книги из ГПНТБ / Аксентьев С.Т. Сопла ракетных двигателей учеб. пособие
.pdf- 60 -
Рис. 2.13.
Комом и Беделок [l3 J было получено эмпирическое урав
ние, позволяющее определять давление отрыва <pl потока от
стенки сопла: |
„ |
• :piifb~aMp?/p»)"' |
1глг- |
По этому уравнению для различных значений К были построены кривые (рис.2.14), а проведенные эксперименты под твердили удовлетворительное описание характера отрыва урав нением (2 . 47) .
Физическая же картина рассматриваемого явления состои в следующем.
Основной поток, который в расширяющейся части сопла является сверхзвуковым, как известно £ l J , можеа? быть затор можен до величин Pi только в системе скачков уплотнения.
- 61 -
kk
OA
0.7
¥
-
о
0,4
a?.
D,I 0 w» 40 60 so iao i2o № tea i&a щю 220 гчо 2во fcjfa
РИС. 2.1*.
Такие скачки (обнчно косые иди близкие по форме к
образуются в точке отрыва пограничного слоя от стенки соп За поверхностью косого скачка образуется застойная зона, к распространяется от стенки к оси сопла на некоторую глуби Эта зона характерна тем, что течение в ней носит ярко в ный турбулентный характер. Давление в застойной зоне плавн
нарастает от величины отрыва p i до давления окружающей
среды рн * По мере удаления от стенки сопла интенсивно
турбулентности ослабевает,и на границе застойной зоны основн
поток, отклоненный косым скачком внутрь сопла, движется о
которой скоростью 1^с'< Щ0* При этом потери в скорости
«определяютсяп . firуглом скачка^/ ^<Х.«SjLjи углом поворота потока 8а s| { г М )
А А . с<Ц°< I
6Z
Потери в скорости неизбежно приводят к уменьшению коэф
фициента тяги сопла /С с , а соответственно и величины тяги. В реальных соплах, если отрыв пограничного слоя происх дит у среза сопла и скачок не входит далеко в сопло, велич
потерь, вызванных отрывом пограничного слоя, не превышает
5 * 8 £ . Однако возможность возгшювенкя отрывного течения в сверхзвуковой части сопла заставляет весьма осторожно подхо
дить к выбору степени уширения сопла.
Правильный ьыбоп степени уширения сопла ~fc для за
данной зтепеяя расширения потока рк/рц и требуемого значе
ния Кс может быть произведен, например,с помощью графиков полученных в работе ГЧ1и показанных на рис. 2.15 ,
Ifi l,S 2ft 3 Н $в7ЯЗЮ |
\5 20 30 ЦО 506OWIO ] с |
Ржс.2.15.
- 63 -
Анализ затих графиков позволяет .сделав несколько'важны
выводов:
1 . На практике оптимальный коэффициент тяги сопла Кс
соответствует расчетному режиму работы сопла рс*ря . Он см
щен в сторону более коротких сопел (кривые |
изменения Кс в |
зависимости от j - c в районе оптимума имеют |
малую кривизну) |
2. Этот оптгмум не соответствует полному расширению газ
всопле*
3.С увеличением потерь в сопле потребная длина сверх звуковое части, позволяющая сохранить расчетный режим, ревко возрастает.
Из этих выводов следует,что с точки врения уменьшени
игабаритов сопла без существенного ухудшения его рабочих х
рактеристик можно рекомендовать укороченные по сравнению с оптимальными сопла. Укорочение сопла Также умевьпает опасно отрыва пограничного сдоя от стенки при работе его на режи неглубокого перерасяшрения.
§ 2.5. Взаимодействие,реактивной струи с внешним потоком
В условиях полета в плотных сдоях атмосферы необходимо учитывать сложный эффект взаимодействия между истекающей из сопла струей газа и внешним, обтекающим летательный аппаратвоздушным потоком. Этот эЛхрект взаимодействия состоит в то на границе раздела потоков образуется "вязкий" пограничный с вызывающий торможение реактивной струи.
Помимо этого,большое различие в термодинамических и
- 64 ~
ф^з!2ко-химических характеристиках взаимодействующих потоков приводит к интенсивному эиергоыассообмену менду ними .
Перечисленные факторы вызывают появление дополнительных
.сопротивлений, сникающих скорость полета, увеличивающих нагрев ХВРСТОВОЙ части корпуса летательного аппарата и т.д.
Вопрос взаимодействия реактивной струи и внешнего набе гающего потока де настоящего времени с достаточной полнотой не исследован, все жеуже сейчас можно рассмотреть некоторые особенности такого взаимодействия, которые необходимо учиты вать прн конструировании сопла и его компоновки с кормовой частью корпуса летательного аппарата.
Рассмотрим оба нерасчетных ренина работы сопла,посколь ку именно они вызывают наибольшие потери в тяге.
I . Режим перерасширения
э
Известно,что при работе сопла на режиме перерасширения давление на срезе сопла оказывается меньше давления окружаю щей среды. Это приводит к появлению в кормовой части летатель ного аппарата застойных зон с пониженным давлением (рис.2.16).
Рис. 2.16.
" 65 —
Наличие застойных зон за корыой вызывает появление та называемого донного сопротивления.
Под донным сопротивлением, возникающим за срезом соплар понимают силу сопротивления полету, связанную с возникновением застойных зон пониженного давления в кормовой части летатель го аппарата.
Физическая сущность донного сопротивления состоит в то 'но в режиме перерасширения реактивная струя не в состоянии заполнить все располагаемое сечение выходной части сопла. О очень неустойчива и при больших степенях нерасчетное» легко отрывается от стенок сопла.
Величина донного сопротивления может быть определена уравнения;
где d FCTp - кольцевая площадь незаполненного газовой струей выходного сечения сопла.
Уравнение (2.49) и график (рис.2-17)/12 J показывают,что
наличие донного сопротивления приводит к уменьшению тяги дв гателя и одновременно к увеличению лобового сопротивления ле тательного аппарата.
На величину донного сопротивления существенное влияние оказывает согласование выходной площади сопла с кормовой частью летательного аппарата.
- 66 -
1.0 |
2р |
3,0 |
Цр |
|Ч„ |
Рис. 2.17.
На рис.2.18 показаны несколько вариантов возможного
Рис. 2.18.
- 6? - Схеиы а) и б) показывают, что больше углы расширения
сопла ( а ) и крутой скос хвостовой части фюзеляжа (б) при водят к увеличению Донного сопротивления и таким образом у личивают опасность наступления отрыва потока от стенок соп Небольшие утлч расширения (в) н большая донная площад сопла (с) снижают опасность возникновения отрыва потока от
нок сопла.
Схема i d ) иллюстрирует отрыв потока от стенок н вхо
скачка внутрь сопла.
Проведенные исследования показывают, что тщательное со
ласование сопла с обводами кормовой части фюзеляжа позволя снизить донное сопротивление примерно на I5J&,что эквивален уменьшение расхода топлива в камеру двигателя примерно на
2. Режим недорасширевиа
В этом случае взаимодействие между струей и внешним токам сказывается на величине лобового сопротивления летат ного аппарата.
Физическая модель такого взаимодействия имеет следующ вид (рис. 2.19).
Ыедорасширенная газовая струя, выходя из сопла, продол жает двигаться в окружающем пространстве, расширяясь, • свое внешней границей как бы продолжает контуры сопла.
При этом между поверхности) корпуса и внешней границей газовой струи образуется пространственный внутренний тупой угол АСБ.
- 68 -
Рже. 2.19.
При обтекании внутреннего тупого угла сверхзвуковым набегающим потоком в месте его перегиба образуется J( - об разный скачок уплотнения.
Наличие этого скачка приводит к перераспределению дав ления и скорости в пограничном слое. Если интенсивность
Д - образного скачка невелика, то результатом этого пере распределения будет некоторое утолщение пограничного слоя, хотя профиль скорости в нем изменяется незначительно (рис.2.Т9
Сростом скорости набегающего потока, интенсивность
Д- образного скачка возрастает,и при достижении некото
рого критического значения Мои„ интенсивность Д -образного скачка становится настолько большой, что пограничный сдой
- 65 -
отрывается от поверхности кормовой части фюзеляжа (риз.2.19 Лобовое сопротивление донного среза соответственно уменьшает Уменьшение лобового сопротивления в стой случае можно объяс тзм, что косой скачок в точке отрыва более пологий, чем пр безотрывном течении, а оторвавшийся пограничный сдой, заполн внутренний угол,, образует более плавное сопряжение корпуса с внешней границей недорасширенлой газовой струн.
Рассеяние яедорасширеяной газовой струи вя. очень большо высоте затрудняет охлаждение частей конструкции,чеходяшихся в зоне действия высокотемпературного потока. Кроме того, медор ширенная газовая струя ухудшает прохождение злектромагиитны сигналов, посылаемых с земля на кормовые антенны.
Как показала исследования, рассеяние яедорасширеяной га зовой струи более резко выражено в конических Соплах, чем профилированных. ~