Можно ли использовать сужающееся сопло для сверхзвукового реактивного двигателя?

Краткий ответ: Да.

Конфузорное сопло не обеспечивает сверхзвуковых скоростей выхода дымовых газов, но из-за их высокой температуры их скорость звука значительно выше, чем у окружающего воздуха. Например, при 700°С скорость звука в воздухе составляет 625 м/с. Поскольку тяга в основном определяется разницей скоростей входа и выхода воздуха, протекающего через двигатель, для положительной тяги требуется более высокая скорость, чем скорость полета. Низкие сверхзвуковые скорости полета вполне возможны с сужающимся соплом.

Длинный ответ: Лучше не надо.

Как только самолет пересекает звуковой барьер, сопротивление увеличивается очень медленно, поскольку коэффициент сопротивления фактически падает. Если конструкция предназначена для сверхзвуковых полетов, что предполагает множество конструктивных изменений, имеет смысл перейти на более высокую сверхзвуковую скорость; однако для этого требуется как регулируемое впускное отверстие , так и регулируемое сужающееся-расходящееся сопло . Оба повышают эффективность, особенно при более высоких числах Маха. Простой воздухозаборник Пито F-16 как раз хорош для 1,6 Маха (выше этого его КПД становится просто ужасным), но все же его двигатель F-110 имеет кондиционное сопло.

С помощью адаптируемого сужающегося сопла выхлопные газы можно разогнать до скорости звука, но не более. Сужение пути потока ускорит дозвуковой поток, но только до скорости звука. Тогда только расходящийся путь потока ускорит поток до сверхзвуковой скорости. Конвергентное сопло будет короче и легче, но это означает, что вместе с горячими выхлопными газами выбрасывается много полезной энергии. В большинстве случаев было бы более эффективно преобразовать энергию давления выхлопных газов в большую тягу, разогнав их до сверхзвуковой скорости.

Конвергентные сопла имеют смысл только в том случае, если самолет рассчитан только на короткие, ограниченные сверхзвуковые перебежки, но почти все время полета будет проводить на дозвуковых скоростях. Примерами являются Northrop F-5E или Panavia Tornado .

Может ли сверхзвуковой истребитель иметь сужающееся сопло?

Он действительно существует.

Panavia Tornado имеет максимальную скорость полета 2,2 Маха на высоте 9000 м и имеет сужающиеся сопла с изменяемой геометрией (правда, они работают только на форсажную камеру, а сопло турбины сужающееся-расходящееся):

^{Фото с сайта Airliners.net}

Существует школа мысли, которая утверждает, что сужающееся сопло является неэффективной версией сужающегося-расходящегося сопла. Скорость струи возрастает до максимума в горловине сопла (наименьшая площадь), а затем выходит из сопла и снова расширяется против атмосферного давления.

Вы обнаружите, что фиксированное сужающееся сопло не будет использоваться, потому что фиксированное сопло любого типа будет менее эффективным, чем сопло с изменяемой геометрией. Возможность настройки сопла в соответствии с местным атмосферным давлением, скоростью полета и положением дроссельной заслонки двигателя является ключом к эффективному созданию тяги.

Можно ли его использовать? Да Однако обстоятельства, при которых это лучший вариант, вероятно, настолько ограничены, что никогда не делают его правильным выбором.

Пилот здесь, а также инженер, который в какой-то момент жизни прошел большую часть пути к лицензии техника по планеру и силовой установке и много работал над соплами, в том числе в Лаборатории реактивного движения (очень весело).

Если вы хотите понять формы сопла, забавным введением будет чтение о форме, которая вдохновила современные ракетные (и некоторые реактивные) сопла, сопла де Лаваля .

Давайте иметь в виду, что то, что мы хотим (игнорируя на данный момент оптимизацию объема воздуха для питания горения), - это ВЫСОКАЯ СКОРОСТЬ ВЫХОДЯЩЕГО ДВИГАТЕЛЯ .

В ДОЗВУКОВОМ потоке воздух остается сжимаемым, а сужающееся дозвуковое сопло увеличивает скорость, в то время как давление и температура снижаются. (На самом деле здесь есть около дюжины подслучаев, за которые, я уверен, другие будут кричать на меня, так что считайте, что уменьшение P и T является непростительным упрощением с моей стороны, чтобы избежать еще одной страницы объяснений.) Итак , для более медленного выхлопа, финал скорость , сходящееся сопло имеет смысл.

Идеальная ситуация для СВЕРХЗВУКОВОГО потока - это схождение-расхождение (см. снова де Лаваля), потому что для изэнтропического потока сходящаяся часть накапливает энергию вплоть до звуковой скорости. Затем эта звуковая точка помещается прямо в «горловину», где сходящаяся часть становится расходящейся , а расходящаяся часть превращает тепло и давление в большую скорость вплоть до довольно высоких значений сверхзвука. Обратите внимание, что современный реактивный двигатель довольно сложен в воздушном потоке, и «горловина» может быть глубоко внутри двигателя и совсем не похожа на горловину ракетного двигателя.

По этим причинам мы ожидаем увидеть сходящиеся конечные сопла на дозвуковых самолетах, таких как авиалайнеры и некоторые истребители, в то время как сверхзвуковые самолеты обычно имеют расходящиеся сопла. Если вы видите сужающееся сопло на сверхзвуковом истребителе, посмотрите на него внимательно, чтобы увидеть, может ли оно изменять форму в полете , что чертовски распространено.

Сказав все это, аэрокосмические конструкторы очень умны, и впрыск топлива (форсажные камеры) может вызвать неизоэнтропический поток, если он предназначен для этого. Так что я не буду выходить и говорить, что нет никаких сверхзвуковых струй с сужающимся соплом, но, по крайней мере, теперь вы знаете, почему они были бы исключением, а не правилом :)

Пожалуйста, не стесняйтесь задавать вопросы, если я пропустил что-то, на что следует обратить внимание...

Для сверхзвукового самолета сужающееся сопло с тормозным потоком. Это требуется только на компрессоре , где скорость потока должна быть меньше, но после этого, чтобы получить большую тягу, поток необходимо ускорить .

Теперь можно утверждать, что если сверхзвуковой поток входит в сужающееся сопло, он разгоняется до такой скорости (около 1 Маха), после которой сужающееся сопло ускоряет поток. Но это никогда не приведет к скорости потока больше 1 Маха, потому что, как только поток превысит 1 Маха, он снова будет замедляться сужающейся частью сопла. Таким образом, максимальное количество Маха на выходе , которое можно ожидать при выходе из сужающегося сопла, равно 1 (независимо от того, является ли вход сверхзвуковым или дозвуковым).

Теперь для сверхзвукового полета необходимо , чтобы выходное число Маха было больше 1. В таких случаях приходится использовать сужающееся расходящееся сопло (CD Nozzle).

Если кто-то хочет построить двигатель, способный разгонять самолет до сверхзвуковых скоростей с дозвуковой (или околозвуковой) скоростью истечения, то наверняка можно использовать только сужающиеся сопла . Но есть загвоздка:

Уравнение тяги:

Здесь для двигателя в набегающем потоке Pe примерно равно P0. Таким образом, для положительной тяги члены, содержащие Ve и V0, должны давать положительный ответ. Таким образом, чтобы создать двигатель, в котором Ve < V0 (поскольку V0 — скорость набегающего потока, которая является сверхзвуковой, а Ve — выходная скорость, которая в данном случае предполагается околозвуковой), нужно выпустить много Me на высокой скорости. показатель. Это будет означать, что технически возможно создать двигатель, обеспечивающий сверхзвуковой полет при околозвуковой скорости истечения, но такая конфигурация будет стоить вам много топлива.

Теперь, если учесть, что температура на выходе очень высока, скажем, около 1200 К, а допустимая температура свободного пара на входе составляет около 300 К, это означает, что скорость выхлопа может быть примерно в два раза больше скорости воздуха, равной 1 Маха, при 300 К (без сверхзвуковой), т.е. около 630 м/с. Если вы вводите число Маха около 1,2, это переводит на входную скорость свободного потока 380 м/с (апкс). Это означает, что ваш выезд ускорился до 630 м/с с 380 м/с только за счет сужающегося сопла. Но это все равно потребует сжигания большого количества топлива (поскольку тяга, необходимая обычно для полета самолета весом в несколько тысяч килограммов, очень велика).

Значит, можно, но в ущерб эффективности самолета