0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое сопло в реактивном двигателе

Что такое сопло в реактивном двигателе

Вадим Миронов,
начальник отделения Центра Келдыша РКА, дтн, профессор
Юрий Кочетков,
начальник отдела Центра Келдыша РКА, дтн
Николай Давыденко,
начальник сектора Центра Келдыша РКА

Проведенные в Центре Келдыша исследования подтвердили, что углекомпозиты и углерод-керамические материалы, широко используемые для изготовления элементов конструкций носителей, газогенераторов и топливных баков, могут применяться также и в соплах современных ракетных двигателей, в том числе и ЖРД.

Из композиционных материалов (КМ) различных классов, прежде всего из углерод-углеродных (УУКМ) и углерод-керамических (УККМ), по современным технологиям изготавливаются прочные тонкостенные оболочки больших размеров. Целый ряд достоинств УУКМ и УККМ делают их весьма перспективными для использования в элементах проточных трактов ЖРД. Американская компания Pratt & Whitney и французская SEP разрабатывают крупногабаритные сопла из УУКМ CarboSEP для двигателя 3-й ступени РН «Дельта-3». В России комплексные работы в этом направлении ведутся по заказам РКА на ведущих предприятиях отрасли – в Центре Келдыша, КБХА, КБХМ, РКК “Энергия”.
Композиционные материалы на основе углерода обладают небольшой удельной массой. Наряду с этим они имеют значительную эрозионную стойкость и высокую прочность (?р и ?сж более 100 МПа), которая с ростом температуры до 2500 К даже возрастает. В настоящее время разработаны технологии изготовления каркасов УУКМ из углеродных нитей или тканей с последующим их насыщением и созданием углеродной или углерод-карбидной матрицы. Промышленность освоила производство сравнительно недорогих двумерных и объемных (3D) образцов с уникальными физико-механическими свойствами и, в частности, сопел диаметром до 3 м, длиной до 2,6 м и толщиной стенки 1,5…2 мм.
В настоящее время новейшие технологии, нашедшие широкое применение в области ракетных твердотопливных двигателей, активно вторгаются в сферу создания ЖРД. Сравнительно недорогие неохлаждаемые сопла из композиционных материалов жидкостных реактивных двигателей почти в два раза легче металлических охлаждаемых сопел.
Однако возникли новые проблемы. Требовалось обеспечить:
— химическую стойкость углеродсодержащих КМ;
— механическую прочность и устойчивость оболочек сопел, в том числе при нестационарных и циклических силовых и тепловых нагрузках;
— совместимость КМ стационарных и сдвигающихся сверхзвуковых сопловых насадков с металлическими элементами сопел.
Проблема химической стойкости УУКМ и УККМ обусловлена взаимодействием углерода с окисляющими компонентами продуктов сгорания. Следует отметить особенность керамических материалов, у которых при высокой температуре происходит формирование на огневой поверхности оксидных пленок. Эти пленки предотвращают диффузию окислителя к углероду и его унос. Для ЖРД, работающих на компонентах кислород-водород, кислород-метан, кислород-керосин существует минимальная величина расширения ra min (размер, определяющий взаиморасположение стыка охлаждаемой части сопла и неохлаждаемого насадка), начиная с которой процессы тепломассообмена и химического уноса не отражаются на работе сопла. При этом температура огневой стенки сопла из КМ не превышает 2100 К, а скорость эрозии меньше наперед заданной критической величины Vmin.

Схема сопла ЖРД, оснащенного насадкой из КМЗависимость rа min сопла с неохлаждаемым насадком из УУКМ и УККМ от давления в камере при Vmin = 5×10 -4 мм/с

Величину ra min следует минимизировать. При этом, во-первых, увеличится длина легкой неохлаждаемой части сопла из КМ, и, во-вторых, узел стыка и коллектор подачи охлаждающего компонента будут иметь меньший диаметр, что также снизит вес конструкции.
Добиться уменьшения величины rа min можно прежде всего за счет применения УККМ. Однако в этом случае остаются ограничения по температуре (2100 К). Второй способ уменьшения ra min основан на использовании эффекта завесного охлаждения. Для этого перед узлом крепления насадка организуется подача небольшого количества горючего вдоль образующей сопла. Это приводит, с одной стороны, к охлаждению корневого участка насадка, с другой стороны, к уменьшению концентрации окисляющих компонентов на огневой стенке, причем уменьшение ra min пропорционально расходу горючего.

Наилучшие результаты достигаются при совместном использовании завесы и материала УККМ. Расход горючего для организации завесы до 0,3 % от суммарного практически не влияет на энергетические характеристики двигателя.
Достижение требуемых прочностных характеристик насадка из КМ и динамической устойчивости оболочки может быть обеспечено несколькими способами. Первый заключается в выборе структуры КМ и способа его армирования высокопрочными углеродными нитями. В этом отношении могут быть рекомендованы:
— УУКМ, изготавливаемые по тканевой технологии с поперечной прошивкой слоев для повышения межслоевой прочности каркаса (?p = 65 МПа, ?сж = 94 МПа);
— объемносилицированные УУКМ и УККМ, изготавливаемые методом круглого ткачества 3D структуры (?p = 102 МПа, ?сж = 120 МПа);
— УККМ сэндвичной структуры, изготавливаемые по комбинированной тканевой технологии с послойным объемным силицированием поверхностных слоев (?p = 160 МПа, ?сж = 316 МПа).
Второй способ может быть основан на разработанных в Центре Келдыша методах оптимального профилирования тонкостенных оболочек (насадка) при определенном выборе контура проточной части сопла. Сочетание обоих способов обеспечивает возможность многократного применения сопел из КМ, обладающих большим временным ресурсом и высокой надежностью при циклических нагрузках.

Огневые испытания сопел из УУКМ и УККМ проводились в составе ЖРД (кислород-метан и кислород-водород) тягой 0,4 и 3,0 т. Исследовались работоспособность изготовленных по перечисленным выше технологиям неохлаждаемых сопел при максимальных тепловых нагрузках (темп нагрева 2?103 К/с) и высотных условиях работы (давление 0,06…0,1 атм), а также эффективность завесного охлаждения.

Сопло из УККМ в сборе (с технологической оснасткой, выходной диаметр 650 мм)Фрагмент видеозаписи огневого испытания экспериментального сопла из УККМ
(давление в камере сгорания 80 атм, температура продуктов сгорания 3560 К, температура огневой стенки 2100 К). Сопло выдержало 7 включений ЖРД без механических повреждений

Анализ нагружения сопел из КМ показал, что максимальные сжимающие и растягивающие тепловые напряжения в оболочке возникают в первые 3…7 с работы двигателя и их амплитуда не превышает 40…60 % от допустимого значения. Суммарное время наработки на каждом сопле превышало 400 с, причем максимальная скорость эрозии огневой стенки была не выше 10-4 мм/с (УУКМ) и 10-5 мм/с для УККМ. Отличные результаты по эрозионной стойкости продемонстрировали сопла из УККМ сэндвичной структуры.
В экспериментальных исследованиях завесного охлаждения расход водорода составил 0,2…0,3 % от суммарного, температура стенки уменьшилась на 400…500 К, а эрозия УУКМ полностью отсутствовала.

В целом экспериментальные исследования подтвердили работоспособность и эффективность сопел ЖРД из углеродных и углерод-керамических КМ, стойкость к циклическим нагрузкам, длительным тепловым и химическим воздействиям. В полной мере это относится к линейным, тарельчатым соплам (с внешним или внутренним расширением), а также к соплам с промежуточной угловой точкой большой степени расширения для двигателей нетрадиционных компоновок.
Неохлаждаемые сопла из КМ могут быть внедрены и на уже разработанных двигателях. Примером может служить кислород-водородный ЖРД (на базе маршевого крупногабаритного двигателя разработки КБХА), работающий при переменном атмосферном давлении. Применение выдвигающегося неохлаждаемого насадка из КМ позволит обеспечить высотные условия, уменьшить массу сопла (на 160 кг) и увеличить среднетраекторный удельный импульс тяги (на 4…5 с). Разработанные сопла могут быть также эффективно использованы на многих ЖРД зарубежного производства для улучшения их энергетических характеристик и значительного уменьшения веса.
Внедрение существующих и создание перспективных КМ позволяют надеяться на значительное улучшение энерго-массовых характеристик новых двигателей, отвечающих самым высоким требованиям по эффективности и надежности.

Читать еще:  Bmw e36 с каким двигателем брать

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Регулируемое реактивное сопло

Регулируемое реактивное сопло представляет собой сужающийся насадок с перекрывающимися створками, которые приводятся с помощью пневмоцилиндров. [1]

Регулируемое реактивное сопло ДТРДФ Адур имеет шестнадцать створок, восемь из которых являются ведущими, а другие — уплотняющими. Соотношение между расходом топлива и площадью реактивного сопла устанавливается автоматически посредством совместного управления давлением воздуха перед компрессором, давлением воздуха за компрессором и давлением выхлопных газов. [2]

Последнее допущение предполагает устройство всережим-ного регулируемого реактивного сопла типа Лаваля . [3]

Если же ТРД снабжен регулируемым реактивным соплом , то условие СудСуДмин может быть обеспечено одновременным регулированием числа оборотов и критического сечения реактивного сопла. [4]

На двигателе применена новая конструкция регулируемого реактивного сопла с уравновешенной створкой, являющаяся изобретением фирмы. Створка этого сверхзвукового сопла крепится спереди, но в отличие от створок сопел других схем передняя точка створки не служит осью поворота или подвески. В новой конструкции ось поворота отодвинута назад примерно до середины первичной створки, что и делает эту створку практически уравновешенной. [5]

Следует отметить, что при малой степени повышения давления вентилятора характеристики ДТРД с большой степенью двухконтурности, если он оборудован регулируемым реактивным соплом внешнего контура , будут лучше на переменных режимах работы, что позволяет полностью использовать преимущества вентилятора с поворотными лопатками. [6]

Важным преимуществом применения форсажных камер является возможность значительного увеличения тяги двигателя без повышения температуры Тз — Для поддержания неизменным режима работы турбокомпрессора ( Т % const; пмакс const) в ТРДФ и ДТРДФ введено регулируемое реактивное сопло . [7]

Такой способ форсирования обычно требует специального охлаждения лопаток сопловых аппаратов и рабочих лопаток турбины воздухом, отбираемым из компрессора двигателя ( до 2 — 5 % секундного весового расхода воздуха), а также введения регулируемого реактивного сопла . [8]

Отличительной особенностью двигателя GE21 является высокая степень механизации газовоздушного тракта, так как в нем используются следующие регулируемые элементы: поворотный ВНА вентилятора, поворотный направляющий аппарат второго блока вентилятора, поворотные направляющие аппараты трех первых ступеней компрессора газогенератора, регулируемый перепуск за вторым блоком вентилятора, регулируемые створки на выходе из канала внешнего контура, регулируемый сопловой аппарат турбины вентилятора и регулируемое реактивное сопло . [10]

Эти нарушения, если они своевременно не обнаружены и не устранены, могут привести к поломкам и аварии двигателя. Типичным примером разрегулирования двигателя является отказ механизма управления регулируемого реактивного сопла в момент подачи топлива в форсажную камеру ТРД. К аналогичным результатам приводит неправильный подбор выходного сечения реактивного сопла ТРД при ремонте. [11]

Рассмотрение параметров и конструкций некоторых конкретных современных и перспективных авиационных ГТД показывает, что для них характерны высокие значения термодинамических параметров рабочего процесса и большая эффективность работы узлов. В этих ГТД применяются в основном двухвальные конструкции турбокомпрессорной части с высоконагруженными вентиляторными, компрессорными и турбинными ступенями, кольцевые компактные камеры сгорания, охлаждаемые турбины, укороченные форсажные камеры с регулируемыми реактивными соплами . При конструировании двигателей принимаются специальные меры по снижению уровня шума, дымления и выделения загрязняющих веществ. В их конструкции наряду с известными сплавами используются новые жаропрочные эвтектические сплавы на никелевой и кобальтовой основе, новые титановые сплавы, начинают использоваться композиционные материалы. При изготовлении двигателей применяются совершенные и высокопроизводительные технологические процессы. Ресурс двигателей военных самолетов и вертолетов составляет многие сотни часов, а гражданских — многие тысячи часов. [12]

Трансзвуковой вентилятор двигателя без ВНА и компрессор имеют большую напорность ступеней, что позволило сократить общее число ступеней компрессорной группы. Кольцевая камера сгорания с испарительными форсунками обеспечивает высокую полноту сгорания и низкий уровень выделения дыма и загрязняющих веществ, а также равномерное поле температур перед турбиной при малых потерях давления. Форсажная камера двигателя — общая для обоих контуров. Она имеет отдельные форсунки для подачи топлива в первичную и вторичную зоны горения, в камере применена эффективная система охлаждения, позволившая использовать в конструкции этого узла титановые сплавы. Сверхзвуковое регулируемое реактивное сопло обладает малым донпым сопротивлением. Створки сопла управляются гидросистемой, использующей топливо. Двигатель построен по простой силовой схеме, и его ротор опирается на три подшипника. [13]

Во входном устройстве двигателя расположены газотурбинный стартер и корпус передней опоры, который крепится на шести стойках. Турбостартер позволяет запускать двигатель в полете на высотах до 9 км. Входное устройство оборудовано противооб-леденительной системой, работающей на горячем воздухе, отбираемом от компрессора. Девятиступенчатый компрессор двигателя выполнен стальным, что вызвано применением двигателя на самолете с длительным сверхзвуковым полетом. Лопатки первых трех ступеней компрессора могут заменяться непосредственно на двигателе. Двигатель имеет кольцевую камеру сгорания, традиционную для двигателей семейства Атар. Первая ступень двухступенчатой турбины охлаждаемая, у второй ступени охлаждается только диск рабочего колеса. За турбиной установлено спрямляющее устройство, направляющее поток газов для организации эффективного рабочего процесса в форсажной камере. Форсажная камера и всережимное регулируемое реактивное сопло оптимизированы для этого двигателя. Форсажная камера работает практически без дымления. Ротор двигателя имеет три опоры с системой охлаждения подшипников, причем задний подшипник компрессора и подшипник турбины смазываются маслом на выброс. [14]

Численное моделирование течения газа в реактивном сопле

Полный текст:

  • Статья
  • Об авторах
  • Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Для цитирования:

Скачков С.В., Шпаковский Д.Д. Численное моделирование течения газа в реактивном сопле. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):41-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-41-46

For citation:

Skachkov S.V., Shpakovskiy D.D. Numerical simulation of gas flow in jet nozzle. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(3):41-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-41-46

Адекватность и точность математической мо­дели определяется совокупностью учитыва­емых действующих физических факторов и принимаемыми допущениями. В некоторых исследованиях, например [1, 2], показано, что для радиально равновесного потока наличие закрутки от турбины во входном сечении не влияет существенным образом на удельную тягу, но оказывает значительное воздействие на коэффициент расхода реактивного сопла. В работе [1] установлено, что полный им­пульс потока не зависит от неравномерности полного давления, температуры торможения и определяется их средними значениями при одинаковом расходе воздуха и его теплосо­держании. Поэтому в настоящее время вы­числение тяговых характеристик сопла (вну­тренней тяги) выполняется согласно методи­ке, изложенной в [3], или экспериментальным путем в аэродинамической трубе Т-58 ЦАГИ, без учета закрутки потока и распределения параметров во входном сечении. В перечис­ленных выше работах объектом исследования являются реактивные сопла, не содержащие внутренних конструктивных элементов в виде стоек или центрального тела.

Читать еще:  Что называется циклом теплового двигателя

В Омском мотостроительном конструк­торском бюро (АО ОМКБ) с использованием программного комплекса ANSYS CFX было выполнено численное моделирование тече­ния газа внутри реактивного сопла турборе­активного двухконтурного двигателя (ТРДД) и определение его характеристик с учетом мак­симального количества реально действующих физических факторов.

Целями проводимых исследований были проверка справедливости существующих клас­сических теоретических положений примени­тельно к реальным дозвуковым реактивным соплам и разработка адекватной математиче­ской модели для численных расчетов.

Геометрическая модель, представляю­щая собой внутренний объем проточной ча­сти реактивного сопла, создана в программе Unigraphics NX 7.5 и импортирована в препро­цессор DesingModeler программы ANSYS CFX. Внутренний объем сопла, соответствующий моделируемой расчетной области, представлен в изометрии на рис. 1. Ограничивающие по­верхности рассматриваемого объема сформи­рованы по координатам внутреннего контура реактивного сопла и наружного контура вну­треннего тела с суфлирующей трубкой.

Рис. 1. Внутренний объем реактивного сопла

Построение расчетной сетки в подпро­грамме ANSYS Meshing было выполнено ме­тодом свободного разбиения со сгущением к стенкам сопла для более точного моделирова­ния течения в области пограничного слоя. Для получения устойчивого процесса расчета гра­ничные условия были заданы в виде полного давления Р*1 вх и температуры торможения T*1 вх на входе в реактивное сопло и статического давления на срезе сопла Pc1.

Для выполнения расчетов были состав­лены две математические модели. В первой модели были заданы постоянные по сечению входа и выхода из сопла величины Р*1 вх , T*1 вх , Pc1, направление потока на входе в сопло по оси симметрии. Во второй модели — постоян­ные по сечению входа и выхода из сопла вели­чины T*1 вх, Pc1, на входе в сопло учтены рас­пределение полного давления Р*1 вх в радиальном направлении и угол закрутки потока α2. Под углом закрутки потока подразумевается угол α2 между вектором абсолютной скорости по­тока и фронтом решетки на выходе из турбины низкого давления.

Для второй математической модели рас­пределение полного давления Р*1 вх и измене­ние угла α2 потока по радиусу в зависимости от частоты вращения турбины низкого давле­ния определены на основе экспериментальных данных. Во входном сечении реактивного соп­ла были заданы составляющие вектора скоро­сти потока с помощью направляющих косину­сов в цилиндрической системе координат, определяемых зависимостями:

где nКНД, мин -1 — текущая частота вращения вала компрессора низкого давления;

г, мм — радиус, отсчитываемый от оси сопла.

Аналогичным образом задается распре­деление полного давления во входном сечении реактивного сопла:

где P1 вх ср* , кг/см 2 — полное избыточное давле­ние, осредненное по входному сечению реак­тивного сопла. Для первой математической модели P*1 вх = P*1 вх ср.

Набор величин Р*1вх, T*1вх, Pc1 определен для нескольких режимов работы в диапазоне от максимальной до минимальной тяги при рас­чете дроссельной характеристики двигателя.

Поток газа в реактивном сопле представ­ляет собой идеальную смесь компонентов про­дуктов сгорания: CO2, H2O, O2, N2. Термодина­мические свойства отдельных элементов заданы переменными в зависимости от температуры в соответствии с форматом NASA SP-273. Дина­мическая вязкость и коэффициент теплопрово­дности определялись по формуле Сатерленда.

Математическая модель сопла второго контура была выбрана на основе сравнитель­ного анализа полученных результатов расче­тов. С помощью программы ANSYS CFX-Post было выполнено построение распределения параметров газового потока в характерных се­чениях. Многовариантные расчеты, проведен­ные с использованием первой и второй матема­тических моделей, далее по тексту обозначены соответственно как первый и второй виды рас­чета. Рассмотрим полученные данные для од­ного из нормируемых режимов работы ТРДД. Распределения скорости потока v по радиусу в нескольких поперечных сечениях реактивного сопла (в области потока между стойками) для первого вида расчета представлены на рис. 2, а, а для второго — на рис. 2, б. По оси ординат на обоих рисунках отложена относительная вели­чина Y_, определяемая по соотношению

где Y — координаты точки;

h — текущая высота канала.

Рис. 2. Профили скорости потока в поперечных сечениях реактивного сопла: а — без учета закрутки; б — с учетом закрутки; 1 — вход в сопло; 2 — 69 мм от среза сопла; 3 — 22 мм от среза сопла; 4 — срез сопла

Профиль скорости для первого и второго видов расчета имеет гладкую форму, что гово­рит об отсутствии крупной турбулентности в ядре потока. Исключением является s-образ­ный излом, который наблюдается на профиле скорости для второго вида расчета в области перехода от внутреннего тела в виде конуса к цилиндрическому участку суфлирующей труб­ки, что может свидетельствовать о наличии локальной зоны отрыва потока. Изменение профиля скорости в обоих случаях при пере­ходе от сечения входа к срезу сопла определя­ется внутренней геометрией канала. Однако при этом следует отметить, что относительная форма профиля скорости (прямая линия или кривая второго порядка) сохраняется от входа до среза сопла.

Результаты расчета с учетом распределе­ния параметров на входе в сопло показывают наличие развитой отрывной зоны в потоке за вертикальными стойками. На рис. 3 представ­лено распределение избыточного давления p по поверхности конического сечения, располо­женного соосно с реактивным соплом. Суще­ственные отличия в распределении скорости v и избыточного давления p наблюдаются в об­ласти стоек. При отсутствии закрутки потока обтекание стойки происходит симметрично. При наличии закрутки поток частично тормо­зится с той стороны стойки, где происходит его натекание с существенным повышением статического давления, и ускоряется от пе­редней кромки с противоположной стороны с падением статического давления, характерным для зоны отрыва. Этот процесс создает не­равномерность скорости и полного давления, распространяющуюся вниз по течению. Данное явление подтверждается распределением полного давления на срезе сопла, представлен­ного на рис. 4, где для сравнения приведены результаты двух видов расчетов. Для первого вида расчета локальное понижение давления в турбулентном следе за вертикальными стой­ками практически совпадает с их проекцией на плоскость сечения среза сопла. В случае наличия закрутки потока наблюдается вра­щательная деформация турбулентного следа в сторону закрутки потока. Кроме того, полу­ченное поле полного давления намного более неравномерное, и зоны пониженного полного давления занимают большую часть от общей площади среза сопла в сравнении с первым видом расчета. Таким образом, течение газа внутри сопла зависит от распределения пол­ного давления и направления скорости потока во входном сечении, что, в свою очередь, пред­определяет существенные различия в уров­не газодинамических потерь при идентичной геометрии. Моделирование течения газа в ре­активном сопле необходимо выполнять с уче­том распределения полного давления и угла закрутки потока во входном сечении.

Рис. 3. Распределение избыточного давления потока: а — без учета закрутки; б — с учетом закрутки

Рис. 4. Распределение избыточного полного давления потока на срезе сопла: а — без учета закрутки; б — с учетом закрутки

Оценка влияния закрутки потока на рас­ход газа μ и удельную тягу R реактивного сопла производилась на основе ряда расчетов с переменным максимальным углом закрутки в ядре потока α2max = 60. 90° на входе. При этом был сохранен закон изменения угла α2 в радиальном направлении и средние значения параметров P*1 вх, T*1 вх, Pc1, соответствующих расчетному режиму работы. Полученные ре­зультаты представлены на рис. 5 в виде отно­сительных величин в зависимости от угла отклонения потока от осевого направления α = 90 — α 2max. Здесь μ90 и Руд90 — коэффициент расхода и удельная тяга при отсутствии закрутки потока при α 2max = 90°.

Читать еще:  Чтобы двигатель лучше заводился в морозы

Как правило, отклонение газового потока во входном сечении реактивного сопла от осе­вого направления α 1. Чёрный Г. Г. Закрученные течения сжимаемого газа в каналах // Изв. АН СССР ОТН. 1956. № 6. С. 55–62.

2. Гостинцев Ю. А. Расходные характеристики сопла при истечении винтового потока газа // Изв. АН СССР МЖГ. 1969. № 4. С. 158–162.

3. ОСТ 100007–93. Сопла воздушно-реактивных двигателей. Метод расчета тяговых характеристик на этапе технического задания. М.: Изд-во НИИСУ, 1993.

Об авторах

Скачков Сергей Владимирович – начальник отдела испытаний и термодинамических расчетов

Область научных интересов: теория воздушно-реактивных двигателей.

Шпаковский Денис Данилович – кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор отдела испытаний и термодинамических расчетов

Область научных интересов: газовая динамика.

Для цитирования:

Скачков С.В., Шпаковский Д.Д. Численное моделирование течения газа в реактивном сопле. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(3):41-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-41-46

For citation:

Skachkov S.V., Shpakovskiy D.D. Numerical simulation of gas flow in jet nozzle. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(3):41-46. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2016-3-41-46


Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector