воздухозаборник

Рис. 1. Дозвуковые воздухозаборники.

воздухозабо́рник (ВЗ) — элемент летательного аппарата, предназначенный для подвода из атмосферы к двигателю воздуха с параметрами, обеспечивающими высокую эффективность силовой установки по тяге и расходу топлива при её минимальном сопротивлении аэродинамическом и надёжной (без помпажей двигателей и ВЗ) работе. ВЗ подразделяют в зависимости от диапазона скоростей полёта летательного аппарата на дозвуковые и сверхзвуковые, а в зависимости от конфигурации — на осесимметричные, плоские (с прямоугольным поперечным сечением) и др.

Дозвуковой ВЗ (рис. 1) включает коллектор и диффузор. Коллектор 1 (I—I), иногда с автоматически открывающимися окнами 2 для впуска воздуха, предназначен для обеспечения безотрывного втекания воздуха в канал при взлёте и маневрировании летательного аппарата. Диффузор 3 с малым углом раствора позволяет улучшить сопряжение коллектора с гондолой 4 двигателя для уменьшения аэродинамического сопротивления. За диффузором ВЗ до воздушно-реактивного двигателя может быть канал почти постоянного поперечного сечения по длине и нередко криволинейный. ВЗ вертолётов выполняются часто с пылезащитным устройством 5. Очистка воздуха осуществляется на криволинейном участке канала 6 за счёт центробежного эффекта. Концентрат пыли удаляется из ВЗ по трубопроводу 7.

Сверхзвуковой ВЗ (рис. 2) включает сверхзвуковой диффузор — участок для торможения и сжатия сверхзвукового потока и дозвуковой диффузор 6, расположенный за «горлом» (наиболее узкое сечение F_r канала). Обечайка 2 выполняется тонкой для уменьшения волнового сопротивлении гондолы. Сжатие потока в сверхзвуковом диффузоре осуществляется в системе скачков уплотнения, образованной специально профилированной обечайкой и клиновидным телом 1 у плоских ВЗ или конусообразным центральным телом у осесимметричных ВЗ. Идеальный принцип сжатия (при изоэнтропическом течении) используется редко и только для отдельных участков сверхзвукового диффузора с тем, чтобы не увеличивать длину и массу ВЗ. (В СССР первые работы по теории сверхзвуковых ВЗ выполнены Г. И. Петровым и Ю. Н. Васильевым.) Клиновидное, и конусообразное тела имеют в зоне перехода сверхзвукового течения в дозвуковое отверстия 7 для отсоса пограничного слоя с целью предотвращения срыва потока. Сверхзвуковые диффузоры бывают двух типов: с внешним (до обечайки) сжатием потока (рис. 2, а) и со смешанным сжатием, когда сверхзвуковой поток простирается до горла (рис. 2, б). ВЗ второго типа могут быть с принудительным «запуском», то есть с кратковременным увеличением площади F_r при восстановлении нарушенного расчётного течения, или автозапускаемые — со сливом из канала избыточного при «запуске» воздуха через отверстия 7. ВЗ смешанного сжатия при Маха числах полёта М_∞ > 2 эффективнее ВЗ внешнего сжатия, но они предпочтительны для летательного аппарата с ограниченной манёвренностью. Число скачков уплотнения в диффузоре выбирается в зависимости от значения M_∞; при внешнем сжатии — до 3—4 косых и замыкающий (близкий к прямому), при смешанном сжатии — более 4 косых и замыкающий (рис. 2).

Сжатие воздуха в ВЗ с увеличением скорости полёта возрастает и, наряду со сжатием воздуха компрессором газотурбинного двигателя, является фактором, определяющий термический коэффициент полезного действия силовой установки летательного аппарата. При M_∞ > 3 степень повышения давления в ВЗ высокая (22—28), что позволяет создавать воздушно-реактивный двигатель без компрессора (прямоточный воздушно-реактивный двигатель).

Трение и возможные срывы потока в тракте ВЗ, а также сжатие воздуха в скачках уплотнения приводят к снижению коэффициента восстановления полного давления η, возрастанию степени турбулентности ε и неравномерности σ поля полного давления перед воздушно-реактивным двигателем. Снижение η приводит к уменьшению тяги и увеличению удельного расхода топлива двигателя. Увеличение ε и σ снижает запасы газодинамической устойчивости двигателя (см. Устойчивость гидродинамическая). Характеристики ε и σ улучшаются, если за диффузором расположен канал 5. Для обеспечения высокой эффективности на всех режимах полёта ВЗ выполняется с элементами, автоматически регулируемыми в зависимости от значения M_∞, так называемого приведённого расхода воздуха G через газотурбинный двигатель, углов атаки и скольжения летательного аппарата. Регулируется площадь горла F_r: у осесимметричных ВЗ — продольным перемещением центр, тела, у плоских ВЗ — поворотом поверхностей диффузоров (изменением углов υ₁, υ₂, υ₃). На старте и до скоростей, соответствующих числу M_∞ = 1—1,4, F_г максимальна, при дальнейшем увеличении скорости полёта она уменьшается. Регулирование F_r нередко дополняется регулированием площади F_c для слива части воздуха из канала в атмосферу через окна 4. С целью улучшения характеристик на режимах взлёта ВЗ выполняется с автоматически открывающимися окнами 3 или с отклоняемой обечайкой 2. Иногда для упрощения конструкции ВЗ выполняется нерегулируемым с заведомо худшими характеристиками.

При рассогласовании положения регулируемых элементов ВЗ с режимом работы газотурбинного двигателя система скачков уплотнения в диффузоре нарушается. При этом возможные положения замыкающего скачка уплотнения ограничены: при его смещении по потоку (увеличение G или F_c) — возрастанием возмущений ε и σ в канале до неприемлемого для заданного газотурбинного двигателя уровня, а при смещении против потока (уменьшение F_с или G) — появлением признаков помпажа ВЗ, недопустимого для эксплуатации летательного аппарата [низкочастотных (3—15 Гц) автоколебаний потока в канале].

Приемлемые для эксплуатации режимы ВЗ зависят от особенностей так называемой дроссельной характеристики ВЗ ν = Ψ(f) (f = F/F₀ — коэффициент расхода воздуха через газотурбинный двигатель, F₀ — геометрическая площадь входного сечения ВЗ, F — площадь струи воздуха, попадающей в ВЗ), определяемой совместно с характеристиками ε и σ при испытании модели ВЗ в аэродинамической трубе (рис. 3). Рабочие значения ν_p выбираются с учётом зависящего от коэффициента f аэродинамического сопротивления ВЗ при обеспечении необходимых противопомпажных запасов ВЗ и газотурбинного двигателя. Для этого используется совокупность дроссельных характеристик ВЗ с различным положением органов механизации (различными значениями F_r, F_c).

Места расположения ВЗ на летательном аппарате различны. Важно, чтобы в ВЗ не попадали следы аэродинамические с пониженным полным давлением от впереди расположенных элементов летательного аппарата, а значение и направление местной скорости были благоприятны. Типичные места расположения ВЗ на дозвуковых летательных аппаратах — в лобовой части гондол, укреплённых на пилонах под крылом и на хвостовой части фюзеляжа, а на сверхзвуковых летательных аппаратах — под крылом или по бокам фюзеляжа на расстоянии h (рис. 2) от поверхности летательного аппарата, необходимом для предотвращения попадания пограничного слоя в ВЗ. При компоновке ВЗ на летательном аппарате прорабатываются вопросы снижения вероятности повреждения газотурбинного двигателя попадающими в канал с грунта случайными предметами.

Литература:
Абрамович Г. Н., Газовая динамика воздушно-реактивных двигателей, М., 1947;
Нечаев Ю. Н., Федоров Р. И., Теория авиационных газотурбинных двигателей, ч. 1—2, М., 1977—78.

А. В. Николаев.

Рис. 2. Сверхзвуковые воздухозаборники.

Рис. 3. Дроссельная характеристика сверхзвукового воздухозаборника.