реактивное сопло

Схемы регулируемых реактивных сопел.

реакти́вное сопло́ — выходной канал реактивного двигателя, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в его кинетическую энергию. Путём регулирования минимальной площади Р. с. F_* (см. рис.) достигается высокоэффективная работа расположенных перед ним элементов двигателя (газогенератора, форсажной камеры и др.). Течение в Р. c. должно происходить с минимальными потерями для получения максимальной тяги двигателя. Для достижения высоких лётных характеристик летательного аппарата на всех режимах полёта требуется точное согласование внутреннего контура Р. с. с внешними обводами силовой установки. Поэтому необходимо осуществлять не только указанное регулирование площади F_*, но и регулирование площади F_c выходного сечения Р. с.

С помощью Р. с. в ряде случаев управляют значением и направлением вектора тяги (см. Управление вектором тяги), реверсируют тягу, (см. Реверсивное устройство) и уменьшают шум, выходящий из Р. с. газовой струи. Конструкция Р. с. должна быть работоспособной при высокой температуре, обеспечивать герметичность и иметь малую массу.

Р. с. могут быть разделены на два типа: суживающиеся, в которых площадь поперечного сечения по длине уменьшается, и суживающиеся — расширяющиеся (типа Лаваля сопла), в которых площадь поперечного сечения по длине сначала уменьшается, а затем увеличивается. Их также различают по форме проходных сечений: круглые, кольцевые, прямоугольные («плоские») и др. Выбор формы сопла определяется многими факторами, главными из которых являются: рациональная (с наименьшим внешним сопротивлением) компоновка на летательном аппарате, возможность управления вектором тяги, снижение уровней ИК излучения, шума и т. п. Контуры Р. с. для уменьшения гидравлических потерь стремятся выполнить плавными. В этом случае потери обусловлены в основном тернием, и в первом приближении течение газа в Р. с. можно рассматривать изоэнтропическим и одновременным. В Р. с. с большими углами суживающейся и расширяющейся частей, при наличии угловых точек в его контуре, а также в Р. с. неосесимметричной формы течение нельзя считать одномерным. В этом случае возникают также газодинамические потери (например, в скачках уплотнения), определение которых возможно лишь в результате двух- и трёхмерных расчётов течения Р. с.

Истечение из суживающегося-расширяющегся сопла при больших степенях понижения давления ( = /p_н, где  — полное давление газа перед соплом, p_н — давление в окружающей среде) происходит таким образом, что в выходном сечении Р. с. давление p_c не связано с давлением в окружающей среде и зависит только от , площадь выходного сечения F_с и формы сопла. Различают три режима истечения: расчётный — при p_c = p_н; перерасширение газа в сопле — при p_c < p_н; недорасширение — при p_c > p_н. Так как величина с увеличением скорости (Маха числа полёта M_∞) растёт от 2—3 при M_∞ = 0 до 20—25 при M_∞ = 3, то очевидно, что нерегулируемые Р. с. (F_c/F_* = const) лишь при одном значении работают на расчётном режиме. На всех остальных режимах имеются потери тяги, связанные с нерасчётностью истечений.

В большинстве случаев стенки регулируемых Р. с. двигателя выполняются из набора створок, которые имеют прямолинейные образующие — сужающаяся и расширяющаяся части представляют собой усечённые конусы, плавно соединяющиеся в окрестности минимального сечения сопла. В связи с этим, кроме указанных гидравлических и газодинамических потерь тяги, а также потерь из-за нерасчётности истечения возникают потери на непараллельность потока в выходном сечении сопла (потери на рассеивание потока) и потери, связанные с негерметичностью стенок и соединений в конструкции сопла (потери на утечки газа). В лучших образцах регулируемых Р. c. потери на утечки не превышают 5%.

Уровни потерь тяги в Р. c. на различных режимах работы двигателя описываются рядом коэффициентов, важнейшими из которых являются коэффициент тяги сопла _с и коэффициент эффективной тяги сопла

,

где P_c = ∫(p + ρv²)dF – p_нF_с — действительная тяга сопла, равная разности импульса на выходе из сопла и силы противодействия окружающей среды; P_ид = m_сv_ид — идеальная тяга сопла; v_ид — идеальная скорость истечения, соответствующая изоэнтропическому расширению газа от давления до давления p_н; m_c — масса газа, проходящего через сопло в 1 с, x_c — сила внешнего сопротивления сопла (кормовой части силовой установки);  = P_c/P_ид. Значения _с для лучших регулируемых сопел равны 0,97—0,98.

Наиболее распространёнными схемами регулируемых Р. c. являются суживающиеся-расширяющиеся с непрерывным контуром и разрывом контура. Прорабатываются конструкции сопел с центральным телом и плоские. Показанные на рисунке схемы а и б иллюстрируют возможность независимого механического регулирования минимального и выходного сечения суживающегося-расширяющегося сопла и сопла с разрывом контура. Наличие «жидкой стенки» c у сопла с разрывом контура (б), сопла с центральным телом (в) и плоского сопла с односторонним внешним расширением (г) обеспечивает автоматическое аэродинамическое регулирование выходного сечения сопла (положение «жидкой стенки» зависит от ). Регулирование площади минимального сечения сопла в схеме сопла с центральным телом возможно либо путём осевого перемещения центрального тела, либо путём прикрытия обечайки, для чего конструкция её должна быть створчатой. В плоском Р. с. наиболее просто реализовать отклонение вектора тяги с помощью верхней створки, которая может быть одновременно дефлектором или закрылком крыла, что способствует повышению аэродинамического качества.

Масса конструкции сверхзвукового Р. с. с непрерывным контуром составляет примерно 10% массы двигателя.

Л. И. Соркин.