единице, весьма незначительны, так что с достаточной степенью приближения околозвуковые явления можно рассматривать как изоэнтропические.

Прямоточный реактивный двигатель

Рис. 13. Прямоточный реактивный двигатель:

1 – сверхзвуковой диффузор (воздухозабор); 2 – форсунки; 3 – камера сгорания; 4 – сверхзвуковое сопло

Простым примером одномерного потока с прямым скачком уплотнения служит проточная часть прямоточного реактивного двигателя (ПРД) (рис. 13). Назначение сверхзвукового диффузора заключается в превращении кинетической энергии потока, вошедшего внутрь двигателя, в давление, необходимое для повышения интенсивности горения топлива. При сверхзвуковом движении образуется прямой скачок уплотнения. Оптимальным было бы расположение его в горлеII диффузора (см. рис 13).В самом деле, в этом случае набегающий сверхзвуковой поток будет замедляться в сужающемся канале (на участкеI–II), перейдет скачком в дозвуковой поток и, оказавшись далее в расширяющемся канале (II–III), будет продолжать замедляться, восстанавливая давление.

Вдействительности же картина выглядит иначе. При сверхзвуковом полете возникает отошедшая головная волна, имеющая прямолинейный участок, который можно рассматривать как прямой скачок. Наличие его на входе резко уменьшает КПД двигателя. Осуществим следующую оценку. Пусть скорость аппаратаw > a₁,   давление в набегающем потокеР₁,   давление в камере сгорания   Р'₂.   Предполагая сначала процесс протекания воздуха сквозь камеру сгорания изоэнтропическим (т. е. без скачка) и пренебрегая малой скоростью движения воздуха в камере, получим:

Если   М₁= 2,   получим сжатие воздуха в камереР'₂/ P₁ = 1,8 ^3,5  8. На высотеH= 10 км   давление составляетР₁= 0,26 ата   в камере сгорания при   М = 2   (что соответствует скорости самолета   2160 км/ч   на высоте 10 км);   при изоэнтропичности торможенияР'₂= 2 ата.   Такое повышение давления хорошо отразилось бы на работе двигателя. Но в действительности изоэнтропическое движение не осуществляется: образуется ударная волна (или скачок), вызывающая потери энергии. Поэтому, согласно рис. 12, давление в камере будет составлятьР'₂= P₂₀ = 0,75 · P₁₀ = 0,75 · 2 = 1,5 ата,   т. е. 75% от давления при изоэнтропическом торможении. Разница будет еще больше при большем   М.   Так, при   М₁= 3   давление в камере составит 35%, а при М₁= 5  – всего 5%.

Для сохранения эффекта повышения давления необходимо приближать процесс восстановления давления к изоэнтропическому, т. е бороться с образующимся перед входом в двигатель скачком уплотнения. Это достигается путем замены тупого носка тела постепенно расширяющейся «иглой» (рис. 14), н

Рис. 14. Расширяющаяся игла:

скачки: 1 – косые; 2 – прямой

а поверхности которой в сверхзвуковом потоке образуются слабые скачки со сравнительно малыми углами.  При этом, как видно из ранее выведенных формул, потери механической энергии (благодаря наличию у числа Маха   М₁множителяsin будут снижаться. Отметим, что число косых скачков будет определяться числом изломов поверхностей, на которых происходит торможение.

Т

Рис. 15. Фронты скачков в игле

еоретически при бесконечном увеличении числа изломов и, следовательно, бесконечно большем количестве бесконечно слабых косых скачков можно получить изоэнтропическое торможение потока. Геометрическое профилирование такой иглы (рис. 15) должно сводиться, к тому, чтобы фронты скачков касались входной кромки воздухозаборника (в этом случае игла не будет оказывать влияние на внешний поток).

Кроме того, плоскость прямого скачка должна располагаться в минимальном сечении воздухозаборника, так как скорости за прямым скачком – дозвуковые и этот дозвуковой поток будет дальше, в расширяющемся канале, тормозиться. Это будет расчетный режим. Тяга при этом будет максимальной, поскольку происходит наилучшее восстановление полного давления.