1. Сверхзвуковые входные устройства внутреннего сжатия.

Входное устройство (воздухозаборник) внутреннего сжатия представляет собой профилированный канал, вначале сужающийся, а затем расширяющийся, напоминающий сопло Лаваля.

Схемы течения в воздухозаборнике внутреннего сжатия представлены на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Схемы течения в воздухозаборнике внутреннего сжатия на режимах:

а – критическом, б – докритическом, в - сверхкритическом

В идеальном случае, т. е. при изэнтропическом торможении сверхзвукового потока и при отсутствии пограничного слоя, оно работает следующим образом. В сужающейся (сверхзвуковой) части канала происходит торможение сверхзвукового потока в волнах сжатия бесконечно малой интенсивности, и на расчетном режиме в наименьшем сечении канала г – г, называемом «горлом», скорость достигает скорости звука. Далее в расширяющейся (дозвуковой) части канала происходит дальнейшее торможение дозвукового потока.

Следовательно, идеальный воздухозаборник с внутренним сжатием работает как обращенное сопло Лаваля. Параметры потока в нем изменяются непрерывно, а потери полного давления отсутствуют.

В реальном воздухозаборнике возникает пограничный слой на стенках, быстро нарастающий по длине канала. Если бы профиль канала в сверхзвуковой части имел изломы для образования косых скачков уплотнения, то при их взаимодействии с пограничным слоем был бы возможен отрыв потока от стенок канала и нарушение расчетной схемы течения. Для сохранения расчетной картины течения воздухозаборники с внутренним сжатием должны иметь плавный контур и перфорированные стенки для отвода пограничного слоя.

Помимо указанных трудностей, связанных с чрезмерным влиянием пограничного слоя, основным препятствием на пути практического применения воздухозаборников этой схемы является сложность вывода их на расчетный режим. Этот процесс получил название запуска.

Для выяснения особенностей запуска сверхзвуковых воздухозаборников с внутренним сжатием определим потребную для его работы относительную площадь горла.

Относительной площадь горла называется, когда . Для этого случая:

.

Как видно, оптимальная площадь горла, потребная для того, чтобы затормозить сверхзвуковой поток от до , тем меньше, чем выше числоМ, так как при возрастании величинаснижается.

Полученный результат имеет простое физическое объяснение: с увеличением числа М полета возрастает и повышается плотность воздуха в горле, что приводит к необходимости уменьшения его площади. Именно такое регулирование надо иметь у воздухозаборника, чтобы обеспечить необходимую пропускную способность горла при различных числах М полета.

Представим себе теперь, что горло рассчитано на какое-либо заданное число М полета. Тогда при уменьшении числа М полета, даже очень незначительном, горло оказывается недостаточным для того, чтобы пропустить всю струю потока, имеющую площадь . При этом перед плоскостью входа возникает головная волна. Так как за головной волной устанавливается дозвуковое течение, поверхность тока в дозвуковом потоке имеет возможность принять такую форму, при которой площадь становится меньше площади и соответствует полной пропускной способности горла.

Если теперь увеличить число М полета до его расчетного значения, то головная волна хотя и приблизится к плоскости входа, но не исчезнет: из-за значительных потерь полного давления в головной волне пропускная способность горла не сможет достигнуть своего расчетного значения. Следовательно, расчетная схема сечения не восстановится и воздухозаборник не запустится. Коэффициент у «незапущенного» воздухозаборника будет на уровнедля прямого скачка, коэффициент расхода станет меньше единицы, а тяга двигателя с таким воздухозаборником значительно снизится по сравнению со значением, соответствующим расчетной схеме течения воздуха в воздухозаборнике.

Для восстановления расчетной схемы течения, т.е. для осуществления запуска воздухозаборника, его горло должно быть выполнено регулируемым. Вначале оно должно быть увеличено до таких размеров, чтобы головная волна на входе исчезла, т.е. чтобы вся струя воздуха, имеющая площадь смогла пройти через горло. В этом случае скорость воздуха в горле станет сверхзвуковой, так как новое меньшее сужение сверхзвукового участка канала будет недостаточным, чтобы затормозить поток до скорости звука. Переход к дозвуковой скорости будет теперь осуществляться в интенсивном скачке уплотнения, который появится за горлом. Далее нужно вновь уменьшить площадь горла до ее расчетного значения и тем самым устранить сильный скачок внутри воздухозаборника, только после этого будет достигнута расчетная схема течения. Это требует создания быстродействующих автоматических систем изменения площади горла при запуске и связано со значительным усложнением конструкции воздухозаборника.

Если число М полета будет увеличено по сравнению с расчетным, то площадь горла окажется большей ее потребного значения для данного числа М полета. Тогда степень сужения канала будет недостаточной для того, чтобы в горле получить . Скорость в горле останется сверхзвуковой. Переход к дозвуковой скорости в этом случае произойдет за горлом в скачке уплотнения, близком к прямому. После скачкапоток станет дозвуковым. Потери в скачкеприведут к снижению полного давления за воздухозаборником на величину, пропорциональную коэффициентуэтого скачка.

На режим течения воздуха в воздухозаборнике с внутренним сжатием оказывает влияние также его дросселирование, которое при испытаниях изолированного воздухозаборника осуществляется перемещением дросселя, а в системе двигателя изменением режима работы.

Режим работы воздухозаборника, при котором возникает сверхзвуковая зона и скачок уплотнения за горлом, принято называть сверхкритическим; режим, соответствующий расположению скачка в горле – критическим, а режим с головной волной на входе и дозвуковыми скоростями в канале – докритическим. Практический интерес для воздухозаборников внутреннего сжатия представляют сверхкритические режимы, так как только на этих режимах они могут работать устойчиво и с высокими значениями коэффициента .

Потери полного давления у реального воздухозаборника внутреннего сжатия в общем случае могут быть вызваны следующими причинами:

- наличием пограничного слоя и трением воздуха о стенки;

- перерасширением горла, приводящим к возникновению скачка уплотнения в горле;

- снижением противодавления по сравнению с его оптимальным значением, приводящим к перемещению скачка вниз по потоку и к возрастанию его интенсивности;

- наличием потерь в системе скачков, образующихся до горла, если торможение сверхзвукового потока не является чисто изэнтропическим.

Требование регулирования площади горла для запуска воздухозаборников внутреннего сжатия связано с необходимостью разработки и создании специальных, весьма сложных конструкций. Поэтому воздухозаборники внутреннего сжатия не нашли пока практического применения на сверхзвуковых летательных аппаратах.