Плоские сопла

Одним из достоинств плоских сопел является возможность обеспечения их многофункциональности при меньшем, чем у осесимметричных сопел количестве конструктивных элементов: регулирование проходных сечений сопла, отклонение вектора тяги и реверсирование тяги могут обеспечиваться одними и теми же элементами, что приводит к экономии веса. Конфигурация такого сопла на основных режимах работы иллюстрируется рисунком 2-20 [8]. Представляет интерес особенность использования направляющих лопаток, размещенных на поверхности самолета. Помимо реверсирования тяги они обеспечивают отклонение вектора тяги относительно продольной оси сопла на режиме прямой тяги, что позволяет при заходе на посадку иметь малую реактивную силу, действующую в продольном направлении. После касания поверхности ВПП максимальная реверсированная тяга обеспечивается путем перекладки направляющих лопаток за время, существенно меньшее, чем при традиционном законе перехода с режима прямой тяги на режим реверса.

Хвостовая часть самолета, оснащенного плоскими соплами, имеет большую омываемую поверхность, чем при осесимметричных соплах, что в первую очередь связано с большим периметром прямоугольника при равной с кругом площади (рис.2-21), причем это соотношение зависит от формы прямоугольника (отношения ширины b к высоте h).

Некоторое представление о влиянии особенностей конфигурации хвостовой части сверхзвукового самолета на коэффициент ее сопротивления дает рис. 2-22 [2]. При дозвуковых скоростях полета сопротивление плоских сопел несколько меньше, чем осесимметричных, что связано главным образом с более благоприятным их сочетанием с сужающимся к хвосту фюзеляжем самолета. При сверхзвуковых скоростях, когда влияние краевых эффектов уменьшается, течение становится близким к плоскому на значительной части поверхности сопел, и их сопротивление превышает сопротивление осесимметричных сопел.

Возможности использования особенностей плоского сопла в компоновке спарки сопел иллюстрирует проект доработки хвостовой части самолета Дженерал Дайнемикс F-111. В этом проекте рассматривался вариант с включением (интеграцией) плоского сопла с клиновидным центральным телом в конструкцию хвостовой части самолета (рис. 2-23…2-25) [7].

Вариант традиционной (то есть консольной) установки сопла на двигателе требует соответствующих весовых изменений как для двигателя, так и для конструкции плоской форсажной трубы. Экраны форсажной трубы должны поддерживаться внутри их собственных наддутых гондол, имеющих частично некруглое сечение, требующее особой конструкции, чтобы сохранить «квадратную» форму канала и поддерживать клиновидное центральное тело. Веса оболочки двигателя и его подвески должны быть увеличены, чтобы воспринимать маневренные нагрузки более тяжелого консольного сопла, а также уравновешивать нагрузки при отклонении вектора тяги (ОВТ). В таблице на рис.2-24 приводится результат весового анализа двух вариантов сопел в размерности двигателя Практт-Уитни TF-30.

Схема сопла, объединенного с фюзеляжем, хорошо подходит для компоновок с двумя близко расположенными двигателями. При этом кормовая часть проектируется как единая конструкция, чтобы поддерживать единую наддутую оболочку форсажной камеры, сохранять форму прямоугольного канала и уравновешивать нагрузки, действующие на центральное тело.

В этом варианте интерес представляет модификация схемы подвески горизонтального оперения, по которой консоли оперения устанавливаются на единой оси, проходящей внутри клиновидного центрального тела. Конструктивно кессонная балка, смонтированная поперек клиновидного центрального тела, внутри него, обеспечивает прямой и эффективный путь передачи нагрузок от горизонтального оперения на фюзеляж, образует отсек для силового привода сопла, обеспечивает поддержание панелей центрального тела и механизма, состоящего из системы тяг. По грубым оценкам разработчиков для такого сопла появляется возможность продления панелей обшивки на некоторых участках планера, что позволит уменьшить вес конструкции фюзеляжа, по приближенным оценкам, на 322 кг. В варианте, показанном на рис.2-25, увеличение веса силовой установки, вызванное центральным телом, составляет 404 кг на самолет (не считая системы ОВТ и реверса тяги), одновременно достигается снижение веса конструкции крепления горизонтального оперения (476 кг на самолет). По существу, в весе пустого самолета F-111 изменений нет (-73 кг на самолет). Однако, центр тяжести самолета сместился назад на 96 мм. Чтобы сохранить продольное статическое равновесие таким же, как на немодифицированном самолете, требуется 306 кг балласта в районе ниши носового колеса. Это приводит к увеличению веса пустого самолета на 233 кг [7].

Особенности компоновки плоских сопел на многорежимных сверхзвуковых самолетах видны на фотографиях самолетов Локхид F-22 и Нортроп YF-23 (рис. 2-26). Сопла этих самолетов различаются по конфигурации: на F-22 применено суживающееся-расширяющееся сопло, на YF-23 несимметричное плоское сопло с вытянутой нижней панелью, обеспечивающей экранировку внутренних элементов двигателя со стороны нижней полусферы (для уменьшения опасности поражения наземными средствами ПВО). На рис. 2-27 схематично представлены проекты сопел, разработанные компанией Дженерал Электрик для экспериментальных вариантов самолетов Локхид YF-22 и Нортроп YF-23 [8]. На дополнительном участке сопла (на схемах не показан) предусмотрена зубцеобразная задняя кромка сверху и снизу, в соответствии с углами по контуру самолета, что способствует условию снижения радиолокационной незаметности самолета (см. раздел 3 ).

На рисунках 2-28 …2-29 показаны, соответственно: узлы плоских сопел, изготовленные для тех же самолетов компанией Пратт-Уитни ; внешний вид макета двигателя Пратт-Уитни F-119 с плоским соплом [8].

Плоское сопло, проходившее испытание в составе двигателя АЛ-31Ф на самолете-летающей лаборатории Су-27УБ, показано на рис. 2-30 [9].

Рис. 2-13. Иллюстрация особенностей распространения реверсированных реактивных струй [6] Рис. 2-14. Ковшовое реверсивное устройство самолета Торнадо

Рис. 2-15. Изменение скорости, на которой выключают реверс тяги, и прироста температуры на входе в двигатель при изменении режима его работы [6] Рис. 2-16. Зависимость скорости, на которой выключают реверс тяги, от поперечного угла отклонения реверсированной струи (c – располагаемый перепад давления в сопле) [6]

Рис. 2-17. Примеры разнонаправленных решеток реверсивных устройств.

Рис. 2-18. Местная температура воздуха вблизи элементов конструкции при реверсировании тяги (F1, F2, F3 – точки замера температуры вблизи киля; N1, N2, N3 – вблизи сопла; R1, R2 – вблизи руля направления; T1, T2, T3 – вблизи стабилизатора; W1 – вблизи колеса) [6] Рис. 2-19. Индуцированное влияние реверсированной реактивной струи на подъемную силу, сопротивление и момент тангажа самолета Торнадо [6]
а) Заход на посадку	б) Реверс тяги	в) Режим прямой тяги	г) Отклонение вектора тяги
Рис. 2-20. Схема плоского сопла, проходившего испытание на самолете F-15 S/MTD – демонстраторе технологий высокой маневренности [8]
Рис. 2-21. Соотношение периметров круглого и прямоугольного сечений при их одинаковой площади Рис. 2-22. Сравнение внешнего сопротивления хвостовой части в компоновке спарки осесимметричных и плоских сопел [2]

Рис.2-23. Схема плоского сопла, объединенного с конструкцией планера [7] Рис. 2-24. Результаты комплексного весового анализа варианта плоского сопла в размерности двигателя Пратт-Уитни TF-30, объединенного с конструкцией планера [7]
Рис.2-25. Модификация хвостовой части самолета F-111 под плоское сопло и конструктивные особенности модифицированной хвостовой части [7]
Рис.2-26. Самолеты Локхид F-22 и Нортроп YF-23 в полете.
Рис. 2-27. Проекты сопел Дженерал Электрик для Локхид YF-22 (слева) и для Нортроп YF-23 (справа) [8]
Рис. 2-28. Корпуса плоских сопел компании Пратт-Уитни, изготовленные для самолета Локхид YF-22 (слева) и Нортроп YF-23 (справа). Они имеют одинаковые переходные участки от круглого сечения к прямоугольному (фото наверху). Эти участки хорошо видны также на нижних фото, перед модулями, содержащим боковые стенки сопел [8]	Рис. 2-29. Макет двигателя Пратт-Уитни F-119 с плоским соплом. Рис.2-30. Плоское сопло на летающей лаборатории Су-27УБ [9]