Реактивное сопло в авиации.

Здравствуйте!

Сегодня общее знакомство с еще одним важным элементом конструкции турбореактивного двигателя.

Реактивное сопло в авиации.

Сопла Лаваля на двигателях самолета B-1B Lancer.

Одним из составных элементов  любого газотурбинного двигателя является так называемое выходное устройство. Конструктивное исполнение его довольно разнообразно. Это может быть реактивное сопло, диффузор или газоотводящий патрубок, устройство реверса или отклонения вектора тяги, различные шумопоглощающие устройства или  приспособления для снижения инфракрасной заметности, камеры смешения для ТРДД.

У каждого из этих агрегатов есть своя специфическая область применения. Все в основе зависит от конкретного предназначения  двигателя, и, как следствие , летательного аппарата. Современные выходные устройства часто совмещают в себе различные функции и поэтому могут быть довольно сложными конструкциями.

Однако, несмотря на имеющееся разнообразие, некоторую часть этих функций можно в определенном смысле назвать второстепенными (шумоглушение, например, или снижение заметности). К главным же для ГТД прямой реакции изначально относились возможности формирования необходимых параметров потока газа, выходящего из двигателя.

В этом смысле выходные устройства можно поделить на две группы. Первая, формируя поток, делает его выходной импульс  максимально большим и направляет его в нужную сторону. Вторая же делает наоборот, то есть занимается превращением потока в простой «выхлоп».

Первая группа – это реактивные сопла, вторая – диффузоры и различного вида выхлопные патрубки. Если в названии (а значит и предназначении) двигателя присутствует слово «реактивный», то обязательным элементом выходного устройства будет реактивное сопло. В нашем случае это различные типы воздушно-реактивных двигателей. Конечно, в каждом из них сопло имеет свой определенный вид и уровень сложности конструкции.

Стоит отдельно отметить, что  важной функцией сопла также является обеспечение возможности устойчивой совместной работы элементов ГТД на основных режимах. Величина проходного сечения сопла влияет на температуру потока, поэтому может являться фактором регулирования работы двигателя. В особенности, если сопло конструктивно может менять площадь проходного сечения.

Газотурбинный двигатель, как динамическая расширительная машина, использует располагаемую энергию газа (которую он получил в результате нагрева и повышения давления) для совершения работы на турбине. Газ расширяется в ней, разгоняясь в сопловых аппаратах, и вращая ее рабочие колеса.

Полученная мощность используется для вращения компрессора и агрегатов так называемой полезной нагрузки. Если приведение в действие этих агрегатов – основная функция двигателя, как это бывает, например, в ТвАД, то он сконструирован так, что практически вся располагаемая энергия газа (или большая ее часть) превращается в механическую работу. Если конечно двигатель достаточно совершенен в конструктивном плане и не занимается «перекачкой» энергетически заряженного газа в атмосферу :-)

Поэтому вертолетный газотурбинный двигатель (турбовальный) в качестве выходного устройства обычно имеет диффузорный газоотводящий патрубок. Газовый поток выходящий из турбины такого двигателя уже потратил подавляющую часть своей располагаемой энергии на вращение несущего винта, трансмиссии и конечно собственного компрессора.

Реактивное сопло в авиации.

Турбовальный двигатель ТВ3-117ВМА-СБМ1Б. Вместо сопла - диффузорный патрубок.

Пытаться утилизировать остатки энергии (в смысле получения дополнительной тяги) обычно не имеет смысла. При этом целесообразно использовать устройство для отвода выходящих газов со снижением их скорости выхода, дабы исключить ее влияние на на условия пилотирования и другие важные факторы. Что и делается с успехом.

Но, если двигатель все же реактивный ( ТРД, ТРДФ, ТРДД(Ф), ПВРД), то это значит,  что часть располагаемой энергии газового потока, называемую обычно свободной, используется в нем для получения реактивной тяги. Для этого свободная энергия, являющаяся потенциальной, превращается в кинетическую с использованием специального устройства, которым обычно и является реактивное сопло.

То есть поток в сопле разгоняется, при этом падают его давление и температура и растет удельный объем. Получается высокоскоростная газовая струя. А реакция этой самой струи как раз и является тягой двигателя. Основа здесь достаточно простая – работает третий закон Ньютона.

Но при этом типовая схема, параметры и конструкция такого рода устройств могут быть различными. Многое зависит от уровня задач, выполняемых ими в силовых установках различных летательных аппаратов.

Основным параметром, характеризующим работу реактивного сопла, является полная степень понижения давления газа в нем  πп*н (или просто перепад давления в сопле) , то есть отношение полного давления (статика +скоростной напор) на входе в сопло к статическому атмосферному давлению. πп зависит от типа двигателя, режима его работы, а также скорости и высоты полета.

Существует еще действительная степень понижения давления в сопле πс= Р*с . Здесь Рс – это давление на срезе сопла. Соотношение между πп и πс показывает на каком режиме работает сопло, то есть расчетный ли он и есть ли потери. Равенство πс = πп означает, что действительное расширение равно заданному – расчетный режим.

О типах сопел. Сужающееся сопло.

Сопло, упрощенно говоря, просто труба, пропускающая поток горячих газов на выход из двигателя. Однако, закономерность,  согласно которой меняется площадь сечения этой трубы по тракту и формируется перепад давлений между входом и выходом, определяет изменения скорости потока и ее величину на выходе из двигателя, а значит и тягу (при прочих равных условиях конечно).

Для того, чтобы скорость по мере движения потока по каналу увеличивалась, необходимо уменьшать проходное сечение этого канала из соображений сохранения массового расхода. Здесь работает закон (или уравнение) неразрывности для течений газа в каналах: ρVS = const ( ρ – плотность газа, V – скорость потока, S – площадь проходного сечения).

Реактивное сопло в авиации.

Сужающееся дозвуковое сопло.

В соответствии с законом сохранения энергии давление и температура по тракту сопла тоже должны падать. Пока скорость потока в нем еще невелика, изменения давления и температуры по потоку тоже невелики, и такое свойство, как сжимаемость газа еще практически не проявляется. Ведь она как раз и определяется воздействием изменений давления и температуры.

Однако,  далее, с ростом скорости потока и приближением ее к звуковой, а также падением давления сжимаемость дает о себе знать и плотность газа начинает падать. Однако, при этом темп ее падения (в дозвуковом потоке) ниже темпа роста скорости потока. В итоге окончательно получается, что при работе на дозвуке из соображений выполнения равенства ρVS = const сопло должно иметь сужающийся профиль.

Расчетный режим работы такого сопла означает равенство давления на срезе сопла и атмосферного давления. Остальные режимы – нерасчетные (или переходные). А главной особенностью или, можно сказать, недостатком (для авиации, по крайней мере) сужающегося сопла является невозможность разогнать поток до скорости, превышающей скорость звука на срезе.

По мере роста давления (температуры) на входе в сопло давление на срезе остается практически равным атмосферному за счет того, что так называемые малые возмущения (падение давления на выходе из сопла или волны разрежения в данном случае) могут проникать из атмосферы внутрь сопла против потока, переформировывать его, тем самым увеличивая скорость, понижая и выравнивая давления на срезе (физический смысл).

Перемещаются эти возмущения в воздушной среде со скоростью звука. Поэтому, как только скорость потока на срезе сопла достигнет звуковой величины, они уже не смогут перемещаться внутрь и влиять на увеличение скорости потока. Сопло как бы запирается и выходная скорость перестает расти даже с увеличением давления на входе, то есть с ростом перепада.

Наступает так называемый кризис течения сужающегося сопла. Максимальная достигнутая (и максимально возможная) скорость потока на срезе сопла, равная местной звуковой скорости, называется критической. Перепад давления на сопле, при котором достигается эта скорость также носит название критического. А само сопло в этом случае иногда называют звуковым.

Соответственно реактивные сопла, которые работают на докритических перепадах давления, то есть тогда , когда звуковая скорость потока не достигается называются дозвуковыми.

Величина критического перепада давления – термодинамический параметр и зависит от химического состава газа и его температуры. Для условий работы сопла в турбореактивном двигателе она равна в среднем 1,85-1,90.

Таким образом получается, что даже если перед входом в сужающееся сопло имеет место высокоэнергетичный поток, то не факт, что вся его располагаемая потенциальная энергия может быть использована для разгона.

Дозвуковое сопло, работающее на докритических перепадах давления на срезе имеет давление равное атмосферному. Это расчетный режим, как уже говорилось. Но если перепад давления высокий, выше критического (сверхкритический), то газ не может полностью расшириться в сопле (ведь скорость на выходе не увеличится больше звуковой).

Это уже нерасчетный режим. Давление на срезе в этом случае больше атмосферного, сопло работает с недорасширением и окончательное расширение происходит уже в атмосфере, а не в сопле двигателя, как надо было бы. Это означает, что при больших сверхкритических перепадах давления в сопле имеют место немалые потери энергии. Это и есть вышеупомянутый недостаток.

Сверхкритические перепады в сопле характерны для сверхзвуковых самолетов с ТРДФ и ТРДДФ, имеющих максимальные числа М полета 1,7—3,0. Здесь значения πп в стартовых условиях могут достигать 2,5—3,0 и растут с ростом скорости, а на высотах до 11 км могут составлять 15—20 и более. Поэтому для двигателей таких самолетов выгоднее применять сопла другой схемы.

Реактивное сопло в авиации.

1 - обычное жесткое сужающееся сопло., 2 - сопло Витошинского.

Простые дозвуковые, сужающиеся реактивные сопла, используются на дозвуковых самолетах. Конструктивно такие сопла могут иметь вид конуса с углом наклона боковой поверхности не более 10°-12° или представлять из себя определенного вида профилированный канал (так называемые сопла Витошинского).

Наиболее низкая величина докритического перепада давления используется на двигателях непрямой реакции, то есть турбовинтовых,  турбовальных и ТВВД. У турбовальных, как уже говорилось, вообще применяется не сопло, а газоотводящий патрубок-диффузор. У ТВД И ТВВД используются простые дозвуковые сужающиеся сопла, доля реактивной тяги которых в общей тяге двигателя совсем невелика.

Несколько более высокие значения полных степеней понижения давления имеют двухконтурные двигатели с высокими степенями двухконтурности (турбовентиляторные), применяемые в основном в пассажирской коммерческой авиации и на транспортных самолетах (яркий их представитель – двигатель CFM-56).

Реактивное сопло в авиации.

Разрез ТРДД. Хорошо виден профиль сопел обоих контуров.

πп в соплах первого контура таких движков в стартовых условиях имеют величину порядка 1,5—1,9, а на высоте 11 км – 2,2—2,8. Для второго контура эти значения обычно несколько ниже. То есть перепады давления на турбовентиляторных двигателях докритические (или небольшие сверхкритические), поэтому применяются здесь по большей части сужающиеся дозвуковые сопла (иногда с небольшим расширяющимся участком за критическим сечением) в виде конических или профилированных каналов, которые отличаются простотой конструкции и малой массой.

Реактивное сопло в авиации.

Пример расположения сопел ТВРД.

Последнее достаточно важно для массивных ТВРД. Геометрия этих каналов оптимизирована под основной режим полета (чаще всего крейсерский ) и неизменна. То есть этот нерегулируемые или «жесткие» сопла.

Сопло Лаваля.

Для скоростных самолетов двигатели с высокими πп, оборудованные сужающимися дозвуковыми соплами, как уже говорилось, не подходят. Они не могут реализовать всю располагаемую энергию двигателя, до конца превращая ее в тягу. Часть энергии теряется в атмосфере. Особенно это проявляется на повышенных режимах работы, а также на большой скорости и высоте.

В этом случае применяются реактивные сопла другой схемы. Это сверхзвуковые сужающееся-расширяющиеся сопла или сопла Лаваля, названные так по имени своего изобретателя и разработчика Густава де Лаваля (Gustaf de Laval).

В этих соплах газ не испытывает кризиса течения (как в сужающихся) и разгоняется до сверхзвуковых скоростей, тем самым расширяясь и используя свою внутреннюю энергию по максимуму.

Схематично такое сопло имеет две части. Первая – сужающаяся. Она принципиально работает как обычное сужающееся сопло при критических и сверхкритических перепадах давления. На выходе из этой части, которая для сужающегося сопла является срезом, а для сопла Лаваля называется критическим сечением газовый поток достигает скорости звука. Далее следует вторая часть – расширяющаяся.

Реактивное сопло в авиации.

Сопло Лаваля.

Такой ее профиль можно определить тем, что плотность газа в потоке, продолжающая падать с ростом его скорости (говорилось ранее) на скоростях выше звуковых падает уже быстрее, чем растет эта скорость. Поэтому здесь для сохранения равенства ρVS = const (постоянства расхода) площадь поперечного сечения надо уже увеличивать.

При этом если в дозвуковом сопле скорость потока на срезе зависит от изменения величины входного давления, то в сопле Лаваля скорость на выходе (или точнее число М) этим уже не определяется (в широком диапазоне значений) и зависит от соотношения площадей критического и выходного сечений (то есть расширяющейся части).

Об основные режимах работы сопла Лаваля.

Обычное, нерегулируемое сопло Лаваля может состоять из двух конусов или же из двух профилированных каналов (подобно сужающимся соплам). Переход между половинами либо в виде угловой точки, либо плавного переходного участка. Для безотрывного истечения потока углы сужения ориентировочно не более 60°, расширения не более 14° (к горизонтали).

Реактивное сопло в авиации.

Диаграмма изменения параметров по тракту сопла Лаваля.

Расчетный режим или режим полного расширения. В этом случае давление на срезе сопла равно атмосферному и тяговые возможности, соответственно максимальны. Два других режима нерасчетные, сопровождающиеся потерями энергии.

Если давление на срезе больше атмосферного, то имеет место недорасширение потока. В этом случае есть, конечно, потери энергии. За соплом в потоке образуются ударные волны, проходя через которые поток понижает давление до атмосферного.

А когда давление на срезе сопла меньше атмосферного, то это перерасширение. В этом случае атмосферное давление хоть и больше внутрисоплового, но проникнуть внутрь сопла против потока не может из-за его сверхзвуковой скорости.

Поэтому сопло до определенного предела может работать на таком режиме. За соплом в потоке образуются волны разрежения, в которых давление восстанавливается до атмосферного.

Однако, если перерасширение значительно, то есть атмосферное давление намного превышает давление на срезе, то за соплом на начальном участке струи может образоваться так называемый мостообразный скачок уплотнения. По мере роста недорасширения этот скачок перемещается против потока и может попасть внутрь сопла.

Далее из-под основания скачка возможен отрыв потока от внутренней стенки сопла. Из-за этого нарушается структура течения, возникают колебания скорости и давления в потоке, сопло начинает «хлопать», то есть имею место автоколебания. Все это может привести не только к падению тяги, но и к разрушению конструкции. Правда процесс такого рода более характерен для неуправляемых сопел Лаваля (в основном в ракетной технике).

Реактивное сопло в авиации.

Влияние режимов работы сопла на величину тяги (потери).

Потери, связанные с нерасчетным расширением газа можно проиллюстрировать. Для этого нужно рассмотреть двигатель, работающий на постоянном режиме и имеющий нерегулируемое реактивное сопло, площадь выходного сечения которого меняется за счет добавления к нему или отбрасывания некоторого участка (при этом площадь критического сечения постоянна).

С учетом картины распределения давлений (внешнего и внутреннего) видно, что при полном расширении тяга (R) максимальна. При перерасширении давление на срезе сопла становится меньше атмосферного и возникает сила, направленная против тяги. При недорасширении тяга меньше, так как короче само сопло.

Интересно, что в практических целях бывает выгоднее для каждого режима работы двигателя выбирать величину площади среза на условии небольшого недорасширения. Это позволяет при незначительной потере тяги (менее 0,5%) заметно уменьшить габаритные размеры сопла, его массу и площадь охлаждаемой поверхности.

На некоторых двигателях при работе их сопел с недорасширением бывает довольно хорошо виден эффект возникновения волн давления (ударные волны, по сути скачки уплотнения) в выходящей форсажной струе газа в виде следующих друг за другом колец вдоль оси струи. Цвета их (как и самой струи) примерно от фиолетово-красного до малинового. Чаще всего это бывает видно при взлете самолета.

Реактивное сопло в авиации.

Форсаж. Видно свечение газа в скачках уплотнения.

Процесс упрощенно говоря таков. Недорасширенная струя при выходе начинает резко расширяться, в том числе и в радиальном направлении, «натыкаясь» на относительно малоподвижный наружный поток. Образуется скачок уплотнения. Проходя его струя разогревается и начинает светиться (догорают остатки форсажного топлива или продукты его разложения). При этом давление возрастает и далее процесс повторяется с постепенным затуханием (из-за демпфирующего влияния вязкости газа).

Об управляемости сопла.

Современные сверхзвуковые самолеты многорежимны (от малоскоростного крейсерского до сверхзвукового форсажного), используются в достаточно большом диапазоне чисел М и высот полета, что обуславливает широкий диапазон изменения перепадов  πп.

Из соображений наибольшей оптимальности работы двигателей на всех режимах (максимального приближения к расчетному режиму), то есть обеспечения большой тяги с минимальными потерями, сверхзвуковые сопла делаются регулируемыми, с возможностью изменения площади критического и выходного сечения. Это становится актуальным уже при перепаде πп больше 2,5.

Кроме того реактивное сопло выполняет еще одну очень важную функцию. За счет регулирования площади критического сечения осуществляется согласование совместной работы элементов ГТД. Это повышает эффективность и расширяет область устойчивой работы всего двигателя.

Первым серийным турбореактивным двигателем с регулируемым соплом стал немецкий двигатель Junkers Jumo 004, созданный в Германии в первой половине 1940-х годов и использовавшийся на самолете Ме-262.

Реактивное сопло в авиации.

Двигатель Junkers Jumo 004.

Он имел сопло с так называемым центральным телом (кольцевое). Задняя, сужающаяся часть центрального тела (называемая иглой) могла перемещаться в осевом направлении, тем самым изменяя проходное сечение сопла двигателя. При этом менялась тяга и производилась регулировка параметров режима работы двигателя.

Однако такого рода управляемые сопла распространения не получили. Механизм перемещения иглы был ненадежен и требовал сложной системы охлаждения, особенно с ростом температуры газа и появлением форсажных камер.

Следующим этапом развития управляемых сопел стали управляемые сужающиеся сопла с подвижными створками. Такие сопла использовались на ТРДФ, ТРДДФ. Появление мощного форсажного контура повысило важность регулировки проходного (критического) сечения. В английском сопло такого типа даже получило название «форсажное» (afterburner nozzle).

Такие двигатели позволяли не только значительно повысить тяговую эффективность. Использование диаметра проходного сечения, как регулировочного параметра дало также возможность расширить область устойчивой и безопасной работы турбокомпрессора, облегчить запуск, повысить экономичность двигателя на дроссельных режимах.

Реактивное сопло в авиации.

Сопла двигателей самолета Xi’an JH-7.

Реактивное сопло в авиации.

Самолет JH-7.

Сопло обычно работает на докритических и некоторых сверхкритических перепадах с учетом возрастания возможных потерь. Программа управления его чаще всего достаточно проста (особенно на ранних моделях двигателей) с несколькими (две или более) фиксированными позициями сопла (по принципу – открыто для запуска и форсажа, закрыто для режимов крейсер-максимал).

Реактивное сопло в авиации.

Сопла двигателей самолета Panavia Tornado.

Реактивное сопло в авиации.

Хвостовая часть самолета Panavia Tornado.

В качестве характерных примеров можно привести двигатель АЛ-7Ф – самолеты типа Су-7Б и Ту-128, из зарубежных – двигатель Turbo-Union RB199-34R Mk 103 – самолет Panavia Tornado GR4, а также двигатель Xi’an WS9 Qinling – самолет  Xian JH-7.

Реактивное сопло в авиации.

Хвостовая часть самолета Ту-128. Сужающиеся управляемые сопла двигателей АЛ-7Ф-2.

На современных, вновь создаваемых скоростных самолетах (и двигателях) используются в основном регулируемые всережимные сопла Лаваля, несмотря на сложность их конструкции. Но существует еще и другой тип сопел для двигателей многорежимных самолетов. В определенном смысле их можно назвать разновидностью сопла Лаваля, и многие их них до сих пор успешно применяются.

Об эжекторные соплах.

В стремлении избавиться от главного недостатка сужающегося реактивного сопла, потерь энергии при сверхкритических перепадах давления, то есть увеличить тягу, не усложняя значительно при этом конструкцию, инженерами уже довольно давно (первый образец создан в 1887 году – российский инженер Ф.Р.Гешвенд) было придумано усовершенствование обычного дозвукового сужающегося сопла: его превратили в эжекторное.

Такое сопло отличается от сопла Лаваля тем, что у него расширяющаяся часть (сверхзвуковой контур) полностью или частично образована границей свободной газовой струи, выходящей из сужающегося сопла.

Конструктивных исполнений этого варианта много, но основа состоит в следующем. Обычное сужающееся сопло, из которого выходит поток газа, помещено внутрь кольцевой обечайки. Образуется своего рода эжектор. В кольцевой канал между сужающимся соплом и обечайкой  для формирования сверхзвуковой струи, регулировки и улучшения ее характеристик, а также для охлаждения элементов конструкции подается эжектируемый воздух, обычно из атмосферы или из-за какой-либо ступени компрессора.

Реактивное сопло в авиации.

Схема эжекторного сопла. 1 - профилированная обечайка, 2 - цилиндрическая обечайка.

На срезе сужающегося реактивного сопла организуется критическая скорость потока. Далее поток, имея сверхкритический перепад давлений, расширяется, проворачиваясь вокруг оконечности этого сопла в волнах разрежения и образуя тем самым расширяющийся контур, и в нем разгоняется до сверхзвуковой скорости.

Образуется свободная сверхзвуковая струя. В какой-то точке эта струя может присоединиться к стенке обечайки, формируя сверхзвуковой контур, и далее течение происходит, как в сопле Лаваля.

То есть на некоторой длине сверхзвуковой контур не имеет стенок. Отсюда происходит еще одно название эжекторного сопла – сопло с разрывом сверхзвукового контура.

Физическая сущность большей тяги эжекторного сопла по отношению к сужающемуся состоит в избыточном давлении эжектируемого воздуха. Например, на самой цилиндрической обечайке равнодействующая сил давления равна нулю, при этом на торцевую стенку и внешнюю поверхность первичного сопла действует повышенное давление в эжектируемом потоке (если конечно оно больше атмосферного).

Реактивное сопло в авиации.

Схема возможного управления обечайкой в эжекторном сопле.

Такого рода реактивные сопла, приближаясь по конечному эффекту к соплам Лаваля, конструкция и управление которых отличается повышенной сложностью, проще и легче их. Они позволяют превратить дозвуковое сужающееся сопло в сверхзвуковое и, таким образом, значительно улучшить его показатели. Однако, есть тут и свои минусы.

Из-за разрыва сверхзвукового контура возможно возникновение циркуляционных вихревых зон в области между границей сверхзвуковой струи и стенкой обечайки в месте выхода потока из сужающейся части и его поворота, а также скачка уплотнения в месте присоединения потока к стенке обечайки.

Реактивное сопло в авиации.

Обечайки эжекторных сопел на самолете Northrop T-38 Talon.

Все это чревато неизбежными потерями энергии. Подача эжектируемого воздуха позволяет в определенной степени управлять потоком, снижает потери и улучшает характеристики сопла, но при этом может стать причиной увеличения размеров и массы фюзеляжа.

В процессе борьбы с такого рода недостатками конструкция эжекторного сопла совершенствовалась. Вместо обычных цилиндрических обечаек ставились профилированные. Они существенно уменьшают возможности возникновения потерь и, соответственно, падает необходимое количество эжектируемого воздуха.

Для цилиндрических обечаек оно равно 6-8% от объема воздуха, проходящего через внутреннее (сужающееся) сопло, для профилированных – 2-3%. Типичный пример нерегулируемой обечайки – самолет Northrop T-38 Talon с двигателями  General Electric J85-5A, или сопло двигателя Volvo RM8 самолета Saab 37 Viggen.

Реактивное сопло в авиации.

Неуправляемые обечайки эжекторных сопел (изнутри) на самолете Northrop T-38A Talon (ранние модификации).

Реактивное сопло в авиации.

Northrop T-38N Talon с измененной конструкцией сопла. Обечайка нерегулируемая.

Реактивное сопло в авиации.

Эжекторное сопло на самолете Saab 37 Viggen. Дозвуковые створки закрыты. Опущена одна из реверсных створок. Хорошо видны окна эжекции и реверса.

Реактивное сопло в авиации.

Организация подачи эжектируемого воздуха и схема реверса на двигателе самолета Saab 37 Viggen.

Реактивное сопло в авиации.

Сужающаяся часть сопла двигателя Volvo RM8 для самолета Saab 37 Viggen.

Реактивное сопло в авиации.

Saab 37 Viggen.

Кроме того сама обечайка может выполняться изменяемого выходного диаметра, то есть имеет обычно створчатую конструкцию и становится регулируемой так же, как и внутренняя сужающаяся часть сопла.

Эти внешние створки либо имеют кинематическую связь с внутренними (истребитель Dassault Rafale, двигатель Snecma M88-2), либо управляются по «принципу флюгера», ориентируясь под действием разности внутреннего и внешнего (над соплом) давлений (самолет МиГ-23, двигатель Р-29-300).

Реактивное сопло в авиации.

Двигатель М88-2 для самолета Rafale.

Реактивное сопло в авиации.

Сопла двигателя М88-2. Самолет Rafale.

Реактивное сопло в авиации.

Флюгерные ("провисающие") эжекторные створки сопла самолета МиГ-23 (двигатель Р-29-300).

Реактивное сопло в авиации.

Сужающееся сопло двигателя Р-29-300 в полностью открытом положении.

Также типичный пример эжекторного сопла с флюгерными профилированными вторичными створками – сопла двигателей TF-30-P самолета General Dynamics F-111 Aardvark.

Дальнейшее совершенствование (и в некотором смысле усложнение) сопла заключается в появлении дополнительных венцов створок, которые на определенных режимах сокращают величину разрыва сверхзвукового контура, все больше приближая эжекторное сопло к совершенному управляемому соплу Лаваля. Створки, формирующие выходной диаметр сопла чаще всего флюгерные.

Реактивное сопло в авиации.

Сопла двигателей TF-30-P самолета General Dynamics F-111 Aardvark.

Реактивное сопло в авиации.

Эжекторные щели сопла двигателя TF-30-P самолета General Dynamics F-111 Aardvark.

Реактивное сопло в авиации.

Самолет General Dynamics F-111 Aardvark. Видны эжекторнык сопла двигателей.

Такие реактивные сопла на данный момент сохраняют актуальность своего применения, несмотря на то, что управляемые всережимные сопла Лаваля уже практически окончательно освоены и активно используются.

Дело в том, что абсолютно полную универсальность классического сопла Лаваля в большом диапазоне скоростей полета не всегда удается обеспечить. Большие углы раскрытия сверхзвуковой части из соображений безотрывного течения неприемлемы.

В таком случае площадь выходного сечения можно увеличивать только за счет удлинения створок. Для достижения же больших скоростей потока такое удлинение оказывается слишком большим, что сильно влияет на массу и работоспособность конструкции. Поэтому практически все современные самолеты, оборудованные двигателями с реактивными соплами Лаваля, летают с максимальными скоростями около 2,3-2,4М (у земли 1,2М).

Для того, чтобы превысить этот порог и летать быстрее при относительно малых потерях тяги, применяется вышеупомянутое «усложненное» эжекторное сопло. Иначе его еще называют соплом Лаваля с эжектором. Оно обладает необходимой универсальностью, обеспечивающей нужный разгон, надежность, низкую массу и простоту (определенную, конечно) работы конструкции.

Реактивное сопло в авиации.

"Усложненное" эжекторное сопло двигателя Д30Ф-6. 1 - положение сопла до максимала. 2 - форсаж.

Такое сопло на относительно небольших скоростях потока (и полета, обычно до форсажа) работает как эжекторное, то есть с разрывом сверхзвукового контура, а на больших скоростях (крейсерский форсаж) его проточная часть за счет дополнительных створок и (или) кинематики перестраивается в сопло Лаваля с раскрытым выходным сечением и разрыв контура исчезает. В таком же раскрытом положении сопло находится в момент запуска для облегчения этого процесса.

Реактивное сопло в авиации.

Эжекторное сопло двигателя Р15БД-300.

Реактивное сопло в авиации.

Эжекторное сопло двигателя Р15Б-300.

Реактивное сопло в авиации.

Сопло двигателя Д30Ф-6.

Подобного принципа действия универсальные сопла применены на самолете МиГ-31 – двигатель Д30-Ф6 и его предшественнике МиГ-25 (двигатель Р15Б-300 – упрощенный вариант сопла). На двигателе Д30-Ф6 всего 4 ряда внутренних управляемых створок сопла и помимо кинематически управляемых венцов створок, присутствуют и флюгерные створки, формирующие выходное сечение сопла.

Флюгерными эжекторными створками сопла оборудован также двигатель  Pratt & Whitney J58-P4 самолета Lockheed SR-71. Этот двигатель имеет свои усложненные особенности, но основной принцип эжекторного сопла присутствует.

Реактивное сопло в авиации.

Хвостовая часть самолета. Видны заборники эжектируемого воздуха и эжекторные створки сопла.

И все же, как уже говорилось выше, в настоящее время среди регулируемых сопел всережимное реактивное сопло Лаваля – одно из самых распространенных в современной сверхзвуковой авиации.

Что касается принципов регулирования такого сопла, то самой выгодной системой из соображений уменьшения потерь на всех режимах полета является двухпараметрическая система регулирования, в которой осуществляется независимое регулирование по параметрам Sкр и Sc (площади критического и выходного сечения).

За счет регулирования площади критического сечения осуществляется согласование работы элементов ГТД (устойчивость, температура и т.д.), а регулирование площади выходного сечения дает высокую тяговую эффективность.

Однако, такая система регулирования как уже говорилось обладает повышенной сложностью и часто имеет достаточно большую массу, поэтому вплотную она стала внедряться в двигателестроение относительно недавно.

Реактивное сопло в авиации.

Сопла двигателей самолета F-15 Eagle. Левый в положении для запуска (форсажа), правый - максимал.

Значительно проще система однопараметрического регулирования. В этом случае между величинами Sкр и Sc устанавливается жесткая механическая связь (обычно это система тяг между створками). Непосредственному регулированию подвергается только Sкр, а выходное сечение устанавливается автоматически с помощью этой связи. Подобная система используется, например, на двигателе АЛ-21Ф-3.

Однако, подобный принцип регулирования ориентирован на выбор одного характерного дозвукового и одного сверхзвукового режима полета для получения наиболее выгодных характеристик. Он, к сожалению, не обеспечивает малых потерь в сопле на других режимах и может оказаться невыгодной для многорежимных самолетов.

Этот недостаток в некоторой степени может быть устранен применением уже упоминавшегося ранее «автофлюгирования» створок расширяющейся части сопла. В этом случае в системе управления створками устанавливаются зазоры, обеспечивающие створкам некоторый свободный ход под действием разности давлений на внутренней и внешней частях сопла.

Таким образом при недорасширении изнутри давление больше, чем снаружи и створки, выбирая зазор, приоткрываются и снижают потери от недорасширения. На режиме перерасширения все происходит наоборот.

Работа системы управления соплом (как, впрочем, вся система управления двигателем) автоматизирована. Автоматика на основании параметров работы двигателя (в основном обороты, температура, сопло), параметров полета и положения РУД и специально разработанной программы регулирования формирует управляющий сигнал и выдает его на исполнительный механизм, осуществляющий необходимое закрытие сопла.

Исполнительным механизмом являются гидроцилиндры (ГЦ), кинематически контактирующие со створками. Раскрытие сопла осуществляется обычно под давлением газовых сил со стороны потока при уменьшении давления в одной из камер ГЦ.

Программа регулирования разрабатывается из соображений получения максимальной эффективности сопла с сохранением устойчивой работы всего двигателя в целом и минимумом потерь на различных режимах. Там же заложены, в частности, различные аварийные команды. Например, раскрытие сопла при росте температуры (выше определенного предела) или отказе регулятора температуры.

Немного о конструкции регулируемого сопла.

Конструктивные особенности реактивных сопел зависят от их параметров и условий функционирования. Если сопло дозвуковое, нерегулируемое, то чаще всего оно выполняется в виде дополнительного сужающегося по определенному закону насадка в задней части двигателя или удиннительной трубы. Пример – двигатель ВК-1 для самолета МиГ-15, двигатель Р-95Ш – самолет Су-25, Д-30КП, ПС-90А.

Реактивное сопло в авиации.

Двигатель ВК-1 (самолет УТИ МиГ-15). Хорошо виден сужающийся насадок на конце удлиннительной трубы (сопло).

Реактивное сопло в авиации.

Двигатель Р95Ш (самолет Су-25). Сопло сужающееся неуправляемое.

Реактивное сопло в авиации.

Двигатель Д-30КП на самолете Ил-76. Виден сужающийся сопловой насадок.

Реактивное сопло в авиации.

Схема двигателя ПС90А-76. Сопло дозвуковое сужающееся.

Однако, современные дозвуковые сопла для турбовентиляторных двигателей с большой степенью двухконтурности без смешения потоков чаще всего имеют несколько иной вид. Это так называемые кольцевые сопла.

Такое сопло может давать ту же тягу, что и простое круглое сопло с такой же площадью выходного сечения и контуром сужения, геометрически подобным контуру сужения кольцевого сопла. Но при этом оно имеет меньшие продольные размеры, а значит и массу, что очень важно для общей эффективности двигателя.

Реактивное сопло в авиации.

Один из примеров сопловой части двигателя CFM-56B.

Реактивное сопло в авиации.

Схема расположения сопел ТВРД.

Реактивное сопло в авиации.

ТВРД без смешения потоков. Сопла разных контуров расположены отдельно.

Управляемые сопла Лаваля имеют достаточно сложную конструкцию. Сужающаяся и расширяющаяся части состоят из специальных так называемых створок (проставок, надстворок и т.д.), связанных между собой, корпусом двигателя и с управляющей системой кинематически, шарнирно и с помощью тяг.

Если сопло по своим продольным габаритам больше размеров мотогондолы (МиГ-29, Су-27, F-16, F-15, F-18 и др.), то существует обычно третий ряд створок (внешние регулируемые), один конец которых зажат в мотогондоле, второй шарнирно соединен с выходными створками. Когда выходные прикрываются, внешние изгибаются и образуют законцовочный контур оживальной формы, что уменьшает внешнее сопротивление выходного устройства (донное сопротивление).

Реактивное сопло в авиации.

Внешние створки управляемых сверхзвуковых сопел двигателей самолета F-18.

Иногда сверхзвуковые сопла еще называют двухрядными (сужающиеся – однорядные). Первый ряд створок (на сужении) служит для регулирования критического сечения сопла, второй ряд (на расширении) – для регулирования выходного сечения (степени понижения давления в сопле).

Например, управляемое сопло Лаваля ТРДФ АЛ-21Ф-3 состоит из 24-х створок, 24-х подстворок, 24-х проставок-створок и 24-х проставок-надстворок. Все эти элементы имеют специальные ребра и профили, шарниры и ограничители движения, демпферные пружины и т.д. Кроме того здесь же есть 24 корпуса шарниров крепления створок, 48 тяг надстворок.

Реактивное сопло в авиации.

Осесимметричное регулируемое сопло Лаваля на двигателе АЛ-21ф-3.

Реактивное сопло в авиации.

Управляемые сопла Лаваля двигателей АЛ-21Ф-3 на самолете Су-24М. Внешних створок нет.

Всей системой створок управляет силовое кольцо со специальными кронштейнами и роликами (24 штуки), опоясывающее сопло снаружи и передвигающееся в осевом (для двигателя) направлении. Ролики при этом воздействуют на профили створок, меняя тем самым их положение, а значит и диаметр сопла.

Кольцо приводится в движение силовыми гидроцилиндрами по сигналу от системы автоматического управления. Корпус цилиндров зафиксирован в корпусе форсажной камеры, конец штока – на силовом кольце.

Рабочее тело в ГЦ – керосин (как и в самой гидромеханической системе управления двигателем). Гидроцилиндров в этом двигателе шесть штук. Три из них (расположены под 120°) синхронизированы специальным гибким валиком. Это и есть вышеупомянутый исполнительный механизм.

Подобная же система, кстати, применялась еще на сужающихся управляемых соплах. Так, например, управляются сопла на АЛ-7Ф, Р-11, Р-13 и все вышеупомянутые. Программы управления конечно у них попроще и число цилиндров иное, но смысл тот же.

Реактивное сопло в авиации.

Сопло двигателя Р-13-300.

По аналогичным принципам (с некоторыми особенностями) сконструированы универсальные эжекторные сопла типа Д30Ф-6.

Немного о других функциях современных реактивных сопел.

Все вышеописанные реактивные сопла принадлежат к одному компоновочному типу, определяемому формой поперечного сечения. Они осесимметричные или, попросту говоря, круглые. Но кроме них известны сопла еще двух типов: прямоугольные (плоские) и так называемые пространственные, то есть с сечением произвольной формы (например, овал или многоугольник).

Наибольший интерес инженеров-экспериментаторов еще с начала 70-х привлекли к себе плоские сопла (в английском  2D nozzles). Интерес этот касался исключительной военной области, потому что сопло с такой формой сечения могло принести определенную выгоду именно для военных самолетов.

В этом плане были реальны и возможны к исполнению два варианта: изменение направления вектора тяги, что могло существенно повлиять на улучшение маневренности и ВПХ самолета и уменьшение его радиолокационной и инфракрасной заметности.

РЛ заметность снижается за счет максимально возможного согласования обводов сопла с другими элементами конструкции самолета, что крайне сложно сделать при использовании осесимметричного сопла. Кроме того в конструкции элементов реактивного сопла применяют специальные радиопоглощающие материалы (на самолете F-22, в частности).

ИК-заметность уменьшается путем правильного формирования соотношения ширины к высоте сопла и выходящей струи с целью понижения ее температуры. Управление вектором тяги на таком сопле производится по конструктивным возможностям только в вертикальной плоскости.

Реактивное сопло в авиации.

Первый образец самолета F-15 STOL/MTD. Двигатели с плоскими соплами.

Первым самолетом поднявшимся в воздух (конец 1988 г.) с такими соплами стал экспериментальный F-15 STOL/MTD (Short Take-off and Landing/Maneuvering Technology Demonstrator – модификация предсерийного TF-15A(F-15B)) с двигателями F100, оборудованными соплами 2D.  Изначально он использовался для тестирования возможностей взлета с укороченных (подразумевается разрушенных) ВПП.

Кинематическая схема такого сопла также позволяла легко реализовать систему реверса тяги. Для опытного F-15 это было сделано, причем направление реверсивной

Реактивное сопло в авиации.

Схема работы плоского сопла (F-22).

струи, так же как и тяги, можно было менять.

В дальнейшем на основании полученных результатов плоское сопло практически такой же схемы было установлено на двигателях  Pratt & Whitney F119-PW-100 самолета F-22 Raptor. Это сопло позволяет менять направление вектора тяги на +/- 20° от нейтрали со скоростью 30°/сек. Основной принцип этой конструкции виден на схеме.

Реактивное сопло в авиации.

Плоские сопла двигателей самолета F-22.

Реактивное сопло в авиации.

Работа двигателя Pratt & Whitney F119-PW-100 на стенде.

Кроме того сопла 2D были установлены на двигателях GE F404-GE-F102 – для самолета Lockheed F-117 Night Hawk и GE F118-GE-100 – для самолета Northrop B-2 Spirit.

Подобного рода работы велись и в России. В 1990 году серийный самолет Су-27УБ был переделан в летающую лабораторию ЛЛ-УВ(ПС) или Су-27ПС. На левом двигателе (АЛ-31Ф) было установлено плоское сопло разработки уфимского НПО «Мотор» с возможностью изменения направления вектора тяги и реверса.

Тогда было выполнено всего 20 полетов. Однако, результаты были получены хорошие, в частности значительное (в несколько раз) уменьшение ИК-заметности. Но отсутствие финансирования в 90-е годы помешало продолжить работы и довести их до логического конца.

Реактивное сопло в авиации.

Плоское сопло. Экспериментальный Су-27ПС.

Кроме описанных преимуществ плоские сопла имеют и характерные недостатки. Один из основных – это отсутствие всеракурсности. То есть изменено может быть положение только горизонтальных створок сопла, и, соответственно, направление вектора тяги может меняться только в вертикальной плоскости.

Однако, на двухдвигательном самолете в принципе есть возможность решения до некоторой степени этой проблемы путем использования устройств реверса в комплексе с разноразмерным перемещением створок сопел соседних двигателей. Такого типа эксперименты проводились на F-15 STOL/MTD. Были проверены возможности управления креном, тангажом и рысканием, а также торможением в полете. Результаты в целом оказались положительными.

Реактивное сопло в авиации.

Использование реверса на плоском сопле

Еще один недостаток – потери давления. Во-первых, за счет перехода от круглого сечения двигателя за турбиной и в ФК к прямоугольному в сопле, во-вторых, из-за интенсивного образования скачков уплотнения в сверхзвуковой части сопла (практически отсутствующего в идеальном сопле Лаваля).

Во время незавершенных испытаний плоского сопла для АЛ-31Ф потери составили от 14% до 17%. Однако согласно некоторым источникам, по результатам современных исследований российскихспециалистов при правильном проектировании эта цифра может составить только 5%.

Реактивное сопло в авиации.

Компоновка круглых и плоских сопел.

При этом, если учесть, что плоские сопла несмотря на свое большее собственное внешнее сопротивление по сравнению с осесимметричными соплами хорошо компонуются в хвостовой части фюзеляжа и тем самым ощутимо уменьшают это сопротивление, то и эти 5% могут быть снижены.

Но, пожалуй, главный недостаток плоского сопла – это масса. Такие сопла кроме растягивающих нагрузок (как осесимметричные) испытывают еще и изгибающие нагрузки. При этом обеспечение необходимой прочности и жесткости влечет за собой неизбежное увеличение массы всей конструкции. На самолете F-15 STOL/MTD оно составило 180 кг на каждый двигатель.

Единственным конкурентом плоского реактивного сопла в области управления вектором тяги и снижением заметности является все то же осесимметричное сопло, но только с опцией УВТ (управление вектором тяги).

При  этом, если принять во внимание, что низкая радиолокационная и ИК-заметность может терять свою привлекательность по мере достаточно быстрого развития средств обнаружения в системах ПВО, то можно сказать, что оно остается в выигрыше, потому что с управлением вектором тяги справляется не хуже, и даже лучше, чем плоское сопло.

В общем-то, экспериментальные работы по УВТ начались именно с круглыми соплами еще в первой половине 80-х. Позже в США (совместно с Германией) был построен самолета  Rockwell-Messerschmitt-Bölkow-Blohm X-31 по программе Enhanced Fighter Maneuverability, у которого направление тяги менялось при помощи трех специальных дефлекторов, устанавливаемых за круглым соплом ТРДФ General Electric F404-GE-400

Такая же конструкция была применена на самолете F-18, преобразованном в экспериментальный F-18HARV (High Alpha Research Vehicle). Это было действительно всеракурсное управление вектором тяги, но далекое от совершенства из-за большого сопротивления и чрезмерной массы. F-18HARV, например, получил перевес в 925 кг с необходимостью размещения балансировочных грузов в носовой части фюзеляжа.

Реактивное сопло в авиации.

Дефлекторы за соплом двигателя опытного самолета Х-31.

Реактивное сопло в авиации.

Экспериментальный самолет Х-31.

Реактивное сопло в авиации.

Экспериментальный самолет F-18HARV.

В дальнейшем проводились практические эксперименты по созданию цельноповоротного управляемого сопла. В такого типа реактивных соплах поворотный узел (шарообразный шарнир) размещался между корпусом форсажной камеры и самим соплом. В этом случае отклонение сопла осуществлялось только в одной плоскости. Ставка делалась на возможность модернизации таким образом обычного серийного двигателя.

В США это были двигатели P&W F100MPJM/BBN и GE F110GEATRV, оставшиеся, однако, экспериментальными. В начале 90-х они устанавливались на тот же самолет F-15 STOL/MTD, переоборудованный и получивший наименование NF-15B.

В России экспериментальный вариант сопла (НПО «Сатурн») устанавливался на серийный двигатель АЛ-31Ф (Су-27). Испытания начались с весны 1989 года на специально оборудованной летающей лаборатории ЛЛ-УВ(КС) на базе самолета Су-27 (Т10-26). В дальнейшем был разработан серийный вариант двигателя АЛ-31ФП с поворотным соплом.

Конструкция обуславливает поворот сопла только в одной плоскости (вертикальной) на углы +/- 15° со скоростью 15°/с и состоит из двух модулей: собственно сопла и поворотного узла. Гидроцилиндры привода узла поворота питаются от системы топливной автоматики двигателя (керосин).

В нейтральном положении ось сопла наклонена вниз на 5° для обеспечения прохождения  вектора суммарной тяги через центр масс самолета. Двигатели АЛ-31ФП устанавливались на самолет Су-37 (до закрытия программы) и управлялись в параллельных вертикальных плоскостях в одном направлении или дифференциально.

Реактивное сопло в авиации.

Поворотный узел сопла двигателя АЛ-31ФП.

Реактивное сопло в авиации.

Сопла двигшателя АЛ-31ФП развернуты друг к другу.

А на Су-30МКИ и Су-30СМ эти плоскости развернуты от продольной на 16° (общий угол 32°), что позволяет иметь еще и поперечную составляющую тяги и реализовать управляемость по всем трем осям (тангаж, крен и рыскание). Причем повернуты сопла именно друг к другу (а не наружу) для уменьшения донного сопротивления.

АЛ-31ФП – фактически первый отработанный двигатель с УВТ вышеописанного принципа в мире, доведенный до серийного выпуска. В дальнейшем были разработаны следующие двигатели, использующие аналогичный принцип УВТ: АЛ-41Ф для самолета МиГ 1.44 – не пошел в серию из-за закрытия проекта самолета; АЛ-41Ф1 (изделие 117) – для ПАК ФА Т-50; АЛ-41Ф1С (изделие 117С) – для серийных Су-35С.

Следующий этап в развитии реактивных сопел с УВТ – это сопла, в которых направление потока газа меняется отклонением только сверхзвуковой части. Такая система требует для своей работы меньше усилий, обладает меньшей массой и имеет больше возможностей для обеспечения всеракурсности отклонения сопла. Но при этом потери тяги из-за поворота потока могут быть выше, чем в цельноповоротном сопле.

У американцев этим вопросом уже традиционно занимались фирмы GE и P&W. GE разработала сопло AVEN (Axis-symmetric Vectoring Exhaust Nozzle) для серийного двигателя F-110-GE-100. В этой конструкции положение дозвуковых створок менялось силовым кольцом, приводимым в действие специальными приводами (силовыми цилиндрами).

Для сверхзвуковых створок имелось свое управляющее кольцо, приводимое от своих гидроцилиндров. Наклон этого кольца мог меняться за счет разной длины выдвигаемых штоков этих ГЦ. Таким образом менялось положение створок, а значит наклон всей сверхзвуковой части и ее выходной диаметр.

Реактивное сопло в авиации.

Сопло AVEN.

Реактивное сопло в авиации.

Экспериментальный самолет NF-16VISTA.

Реактивное сопло в авиации.

Самолет NF-15ACTIVE с поворотными осесимметричными соплами двигателей.

Реактивное сопло в авиации.

Схема действия сопла F100PYBBN. 1 - привод дозвуковых створок, 2 - привод сверхзвуковых створок.

Сопло AVEN было испытано на экспериментальном самолете NF-16VISTA (Variable-stability In-flight Simulator Test Aircraft), переоборудованном из серийного F-16D по программе MATV( Multi-Axis Thrust-Vectoring) в 1993-94 годах. Отклонение сопла составило 17° во всех плоскостях. Скорость отклонения 45°/с. При этом масса самолета увеличилась на 430 кг.

Сопло фирмы P&W с названием PYBBN (Pitch/Yaw Balance Beam Nozzles) было разработано так же для серийного двигателя PW F-100-229. Принцип отклонения сверхзвуковой части в нем в общем-то аналогичен соплу AVEN, различия чисто конструктивные.

В 1996 году это сопло было испытано на самолете NF-15ACTIVE (Advanced Control Technology for integrated Vehicles) в том числе и на сверхзвуковых скоростях (до 1,96М), а в дальнейшем и на  NF-16D VISTA. Величина всеракурсного отклонения этого сопла составила 20°, скорость отклонения – до 50°/с. Сопло оказалось достаточно удачным, с хорошей системой управления и существенно не увеличивающим массу самолета по сравнению с серийным двигателем.

Примерно в это же время в России было создано свое реактивное сопло с УВТ с поворотной сверхзвуковой частью. Оно разрабатывалось в НПО им. Климова (ныне ОАО «Климов») на базе обычного сверхзвукового сопла серийного двигателя РД-33 (МиГ-29). Первый образец нового сопла был изготовлен в 1997 году. Двигатель с УВТ получил название РД-133 и был использован на самолете МиГ-29ОВТ.

Реактивное сопло в авиации.

Двигатель РД-133 (сопло КЛИВТ).

Реактивное сопло в авиации.

Истребитель МиГ-29ОВТ.

Реактивное сопло в авиации.

Сопло КЛИВТ.

Сопло имеет наименование «КЛИВТ», аббревиатура с понятным смыслом – Климовский вектор тяги. Принцип изменения положения сверхзвуковой части такой же, как и у его зарубежных аналогов (в частности PYBBN), хотя конструктивное исполнение, конечно, свое.

Главное управляющее воздействие на сверхзвуковые створки реактивного сопла поступает со стороны силового кольца, отклоняемого тремя гидроцилиндрами, закрепленными на корпусе форсажной камеры под углами 120° друг к другу. Различная длина штоков как раз и формирует пространственное положение кольца относительно оси двигателя.

Сопло может отклоняться всеракурсно на углы в 15° со скоростью 60°/с. Стоит сказать, что масса двигателя РД-133 по сравнению с серийным РД-33 существенно не увеличилась. Конструкция сопла «КЛИВТ» практически без изменений была использована на двигателях разработки НПО “Салют” АЛ-31ФМ1/М2/М3 при исполнении их в варианте с УВТ.

Реактивное сопло в авиации.

Перспективный двигатель производства фирмы "Салют" АЛ-31ФМ1 с установленным всеракурсным поворотным соплом (типа КЛИВТ).

Для всех реактивных сопел с управлением вектором тяги характерен повышенный уровень утечек газа в местах сочленения подвижных частей. Для сопла двигателя типа АЛ-31ФП – это место сферического шарнира, для сопла типа «КЛИВТ» – место соединения дозвуковых и сверхзвуковых створок.

Эта проблема наряду с увеличением массы сопла с УВТ постоянно находится в разработке у конструкторов. Однако, даже при ее наличии внушительные положительные качества такого типа сопел неоспоримы.

Еще об одном типе устройств с УВТ.

Несколько слов об устройствах несколько иного назначения, однако напрямую связанных с изменением направления вектора тяги двигателя. Это выходные устройства подъемно-маршевых двигателей для самолетов с укороченной дистанцией взлета либо полностью вертикального взлета и посадки.

Если главное предназначение сопла с УВТ – повышение маневренности самолета, то выходные устройства двигателей самолетов УВВП помимо главной тяги в обязательном порядке создают подъемную силу (или дополнительную подъемную силу) для вертикального взлета или уменьшения длины разбега.

Иногда они бывают внешне мало похожи на сопла, хотя по своему предназначению таковыми являются. Реактивные сопла с УВТ обычно сверхзвуковые и регулируемые с углом отклонения вектора тяги 15°-16°. В выходных же устройствах самолетов ВВП он отклоняется на углы до 90° (и даже более до получения обратной тяги).

Что касается характеристик, то на самолетах старших поколений (типа Harrier и Як-38 (двигатель Р27В-300)) поворотные сопла дозвуковые и неуправляемые. Пространственное профилирование канала такого сопла может быть различным, обычно в соответствии с взаимной конфигурацией двигателя и самолета, от круглой до овальной или приближенной к прямоугольнику. Внутри канала для направления потока и уменьшения потерь из-за резкой смены направления могут устанавливаться дефлекторы.

Реактивное сопло в авиации.

Подъемно-маршевый двигатель Р27В-300.

Реактивное сопло в авиации.

СВВП Як-38. Сопла подъемно-маршевого двигателя отклонены "на подъем".

Количество таких сопел на двигателе может быть различным, все зависит от конструкции, параметров и назначения двигателя и самолета. При использовании на самолете двухконтурных двигателей могут быть отдельные сопла для первого и второго контуров, как это сделано на двигателе Rolls-Royce Pegasus, различные модели которого используются в качестве подъемно-маршевого двигателя для семейства самолетов Harrier.

Реактивное сопло в авиации.

Подъемно-маршевый двигатель. Четыре сопла с дефлекторными вставками.

Реактивное сопло в авиации.

Поворотное сопло (переднее) самолета семейства Sea Harrier.

На самолетах, появившихся относительно недавно, (типа Як-141 и F-35В) это уже управляемые осесимметричные сопла. На Як-141 устанавливался двигатель Р79В-300. Двухконтурный, с форсажем и сужающимся поворотным соплом с регулируемой площадью критического сечения. Максимальный угол поворота сопла 95°. Имеет возможность использования форсажа не только на горизонтальном, но и вертикальном режиме полета.

На самолете F-35В STOVL (Short Take-Off and Vertical Landing) установлен двигатель F135-PW-600 с отклоняемым до 95° регулируемым сужающееся-расширяющимся (сверхзвуковым) соплом.

На таких двигателях обычно тяга синхронизируется с углом поворота выходных устройств, для них регламентируется скорость поворота (не более 2 с – поворот на 90°) и предусматривается особая устойчивость двигателя при попадании горячих газов на вход в компрессор, что может вызвать как быстрый перегрев двигателя, так и нарушение его устойчивой работы.

———————–

Все… На этом, пожалуй, закончим. Надеюсь, что общее знакомство с темой «реактивное сопло» состоялось :-) . Статья получилась длинная, и тем не менее это всего лишь знакомство. Уж больно обширна эта тема… Впрочем, наверное, как и любая, относящаяся к авиации.

Спасибо, что дочитали до конца. До новых встреч.

В конце помещаю фото, не поместившиеся в тексте.

Реактивное сопло в авиации.

Самолет семейства Harrier AV-8. Сопла во взлетно-посадочном положении.

Реактивное сопло в авиации.

Подъемномаршевый двигатель Р79В-300. Сопло отклонено на угол 95 гр.

Реактивное сопло в авиации.

СВВП Як-141. Сопло двигателя отклонено на максимальный угол.

Реактивное сопло в авиации.

Сопло двигателя Р79В-300. Видны сочленения поворотного узла.

Реактивное сопло в авиации.

Укороченный взлет F-35В. Сопло отклонено.

Реактивное сопло в авиации.

Як-38. Сопла двигателя в полетном положении.

Реактивное сопло в авиации.

Управляемые сужающиеся сопла самолета Panavia Tornado.

Реактивное сопло в авиации.

Плоское сопло. Экспериментальный Су-27ПС.

Реактивное сопло в авиации.

Форсажная камера с реактивным соплом двигателя Р-29-300.

Реактивное сопло в авиации.

Эжекторные сопла двигателей на истребителе Rafale.

Реактивное сопло в авиации.

Сопла эжекторных двигателей Р15Б-300 самолета МиГ-25.

Реактивное сопло в авиации.

Старт самолета МиГ-31

Реактивное сопло в авиации.

Сопло двигателя АЛ-7Ф (самолет Су-7Б). Осматривает летчик-испытатель Пугачев В.Г.

Реактивное сопло в авиации.

Поворотное сопло двигателя на самолете F-35B.

{lang: 'ru'}
Вам было интересно? Расскажите об этом друзьям:
Приглашаю к общению:

No related posts.

This entry was posted in АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ and tagged . Bookmark the permalink.

24 Комментариев: Реактивное сопло в авиации.

  1. DeFormator говорит:

    Наверное стоило бы упомянуть и про способы уменьшения шумности…

    https://engineering.purdue.edu/~propulsi/propulsion/images/jets/basics/noise2.jpg

    • Юрий говорит:

      В общем да, конечно, можно было бы об этом написать подробнее (спасибо за ссылочку). Не написал, потому, что решил исходить из двух основных функций сопла – тяга и ее направление. Остальное вроде как добавка, так сказать “на сладкое”. К тому же объем статьи итак немаленький. Но думаю, что об этом напишу в рамках статьи о специальных устройствах для двигателя. То есть от ПЗУ и устройств защиты для воздухозаборников до устройств снижения ИК-заметности и шумности в том числе. Есть такая задумка, по крайней мере :-)

  2. Вячеслав говорит:

    Спасибо за прекрасную статью.

  3. Илья говорит:

    Каждый раз с нетерпением жду статьи от Вас.
    Огромное спасибо!

  4. Алекс говорит:

    Мда. Век живи век учись. Ни когда не думал, что сопло простое устройство. Но такое разнообразие…)
    Спасибо. Жду следующих Ваших работ.

  5. Владимир говорит:

    Спасибо!
    Как всегда, на высоте – полно, корректно, простым языком.

  6. Алексей говорит:

    Спасибо! Очень интересно. Доступно, понятно о непростом. Буквально на пальцах. В ВУЗе газодинамика казалась такой скучной..

  7. сергей говорит:

    Спасибо!!!

  8. Вадим говорит:

    Аабалдеть! Спасибо за великолепные статьи. Вы настоящий инженер и историк авиациии. Честно скажу что я такой-же. По призванию, – летчик служил в ВВС, летал и на СУ и на МИГах. Сейчас на пенсии – летаю на винтовой “мухе” Sessna 172. Куда без неба! Все, заболел… навсегда. Внимательно слежу за вашими публикациями, да и сам об это очень много знаю и узнаю до сих пор, в том числе и из ваших статей. У вас прекрасный лаконичный слог и великолепное (понятное всем, даже чайникам)изложение темы. Готов помочь и поучаствовать как-то, чем-то, я много знаю в том числе и реальных ситуаций…

  9. Вадим говорит:

    Сейчас я руковожу экспедициями Русского географического общества на Баренцевом море, уже 11 лет этим занимаюсь, ну и летаю параллельно, когда время есть – для Вас – http://www.youtube.com/watch?v=WNvfVmuNUXU конечно это сказка, это не реалии авиации, про реалии авиации пообщаемся надеюсь?…

  10. Вадим говорит:

    Поймите почему я так переживаю при общении с вами – я пилот, я на голову больной авиацией, тем более что видел там что обычному человеку даже в голову не придет… И тут ваш сайт – как спасение, как интеллектуальный разговор специалиста со специалистом. Ничего подобного по глубине и тонкости разбора темы я в интернете ни от одного автора не читал…

  11. HZ66 говорит:

    Развенчание мифа о том, что на F-35В используется сопло от Як-141.

  12. марк говорит:

    Статья действительно хорошая, но поскольку для меня выходное устройство является одно из самых непонятных узлов двигателя, то пользуясь возможностью, не могу не задать вопросы.
    С начало придирки по мелочам:
    1) правильно ли я понял, что в статье под термином «давление» по умолчанию понимается «статическое давление».
    2) термин «всережимный» и «многорежимный» это одно и тоже?
    3) термин «флюгерные» и «автофлюгерные» это одно и тоже?
    4) термин «эжектируемый воздух» и «вторичный воздух» это одно и тоже?
    5) По контексту можно понять, что двигатель с «усложненным» эжекторным соплом (сопло Лаваля с эжектором) может лететь быстрее 2,3-2,4 М. Но это, наверное, не так. Выигрыш по сравнению с нерегулируемым соплом Лаваля дает большую эффективность в более широких диапазонах скоростей и высот полета, а также простоте конструкции включая управление. Если сравнивать с регулируемым соплом Лаваля, то выигрыш лишь в простоте конструкции включая управление.
    Сейчас о моей проблеме, которая касается физического процесса создания тяги соплом: В литературе внятного ответа пока не нахожу, поэтому вся надежда на вас или пользователей сайта. Главная задача реактивного сопла как бы понятна – создать выходной импульс (т.е. тягу). Но каким образом? В сверхзвуковой части сопла я еще могу представить логику – расширяющийся поток газов расширяясь и ускоряясь отталкивается от расширяющейся (конусной) стенки сверхзвуковой части сопла, толкая его в противоположную сторону (т.е. создавая тягу). Но конкретно в дозвуковом реактивном сопле сужение создает лишь противодавление на входе в сопло, а значит перед турбиной, и камерой сгорания, и так вплоть до компрессора (короче в турбогенераторе ТРД). Получается реактивное дозвуковое сопло (оно же, как составная часть сверхзвукового сопла) само по себе тягу не увеличивает, а лишь влияя на турбокомпрессор, увеличивает тягу в компрессоре и возможно (я не уверен) в камере сгорания. Таким образом, в каких-то пределах уменьшая проходное сечение дозвукового сопла (если оно регулируется) можно получить некоторое увеличение тяги двигателя в целом, не добавляя подачи топлива. Хотя топливо хотя бы немного придется добавить, чтобы преодолеть затяжеление турбокомпрессора (тяжелее вращать компрессор). Кажется, я совсем запутался.
    В связи с этим мне также не совсем ясна картина о том, за счет чего увеличивается тяга в эжекторном сопле. То что за счет дополнительного расширения газа это понятно. Дополнительно получается, что жидкий контур (граница сверхзвукового потока с вторичным воздухом) давит через слои вторичного потока на внешнюю сужающуюся стенку дозвуковой части сопла. Может ли эжекторное сопло работать на земле и на дозвуковых скоростях полета? Здесь я наверное глубоко копнул. Может быть по этим вопросам иммеется хорошая литература, чтобы нетратится на обяснения основопологающих вещах.
    Кончаю, и так получилось не кратко.

    • Юрий говорит:

      1. В основном да; 2. Одно и то же; 3. Одно и то же; 4. В статье нет понятия “вторичный воздух” (насколько я знаю :-) ), в т.ч. применительно к эжекторным соплам. 5. Тем не менее это так. На больших числах М летают самолеты с эжекторными соплами (МиГ-25, МиГ-31). Такое сопло более выгодно по сравнению с соплом Лаваля, так как имеет меньшие размеры и массу. При чем речь именно об управляемом сопле. Другое применено быть не может из соображений устойчивой совместной работы турбокомпрессора (вторая основная функция сопла, если не главная).
      О проблеме… Вы и не найдете в литературе внятного ответа. Причина в том, что нецелесообразно в общем случае заниматься физическим смыслом образования тяги сложного ВРД. Этим и не занимаются, разве что косвенным образом при разработке отдельных узлов проточной части. Конечно, понятно, что в физическом смысле тяга двигателя – это равнодействующая осевых усилий давления по тракту двигателя. Но никто не занимается почленным нахождением тяги для каждого узла. И я этого не делаю, нет смысла. Тяга определяется на основании вычисления изменения количества движения (импульса) массы газа, отделяющегося от двигателя, как цельного предмета.
      Неверно говорить, что задача сопла “создать выходной импульс”. Сопло не создает импульс. Импульс создает весь двигатель, а сопло, как его внутренний агрегат, лишь формирует условия для увеличения этого импульса (сам по себе импульс будет и без сопла).
      Если все-таки говорить о физическом смысле, то уменьшение критического сечения сопла конечно увеличивает силу противодействия (створки), однако ведь меняется и распределение давления по тракту, и в итоге равнодействующая сил давления (тяга) имеет нужное направление и величину. Показать это точно и наглядно, как я уже говорил практически нереально. С эжекторным соплом, кстати, то же самое. Внешние створки в зависимости от режима полета и работы двигателя имеют разное положение, воспринимая, соответственно, разное давление….

  13. марк говорит:

    Да, слово «вторичный» это у меня с другого источника перекочевало.
    С соплами становится понятнее, но как говорится, чем глубже в лес, чем больше дров.
    Не совсем понятно, какие сопла на сегодняшний день являются самыми продвинутыми (в смысле скоростными)? «усложненные» эжекторные сопла (сопла Лаваля с эжектором) или управляемые всережимные сопла Лаваля (не важно, одно или двухпараметрического регулирования). Вить на больших скоростях эжекция практически отключается. Тогда за счет чего сопла Лаваля с эжектором способны лететь быстрее, чем всережимные сопла Лаваля (превышая 2,4 М). Или оба вида этих сопел могут превышать 2,4 М. Но тогда какие не могут?
    Что касается тяги сопла, меня тут осенила, что расширяющиеся газы в сопле давят также и на затурбинный конус. Получается, что часть затурбинного конуса (поверхность диаметром не превышающий площадь в минимальном сечении сопла) дает нам тяговую компоненту. Но, наверное, затурбинный конус уже не относится к соплу.
    Еще непонятность: Если на выходе дозвукового нерегулируемого сопла всегда атмосферное давление (статическое), то зачем нужна удлинительная труба (например, на ВК-1). Вить лишняя масса и габариты. Может для сглаживания пульсаций, выравнивания потока. Аналогично на турбовентиляторных двигателях с раздельным истечением – наружный контур можно же сделать гораздо короче?

    • Юрий говорит:

      1. Оба могут…. Просто при использовании их в конструкции двигателя-самолета возникают нюансы. Для сверхзвукового сопла величина выходной скорости потока (а значит тяги) зависит от соотношения площадей критического и выходного сечений. Для классического сопла Лаваля большая площадь выходного сечения может быть достигнута либо, если расширяющаяся часть короткая, либо длинная с большими створками. В первом случае вероятен отрыв потока от стенок и большие потери тяги, во втором – большие габариты, масса и сложность конструкции. Поэтому классическое сопло не позволяет разогнаться до большого сверхзвука классическим же аппаратам – самолетам, хотя теоретически конечно может это сделать. Эжекторное сопло Лаваля лишено этих недостатков, что позволяет двигателю создать большую тягу для разгона до большого же сверхзвука. Однако, у него есть свои минусы, связанные с разрывом сверхзвукового контура, что может вызывать ощутимые потери на больших скоростях, поэтому на больших скоростях происходит постепенное превращение эжекторного сопла в классическое и более совершенное сопло Лаваля (неиспользование эжекции, если конечно это предусмотрено конструкцией).
      2. Примерно это я и имел в виду, хотя не только конус конечно…
      3. Здесь дело не в давлении, а в конструкции двигателя и аэродинамическом сопротивлении. ВК-1 имеет центробежный компрессор, поэтому диаметральные габариты его достаточно велики и диктуют диаметр фюзеляжа. Для обеспечения малого волнового сопротивления фюзеляжа и плавного перехода от диаметра компрессора к диаметру хвостовой части (сопло) применена удлинительная труба. У двигателей с осевым компрессором такой проблемы нет.

  14. марк говорит:

    Про ВК-1 понял.
    Про тягу немного ещё по рассуждаю. Значит площадь выходного дозвукового (звукового также) сопла подобрано (рассчитана) так, чтобы обеспечить оптимальную работу двигателя в целом, т.е. обеспечить оптимальную согласованность между различными элементами двигателя (в основном между компрессором, турбиной, камерой сгорания…), устойчивость и надежность работы (в первую очередь на крейсерском (расчетном) режиме). В результате получаем двигатель с большой тягой и относительно малым расходом топлива (особенно на крейсерском режиме). Само выходное устройство также немного участвует в создании тяги, я имею в виду в основном тот самый затурбинный конус. Само сопло (не сверхзвуковое) връатли толкает двигатель. Я где то читал, что в основном толкает компрессор и камера сгорания. Кстати затурбинный конус (как и все остальное в двигателе) имеет оптимальную конусность. Если конус выполнить слишком тупым, то расширяющиеся газы не смогут компенсировать разрежение получающиеся вследствие движения газов с приличной скоростью. Если конус выполнить слишком острым, то будет повышенное трение (увеличится поверхность контакта газов со стенкой) и масса. Иногда длина конуса, который переходит в трубку, выходит за срез сопла. Как я понимаю, это чтобы выводить (вернее высасывать) в атмосферу воздушно газовые (испарения масла) смеси из внутренних полостей двигателя. Про конус наконец закончил. В продолжении о соплах, я слышал, что, например, на выставках иностранцы, измерив рулеткой диаметр выходного сопла (скорее всего речь идет о дозвуковом или звуковом сопле), и введя его в вычислительную программу получали все параметры (характеристики) двигателя, конечно принимая осредненные КПД и т.д. Думаю это вполне реально. Это я к тому, что сопло не менее важная часть двигателя, чем компрессор, камера сгорания, турбина. Хотя, без сопла какая-та тяга была бы всё равно.
    Что касается скоростных возможностей сопел, то тут я «завис». Фраза вашего ответа «Эжекторное сопло Лаваля лишено этих недостатков» вызывает у меня вопрос: Каким образом лишено? Может быть за счет того, что масса обечайки существенно меньше (и проще) чем у створок. Я скорее всего не до конца понимаю эжекторные сопла Лаваля. В чем же «фишка».

    • Юрий говорит:

      1. Да, про тягу примерно так. Это называется расчетный режим работы, хотя двигатель работает не только на нем. 2. Про иностранцев с рулеткой не слышал, но это вероятно. Сопло конечно важная часть двигателя, особенно многорежимного (истребительная авиация). 3. Лишено недостатков из-за наличия разрыва сверхзвукового контура (жесткого, как в классическом сопле), что позволяет избежать отрыва потока от стенок (их нет, их заменяет граница взаимодействия потоков) при достаточно короткой выходной части с большим выходным диаметром (что не делает сопло массивным)…

  15. Mark говорит:

    1. Но на больших скоростях разрыв сверхзвукового контура закрывается (или значительно прикрывается), и сопло по сути превращается в сопло Лаваля (или близкое к нему). Или не так? Или не когда до конца не закрывается, и это является решающим фактором?
    2. Ещо хотел уточнить (из статьи, там где говорилось про перерасширение): скачки уплотнения и волны разрежения это одно и тоже?

    • Юрий говорит:

      1. Да, закрывается. Потери от разрыва контура и использования устройств эжекции становятся слишком велики. Переход на классическое сопло становится более выгодным. 2. По сути одно и то же, только с “обратным знаком”. Скачки – тоже волны, только давления..

  16. марк говорит:

    Как я понимаю, классическое сопло Лаваля на скоростях выше 2.4 М будит иметь слишком большую массу. В свою очередь сопло Лаваля с эжекцией (другими словами с разрывом сверзвукового контура) на тех же скоростях (выше 2.4 М) не имеет столь острых проблем с массой при условии, что закрыт разрыв сверхзвукового контура (т.е. нет эжекции). Тогда чем отличаются классическое сопло Лаваля от варианта сопла Лаваля с эжекцией на М > 2.4. И почему изначально нельзя классическое сопло Лаваля сделать таким, какое становится сопло Лаваля с эжекцией при М>2.4.

    • Юрий говорит:

      Дело же не в скорости (2,4, больше или меньше), а в соотношении критического и выходного диаметров, от которого напрямую тяга зависит, а значит и возможность разгона. Классическое сопло при соблюдении необходимого соотношения и, тем самым с предпосылками для создания большой тяги будет либо большим и тяжелым, либо с большими потерями из-за отрыва потока от стенок. Поэтому вначале для быстрого разгона (от трансзвука до умеренного сверхзвука) может быть выгодным эжекторное сопло, как более легкое и простое. Но после для дальнейшего разгона оно может стать невыгодным из-за возросших потерь и поэтому трансформируется в классическое сопло, хоть и с меньшим соотношением вышеупомянутых диаметров (тяги уже достаточно для дальнейшего разгона). Это самое меньшее соотношение нежелательно использовать на разгоне (изначально), так как будут уменьшены тяговые возможности. Но надо понимать, что все это описание общего случая. Цифра 2,4 – это не параметр (!), а всего лишь примерная оценка нынешних аппаратов. Очень многое зависит от параметров двигателя (расход, температура и др.) и планера самолета. Сейчас достаточно примеров тех самых “больших и тяжелых” классических сопел, которые в сочетании в сочетании с классными двигателями компенсируют свои недостатки. Самолет же, как известно, сплошное сочетание противоположностей….

  17. марк говорит:

    Число 2,4 конечно усредненное величина, это понятна. Просто я его прикладывал, чтобы было понятнее о каких скоростях идет речь, иначе мало ли что можно подумать под словами большие или маленькие скорости.
    Про сопла начинает доходить. Немного смущает фраза «тяги уже достаточно для дальнейшего разгона», ну да ладно. Можно ли сказать, что классическое сопло Лаваля и эжекторное сопло имеющие одинаковые соотношения площадей в критическом и выходном сечениях (и однотипные двигатели, самолет и т.д.) на больших скоростях (М>2,4) имеют одинаковую эффективность. Дело лишь в том, что сопло с эжекцией более быстро (более эффективно) может достичь большой скорости (М>2,4) за счет преимуществ связанных с эжекцией (на М<2,4), а классическое сопло Лаваля примерно выше 2,4 Маха слишком медленно набирает скорость, так медленно, что на практике даже не имеет смысла этого делать (но теоретически может). Правильно я рассуждаю?

    • Юрий говорит:

      ну, в общем, да. Последнее предложение не очень… Корявое :-) … Просто классическое сопло не обладает полной универсальностью в широком диапазоне скоростей полета. Однако, оно имеет свои преимущества, также как эжекторное недостатки. В зависимости от условий применяется та или иная схема.

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

*

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>