Реактивное сопло
Схемы регулируемых реактивных сопел.
реакти́вное сопло́ — выходной канал реактивного двигателя, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в его кинетическую энергию. Путём регулирования минимальной площади Р. с. F* (см. рис.) достигается высокоэффективная работа расположенных перед ним элементов двигателя (газогенератора, форсажной камеры и др.). Течение в Р. c. должно происходить с минимальными потерями для получения максимальной тяги двигателя. Для достижения высоких лётных характеристик летательного аппарата на всех режимах полёта требуется точное согласование внутреннего контура Р. с. с внешними обводами силовой установки. Поэтому необходимо осуществлять не только указанное регулирование площади F*, но и регулирование площади Fc выходного сечения Р. с.
С помощью Р. с. в ряде случаев управляют значением и направлением вектора тяги (см. Управление вектором тяги), реверсируют тягу, (см. Реверсивное устройство) и уменьшают шум, выходящий из Р. с. газовой струи. Конструкция Р. с. должна быть работоспособной при высокой температуре, обеспечивать герметичность и иметь малую массу.
Р. с. могут быть разделены на два типа: суживающиеся, в которых площадь поперечного сечения по длине уменьшается, и суживающиеся — расширяющиеся (типа Лаваля сопла), в которых площадь поперечного сечения по длине сначала уменьшается, а затем увеличивается. Их также различают по форме проходных сечений: круглые, кольцевые, прямоугольные («плоские») и др. Выбор формы сопла определяется многими факторами, главными из которых являются: рациональная (с наименьшим внешним сопротивлением) компоновка на летательном аппарате, возможность управления вектором тяги, снижение уровней ИК излучения, шума и т. п. Контуры Р. с. для уменьшения гидравлических потерь стремятся выполнить плавными. В этом случае потери обусловлены в основном тернием, и в первом приближении течение газа в Р. с. можно рассматривать изоэнтропическим и одновременным. В Р. с. с большими углами суживающейся и расширяющейся частей, при наличии угловых точек в его контуре, а также в Р. с. неосесимметричной формы течение нельзя считать одномерным. В этом случае возникают также газодинамические потери (например, в скачках уплотнения), определение которых возможно лишь в результате двух- и трёхмерных расчётов течения Р. с.
Истечение из суживающегося-расширяющегся сопла при больших степенях понижения давления ( = /pн, где — полное давление газа перед соплом, pн — давление в окружающей среде) происходит таким образом, что в выходном сечении Р. с. давление pc не связано с давлением в окружающей среде и зависит только от , площадь выходного сечения Fс и формы сопла. Различают три режима истечения: расчётный — при pc = pн; перерасширение газа в сопле — при pc < pн; недорасширение — при pc > pн. Так как величина . с увеличением скорости (Маха числа полёта M∞) растёт от 2—3 при M∞ = 0 до 20—25 при M∞ = 3, то очевидно, что нерегулируемые Р. с. (Fc/F* = const) лишь при одном значении . работают на расчётном режиме. На всех остальных режимах имеются потери тяги, связанные с нерасчётностью истечений.
В большинстве случаев стенки регулируемых Р. с. двигателя выполняются из набора створок, которые имеют прямолинейные образующие — сужающаяся и расширяющаяся части представляют собой усечённые конусы, плавно соединяющиеся в окрестности минимального сечения сопла. В связи с этим, кроме указанных гидравлических и газодинамических потерь тяги, а также потерь из-за нерасчётности истечения возникают потери на непараллельность потока в выходном сечении сопла (потери на рассеивание потока) и потери, связанные с негерметичностью стенок и соединений в конструкции сопла (потери на утечки газа). В лучших образцах регулируемых Р. c. потери на утечки не превышают 5%.
Уровни потерь тяги в Р. c. на различных режимах работы двигателя описываются рядом коэффициентов, важнейшими из которых являются коэффициент тяги сопла с и коэффициент эффективной тяги сопла
,
где Pc = ∫(p + ρv2)dF – pнFс — действительная тяга сопла, равная разности импульса на выходе из сопла и силы противодействия окружающей среды; Pид = mсvид — идеальная тяга сопла; vид — идеальная скорость истечения, соответствующая изоэнтропическому расширению газа от давления . до давления pн; mc — масса газа, проходящего через сопло в 1 с, xc — сила внешнего сопротивления сопла (кормовой части силовой установки); = Pc/Pид. Значения с для лучших регулируемых сопел равны 0,97—0,98.
Наиболее распространёнными схемами регулируемых Р. c. являются суживающиеся-расширяющиеся с непрерывным контуром и разрывом контура. Прорабатываются конструкции сопел с центральным телом и плоские. Показанные на рисунке схемы а и б иллюстрируют возможность независимого механического регулирования минимального и выходного сечения суживающегося-расширяющегося сопла и сопла с разрывом контура. Наличие «жидкой стенки» c у сопла с разрывом контура (б), сопла с центральным телом (в) и плоского сопла с односторонним внешним расширением (г) обеспечивает автоматическое аэродинамическое регулирование выходного сечения сопла (положение «жидкой стенки» зависит от .). Регулирование площади минимального сечения сопла в схеме сопла с центральным телом возможно либо путём осевого перемещения центрального тела, либо путём прикрытия обечайки, для чего конструкция её должна быть створчатой. В плоском Р. с. наиболее просто реализовать отклонение вектора тяги с помощью верхней створки, которая может быть одновременно дефлектором или закрылком крыла, что способствует повышению аэродинамического качества.
Масса конструкции сверхзвукового Р. с. с непрерывным контуром составляет примерно 10% массы двигателя.
Л. И. Соркин.
| Главная |