Ecoparcovka.ru

ЭкоПарковка СТО
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое сопло в реактивном двигателе

Плоское сопло для российских боевых самолётов: от советских наработок до перспективы

Преимущества конструкции плоского сопла

Примерно с 80-х годов прошлого века авиаконструкторы обнаружили ряд преимуществ для двигателей военных самолетов, которые может принести использование сопла с плоской формой сечения.

С одной стороны, такая конструктивная особенность улучшает взлетно-посадочные характеристики (ВПХ) самолета и делает его более маневренным.

А с другой, она позволяет боевой машине стать менее заметной для РЛС противника. Это объясняется тем, что контуры осесимметричного сопла круглого сечения очень сложно согласовать с другими элементами конструкции самолета, чтобы сделать самолет не таким заметным для радаров. Гораздо легче этого добиться, если использовать плоское «реактивное» сопло. Помимо этого, чтобы еще более снизить радиозаметность, при изготовлении такого сопла задействуют материалы, способные поглощать излучение.

Дополнительно инфракрасное излучение самолета, использующего такую форму сопла, также уменьшается. Этого позволяет добиться соотношение высоты и ширины сопла, существенно снижая температуру исходящей струи.

Конечно, у такой формы сопла есть и недостатки. Во-первых, при переходе от круглого сечения двигателя к прямоугольной форме сопла происходит некоторая потеря давления. В лучшем случае, теряется около пяти процентов. Второй недостаток – это необходимость усиления жесткости и прочности сопла, так как конструкция такой формы испытывает большую нагрузку, чем сопло круглого сечения.

Но все эти недостатки с лихвой перекрываются преимуществами.

Первый российский самолет с плоским соплом

Первым в мире самолетом, где была воплощена новая идея, стал американский F-15, который выполнил первый экспериментальный полет в 1988 году. Позднее плоские сопла стали использовать в «стелс»-самолетах F-117 и F-22 Raptor. Хотя в России внедрением в военную авиацию сопла с плоским сечением занялись почти одновременно с американцами, мы в этой области отстали. И не потому, что наши специалисты хуже американских, просто в СССР начались тогда трудные времена: развал Советского Союза чуть было не привел к полному уничтожению и ОПК страны. Просто не до самолетов тогда было, откровенно.

В период своего заката Советский Союз стоял на пороге серийного производства истребителя нового поколения, оснащенного двигателем с плоским соплом. Изначально он назывался Су-27КМ. Самолет начали разрабатывать в 1988 году. Формально он считался модификацией корабельного истребителя Су-27К («М» — это «модернизированный»). Но по своей сути он был абсолютно новой разработкой. Главными его особенностями стали крылья изменяемой стреловидности и два двигателя с одним общим плоским соплом. Такая форма сопла позволяла снизить ИК-заметность и упрощала управление вектором тяги. По какой-то причине проект был в 1989 году закрыт (это отдельная история). В 1990 году прототип стал летающей лабораторией. Всё шло хорошо, самолёт отлично себя показал во время испытательных полетов, но из-за развала СССР и последовавшего за этим кризиса во всех сферах, включая ОПК, все работы пришлось свернуть. Есть и продолжение этой истории, но оно уже не касается применения в российской авиации двигателей с плоским соплом.

Читать еще:  Ауди как поставить карбюратор на двигатель

Двигатели с плоским соплом сегодня и завтра

Длительное время к применению плоского сопла российские авиастроители не возвращались. Скорее всего, на это были свои причины. Но совсем недавно было решено к этой идее вернуться.

Это связано с созданием первого российского истребителя пятого поколения Су-57. Не буду погружаться в долгую и драматичную историю создания самолета. Во-первых, она еще не закончилась, а во-вторых, это отдельная тема, которую в двух словах не раскрыть.

Упомяну лишь о моментах, касающихся возможного применения в этом самолете двигателей с плоским соплом.

Как известно, разработка Су-57 длится уже много лет, еще с начала 2000-х годов, причем сроки перехода к серийному производству много раз откладывались. Изначально первые самолеты планировали передать в войска еще в 2015 году. И хотя в прошлом году первый серийный Су-57 упал во время испытаний, специалисты считают эту боевую машину очень удачной. Уже есть несколько прототипов, более десятка. Это доказывает хотя бы тот факт, что в августе 2018 года ОКБ «Сухого» получило контракт от Минобороны РФ, согласно которому российские военные за период с 2020 по 2027 год должны получить 76 самолетов Су-57, не считая ещё двух, заказанных ранее.

Партии истребителей, которые поступят на вооружение, будут оснащены уже существующими серийными двигателями АЛ-41Ф1 с круглым осесимметричным сечением сопла. Подобные силовые агрегаты устанавливают на Су-35С. Истребители Су-57 с такими двигателями будут поставляться в войска ориентировочно до середины 2020-х годов.

А затем вместо этого двигателя в Су-57 начнут устанавливать так называемое «Изделие 30». О его технических характеристиках известно немного, но по некоторым данным в нем будет использовано плоское сопло. Собственно, этого и следовало ожидать. Но с учетом того, что планы разработчиков и сроки могут еще несколько раз поменяться, трудно сказать, когда именно у российских военных появятся боевые самолеты, оборудованные двигателями с плоским соплом. При этом стоит сказать, что не так давно появились изображения модели ударного БПЛА «Охотник», сопло которого было именно плоским.

Читать еще:  В шкоде свистит ремень при холодном двигателе

Расчёт сопел современных ракетных двигателей

Введение

Сопло ракетного двигателя- техническое приспособление, которое служит для ускорения газового потока, проходящего по нему до скоростей, превышающих скорость звука. Основные виды профилей сопел приведены на рисунке:

По причине высокой эффективности ускорения газового потока, нашли практическое применение сопла Лаваля. Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами:

В ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано генералом М. М. Поморцевым в 1915 году. В ноябре 1915 года в Аэродинамический институт обратился генерал М. М. Поморцев с проектом боевой пневматической ракеты.

Ракета Поморцева приводилась в движение сжатым воздухом, что существенно ограничивало ее дальность, но зато делало ее бесшумной. Ракета предназначалась для стрельбы из окопов по вражеским позициям. Боеголовка оснащалась тротилом.

В ракете Поморцева было применено два интересных конструктивных решения: в двигателе имелось сопло Лаваля, а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор. Подобные конструкции используются и в настоящее время, но уже с твёрдотопливным двигателем и системой автоматического наведения:

Однако проблемы остались старые, но уже в современном исполнении: ограниченная дальность до 3 км., наведение и удержание цели в условиях хорошей видимости, что для настоящего боя не реально, не защищённость от электромагнитных заградительных помех и, наконец, но не в последнюю очередь, высокая стоимость.

Теоретические основы

Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчётов. Основное уравнение, связывающее градиент площади сечения, градиент скорости и число Маха, следующее:

где: S – площадь сечения сопла; v – скорость газа; M – число Маха (отношение скорости газа в какой-либо точке потока к скорости звука в этой же точке).

Анализируя это соотношение, получаем, что в сопле Лаваля могут осуществляться следующие режимы течения:

1) M 0 (из уравнения). Дозвуковой поток в сужающемся канале ускоряется.
б) >0, тогда 1 – поток на входе сверхзвуковой:
а) 0, тогда >0. Сверхзвуковой поток в расширяющемся канале ускоряется.
3) = 0 – самое узкое место сопла, минимальное сечение.
Тогда возможно либо М = 1 (поток переходит через скорость звука), либо = 0 (экстремум скорости).

Какой из режимов реализуется на практике, зависит от перепада давлений между входом в сопло и окружающей средой.

Если давление, достигаемое в критическом сечении, превышает наружное давление, то поток на выходе из сопла будет сверхзвуковым. В противном случае он остается дозвуковым. [2]

— условие сверхзвукового истечения.

где: p* – давление торможения (давление в камере); pкр – давление в критическом сечении сопла; pнар – давление в окружающей среде; k – показатель адиабаты.

Читать еще:  Волга с двигателем крайслер какой автомобиль крайслер

Если известны параметры в камере сгорания, то параметры в любом сечении сопла можно узнать по следующим соотношениям:

или ;

температуру:

или ;

или ;

или .

В этих формулах – λ – приведенная скорость, отношение скорости газа в данном сечении сопла к скорости звука в критическом сечении, R – удельная газовая постоянная. Индексом «*» обозначены параметры торможения (в данном случае – параметры в камере сгорания).

Постановка задачи

1. Рассчитать параметры течения потока газов в сопле Лаваля: для этого профиль сопла Лаваля разбивается на 150 контрольных точек – . Разбиение осуществляем таким образом, чтобы минимальное сечение располагалось в точке . Определяются значения газодинамических функций давления, плотности и температуры в каждом сечении.

2. Расчёты выполнить средствами высокоуровневого свободно распространяемого языка программирования Python по следующей расчётной схеме и исходным данным:

Рисунок 1-Профиль сопла Лаваля

Таблица 1-Исходные данные

Приведенные исходные данные носят демонстрационный характер.

Расчёт сопла Лаваля средствами Python

Для продолжения решения задачи на Python, нужно связать λ – приведенную скорость газа с координатой x вдоль продольной оси. Для этого я воспользовался функцией fsolve из библиотеки SciPy со следующей инструкцией:

fsolve( , ,xtol=1.5 · 10^8)

Привожу фрагмент программы для управления решателем с одной стартовой точкой:

Это единственно возможное на Python решение сложного алгебраического уравнения со степенной функцией от показателя адиабаты k. Например, даже для упрощённого уравнения с использованием библиотеки SymPy, получим недопустимое время расчёта только одной точки:

Время работы решателя: 195.675
0.16
1.95

Время работы программы: 0.222

Полученная эпюра распределения скоростей газового потока полностью соответствует изложенной выше теории. При этом, по предложенному алгоритму и библиотеке, время расчёта в 150 точках в 1000 раз меньше, чем для одной точки с использованием solve sympy.

Время работы программы: 0.203

Вывод

Температура на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое —0.203.

Время работы программы: 0.203

Вывод

Давление на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое -0.203.

Возникновение силы тяги от действия давления газа схематично показано на рисунке:

Время работы программы: 0.203

Вывод

Плотность газа на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector