3. Сверхзвуковые входные воздухозаборники

При сверхзвуковых скоростях полета торможение воздушного потока осуществляется с помощью сверхзвуковых диффузоров в скачках уплотнения. Применяя диффузоры специальной формы, можно осуществлять ступенчатое торможение сверхзвукового потока с помощью системы косых скачков уплотнения. При этом потеря полного давления определяется числом скачков и их интенсивностью.

По числу скачков и их интенсивности сверхзвуковые воздухозаборники (диффузоры) подразделяются на следующие виды:

- с прямым скачком уплотнения на входе;

- с системой скачков на входе (n косых + замыкающий прямой скачок);

- с изоэнтропическим сжатием.

В воздухозаборниках с системой скачков последний скачок может быть не прямым, а косым, но при этом «сильным», чтобы за скачком поток был дозвуковым. На рис. 8 сильные косые скачки отвечают верхним ветвям кривых, лежащих выше максимумов, причем фронт сильного косого скачка располагается по отношению к набегающему потоку под углом не менее 60^о. Толок при этом условии за косым скачком можно получить дозвуковую скорость.

3.1. Воздухозаборники с прямым скачком уплотнения на входе

В таком диффузоре процесс преобразования сверхзвукового потока в дозвуковой, происходит через прямой скачок уплотнения. Такие диффузоры применяются при небольших сверхзвуковых скоростях полета (М < 1,5 – 1,7), поскольку в этом диапазоне скоростей потери в скачке невелики, при этом коэффициент восстановления давления достаточно высок.

Коэффициент восстановления давления в прямом скачке уплотнения можно определить по зависимости

где давление торможения перед скачком и за скачком, соответственно; λ₁ – безразмерная скорость набегающего потока.

Из этой зависимости следует, что при М₁ < 1,5 ÷1,7, имеем σ_пр = 0,9 ÷ 0,93.

К оэффициент восстановления давления для рассматриваемого диффузора можно определить как

σ_д =σ_пр· σ_д.зв ,

где σ_д.зв – коэффициент восстановления давления расши-ряющейся части дозвукового диффузора.

Коэффициент σ_д.зв опреде-ляется расчетом, или по результатам эксперимента.

С целью уменьшения потерь давления в дозвуковом канале воздухозаборники с прямым скачком на входе выполняются с малыми углами раскрыва и острыми входными кромками (рис.19).

Расположение прямого скачка относительно входа, а также режимы работы зависят от числа М полета и расхода воздуха через двигатель.

При фиксированном М полета изменение расхода воздуха может быть осуществлен за счет изменения противодавления на выходе из диффузора.

При расчетном противодавлении на выходе из диффузора, скачок уплотнения возникает в плоскости входа (рис.19 а). В этом случае расход воздуха максимальный (φ = 1).

П ри противодавлении больше расчетного, прямой скачок перемещается вперед по потоку и превращается в головную ударную волну (рис.19 б). В этом случае расход воздуха умень-шается, коэффициент рас-хода φ<1, волновое сопротивление растет, следо-вательно, эффективность диффузора снижается.

Однако следует учиты-вать, что в этом случае за головной ударной волной находится область дозвуко-вого течения, поэтому возникает подсасывающая сила, создающая дополнительное сопротивление.

Расчетная схема дополнительного сопротивления приведена на рис. 20.

Площадь сечения трубки тока F_o в свободном потоке можно определить по известному расходу воздуха через двигатель, воспользовавшись уравнением

.

Зная условия течения в невозмущенном потоке, можно вычислить значения полного давления р_о1 и числа Маха М₁ непосредственно за прямым скачком уплотнения. Применение соотношений, определяющих изоэнтропическое течение на участке между ударной волной и входом в двигатель. При известной площади входа F₂ дает возможность вычислить число Маха на входе в двигатель по формуле

Статическое давление на входе определяется зависимостью

Величину добавочного сопротивления можно рассчитать по выражению

.

Если противодавление меньше расчетного, то в плоскости входа скорость потока сверхзвуковая и равна скорости набегающего потока. В этом случае в расширяющемся канале скорость потока возрастает и в итоге внутри канала возникает скачок уплотнения (рис.19 в). В этом случае расход воздуха максимальный. Эффективность диффузора будет ниже, чем на расчетном режиме, вследствие увеличения потерь давления в скачке.

При возникновении углов атаки относительно геометрической оси диффузора в полете, эффективность диффузоров с прямым скачком на входе снижается, при этом потери давления возрастают, а расход воздуха снижается. В области положительных углов атаки эффективность диффузора может быть повышена за счет косого среза в плоскости входа. Однако нужно учитывать, что по опытным данным, в области отрицательных углов атаки в диффузоре с косым срезом потери возрастают.