, турбина будет работать как компрессор, а компрессор как турбина, а газы будут течь в обратном направлении. Причина, по которой вся сборка вращается в направлении «вперед», снова заключается в том, что турбина больше и использует больший объем выхлопных газов.

Другой способ сформулировать ваш вопрос может заключаться в том, как определить, сколько воздуха проходит через двигатель, а не вокруг него.

Супер Соник начался

При нормальной работе прямоточного воздушно-реактивного двигателя это на самом деле довольно легко вычислить. Мы можем умножить объемный расход на плотность:

Где$\dot m$- массовый расход,$\rho$плотность,$V$это скорость,$A$площадь поперечного сечения, а нижний индекс$_1$указывает, что эти количества находятся на входе.

При запуске ПВРД поступающий воздух поступает во впускное отверстие со скоростью, то есть у него нет возможности замедлиться, поэтому все количества на входе ($_1$) такие же, как свободный поток ($_0$):

Где$V_0$- скорость набегающего потока, равная скорости автомобиля, и$\rho_0$это просто плотность атмосферного воздуха.

Итак, теперь вопрос в том, почему сгорание не меняет этого. Итак, давайте посмотрим, что происходит ниже по течению.

Входное отверстие начинает наше схождение, для сверхзвуковых потоков это замедляет и увеличивает давление. В какой-то момент он достигает самого узкого места, а затем снова начинает расширяться. Где-то вдоль этого расширения есть ударная волна. Здесь течение резко переходит от сверхзвукового к дозвуковому. Это вызывает скачок давления, но падение полезной энергии. Канал потока продолжает расширяться, но теперь, поскольку поток является дозвуковым, это также увеличивает давление и уменьшает скорость. Затем горелка нагревает воздух. Мы вернемся к этому через минуту. Ниже по потоку находится сужающееся расширяющееся сопло. Во время сходящейся части воздух снова ускоряется до скорости звука. Затем на расширяющейся стороне он продолжает ускоряться до тех пор, пока либо не образуется ударная волна, либо (в идеале) она не выйдет из конца сопла.

Что произойдет, если мы зальем больше топлива? Будет ли он двигаться вверх по течению? или только вниз по течению?

Ответ заключается в том, что он будет толкать в обоих направлениях. Давление и температура в горелке повышаются. На стороне выхода повышенная температура и давление уменьшают и увеличивают, соответственно, массовый расход через сопло. Однако эффекты компенсируются, и массовый расход остается прежним. Но это при более высоком давлении, позволяющем увеличить тягу.

На стороне выше по потоку повышенное давление перемещает ударную волну дальше вверх по потоку, обеспечивая большее дозвуковое расширение и меньшее сверхзвуковое расширение. Оба эти изменения приводят к увеличению давления ниже по потоку, и, таким образом, ударная волна может двигаться вверх по потоку до тех пор, пока не будет достигнуто повышенное давление в горелке.

Но что, если мы продолжим добавлять тепло? В конце концов, по мере того как ударная волна продолжает двигаться вверх по течению, она достигает этого самого узкого места. Теперь, если он будет двигаться дальше вверх по течению, он будет давать меньшее сверхзвуковое сжатие и большее дозвуковое сжатие. Оба этих эффекта понизят давление ниже по потоку, а не повысят его, поэтому движение ударной волны больше не может повторно уравновешивать увеличение давления, поэтому ударная волна резко выталкивается вперед из передней части входного отверстия. Это называется анстартом .

Таким образом, то, что предотвращает распространение повышенного давления в горелке обратно на вход и уменьшение потока, - это ударная волна в зоне расширения перед горелкой.