Почему выхлоп на форсаже имеет «импульсы»?

Они известны как «бриллианты Маха» или «шоковые алмазы» (и ряд других названий) и не являются характеристикой форсажной камеры как таковой, а образуются стоячими волнами в выхлопе, когда давление расширенных выхлопных газов не уменьшается. точно соответствовать внешнему атмосферному давлению. Они могут быть образованы как перерасширением, так и недорасширением выхлопных газов. Алмазы образуются при переходе от звукового к сверхзвуковому потоку, который возникает непосредственно на «нижней» стороне сопла ракетного или реактивного двигателя.

Фото по ссылке ниже:

SR-71 Blackbird взлетает.

В ракетах поток через такое сопло всегда звуковой в горловине (во всех системах, кроме тривиально низкого давления, где он может быть дозвуковым, но на практике это обычно не встречается.

В реактивных двигателях, является ли поток звуковым или сверхзвуковым на выхлопе, зависит от конструкции, которая, в свою очередь, имеет тенденцию зависеть от применения. «Чисто реактивные» двигатели, в которых для сжатия входящего воздуха используется компрессор с приводом от внутреннего сгорания, и которые развивают тягу за счет реактивного выхлопа, обычно имеют сверхзвуковой выхлоп. Непрерывное развитие привело к появлению ряда типов «реактивных» двигателей с несколько отличающимися характеристиками: турбореактивный («чистый» реактивный), турбовентиляторный (внутренний «вентилятор» с реактивным приводом производит воздух, который частично обходит собственно реактивный), турбовинтовой (реактивный двигатель приводит в движение внешний воздушный винт). пропвентилятор (турбовинтовой двигатель на стероидах, оптимизированный для крейсерской скорости, близкой к 1 Маха) и некоторые попутчики, такие как турбовальный двигатель — как турбовинтовой, но с выходной мощностью вала — полезный, если вы хотите привести в действие, например, вертолет.

В турбовентиляторном двигателе количество воздуха, которое обходит собственно реактивный двигатель, определяется «коэффициентом двухконтурности». Двигатели с большим байпасом направляют большую часть воздуха мимо собственно струи, чтобы объединиться с выхлопом струи и сформировать фактический выхлоп двигателя. Чисто реактивные или некоторые турбовентиляторные двигатели с «низкой степенью двухконтурности» могут иметь сверхзвуковой выхлоп, в то время как турбовентиляторные двигатели с «высокой степенью двухконтурности» всегда дозвуковые. Современные самолеты дальнего следования (особенно авиалайнеры), нацеленные на максимальную экономию топлива, как правило, имеют высокие коэффициенты двухконтурности. Поскольку алмазы Маха связаны только с трансзвуковой операцией, вы не увидите алмазов Маха, например, у 747.

Таким образом, вентиляторные форсунки с малым байпасом могут иметь сверхзвуковые выхлопы для части своей работы. Турбореактивный двигатель может быть дозвуковым или сверхзвуковым, а форсажная камера почти всегда (но не обязательно теоретически) будет производить сверхзвуковой поток на выходе.

В системах, которые имеют сверхзвуковые скорости выхлопа на выходе, когда поток изменяется от звукового в горловине сопла до сверхзвукового в расширительной системе, цель состоит в том, чтобы давление на выходе точно соответствовало атмосферному. «Точно» никогда точно не бывает на практике. Там, где происходит несоответствие, возникает ударная волна — «несоответствие импеданса в другом ракурсе», и видимым доказательством этого являются бриллианты Маха.

Поскольку и давление выхлопных газов, и давление окружающей среды меняются в зависимости от условий, в «квалифицированных» системах по существу всегда будет присутствовать некоторая степень таких ударных волн, но в большей степени, когда работа двигателя более значительно отклоняется от идеала. Меньшие версии могут быть неочевидны без тщательного изучения. Поскольку система в целом обычно оптимизирована для «нормальных» условий, работа форсажной камеры с большей вероятностью вызовет серьезное несоответствие давления, поскольку оно отклоняется от нормального использования.

Исключение могло бы возникнуть, если бы конструкторы решили, что им нужны абсолютно максимальные характеристики от форсажной камеры в данных условиях (чтобы, например, перехватчик мог достичь абсолютной максимальной скорости, когда это необходимо) - в этом случае ромбы Маха могли быть сведены к минимуму на форсажной камере и были бы более выражены на форсажной камере. Нормальная операция.

См. эту страницу для некоторых хороших фотографий и диаграмм ниже -

• Авиакосмическая промышленность - ударные бриллианты и диски Маха

Внизу: создание алмазов Маха из недорасширенного потока.

Внизу: - создание ромбов Маха из перерасширенного потока.

Хорошее объяснение с картинками здесь - Википедия - Shock Diamond

Многочисленные релевантные изображения , каждое из которых связано с соответствующей веб-страницей.

Связанный:

Википедия - Реактивный двигатель отличный.

He178 0- самый первый реактивный самолет

НАСА визуальное моделирование турбореактивного двигателя

Этот эффект нуждается

• сверхзвуковые скорости выхлопа и
• высокая плотность окружающей среды

происходить. Обычные струи имеют дозвуковую скорость выхлопа, и только сужающееся-расширяющееся сопло форсажных двигателей может обеспечить требуемую сверхзвуковую скорость. Внутри сопла воздух ускоряется за счет преобразования давления в скорость в диффузоре, в последней части которого поперечное сечение увеличивается вниз по потоку.

Помните, что сверхзвуковой газ никак не зависит от того, что происходит ниже по течению. В форсунке легко разогнать выхлопной газ настолько, чтобы его давление упало ниже 1 бара - достаточно сделать торцевое сечение диффузора достаточно широким. Когда эта сверхзвуковая струя низкого давления выходит из сопла и сталкивается с окружающим воздухом, давление воздуха уплотняет струю. Это очень хорошо видно на нижнем рисунке Рассела: по окружности сопла образуется ударная волна, образующая конус, который отделяет центральную часть выхлопных газов низкого давления от нижней части, на которую воздействует давление воздуха.

Теперь происходит кое-что интересное: когда ударные волны встречаются посередине, они отражаются наружу, и далее следует последовательность ударов, направленных внутрь и наружу, которые образуют отчетливый ромбовидный узор. То, что он вообще виден, связано с атомами углерода в топливе, которые светятся оранжевым цветом из-за их тепла. Скачки сжатия, исходящие от окружности сопла, отражаются в центре, превращаясь в вентиляторы расширения при отражении от границы горячих выхлопных газов и окружающего воздуха, и вновь становятся скачками сжатия при следующем отражении от границы. Сжатие будет нагревать поток, воспламеняя оставшееся топливо и тем самым усиливая свечение атомов углерода, а расширение охлаждает его, так что вы видите чередование ярких и темных узоров, разделенных косыми толчками.

То же самое происходит с ракетами на более низких высотах с высокой плотностью. Разработчики ракет должны найти компромисс между небольшими и легкими соплами, имеющими высокое выходное давление (и тратящими впустую часть энергии ракетного топлива из-за недостаточного ускорения выхлопных газов) и более крупными соплами, которые также имеют более низкое выходное давление, чем 1 бар. Если сопло оптимизировано для большей высоты и чрезмерно расширяет выхлопные газы при работе ближе к земле, становятся видны те же ударные волны. Фотография выше сделана с суборбитальной станции Копенгагена .