Введение

Последовательный форсажный аппарат (или форсажная камера на британском английском) – это дополнительный компонент сгорания, используемый в некоторых реактивных двигателях, преимущественно на военных сверхзвуковых самолетах. Его назначение – увеличение тяги, как правило, для сверхзвукового полета, взлета и боевых действий. Процесс форсажа заключается в впрыске дополнительного топлива в камеру сгорания в реактивном сопле позади (то есть "после") турбины, что приводит к "повторному нагреву" выхлопных газов. Форсаж значительно увеличивает тягу как альтернатива использованию более мощного двигателя с неизбежным увеличением веса, но за счет повышенного расхода топлива (снижения топливной эффективности), что ограничивает его применение короткими периодами времени. Данное применение "форсажа" в авиации отличается от значения и реализации "форсажа", применяемого к газовым турбинам, приводящим в действие электрогенераторы, и направленного на снижение расхода топлива. Реактивные двигатели называют работающими "с форсажем", когда форсажная камера включена, и "без форсажа", когда она выключена. Двигатель, развивающий максимальную тягу "с форсажем", работает на максимальной мощности, а двигатель, развивающий максимальную тягу "без форсажа", – на военной мощности.

Принцип

Первым реактивным двигателем с форсажной камерой был вариант E Jumo 004. Тяга реактивного двигателя основана на принципе реактивного движения Ньютона, в соответствии с которым двигатель создает тягу, увеличивая импульс воздуха, проходящего через него. Тяга зависит от двух факторов: скорости истечения газов и массы газа, выходящего из сопла. Реактивный двигатель может увеличить тягу либо за счет ускорения газа до более высокой скорости, либо за счет выброса большей массы газа. Конструирование базового турбореактивного двигателя, основанное на втором принципе, приводит к созданию турбовентиляторного двигателя, который создает более медленные газы, но в большем объеме. Турбовентиляторные двигатели отличаются высокой топливной эффективностью и способны обеспечивать высокую тягу в течение длительного времени, однако их конструкция имеет компромисс в виде больших размеров по отношению к выходной мощности. Увеличение мощности с использованием более компактного двигателя на короткие периоды времени достигается за счет использования форсажной камеры. Форсажная камера увеличивает тягу главным образом за счет ускорения выхлопных газов до более высокой скорости. Приведенные ниже значения и параметры относятся к раннему реактивному двигателю Pratt & Whitney J57, находящемуся на земле, и иллюстрируют высокие значения расхода топлива в форсажной камере, температуры газа и тяги по сравнению с показателями двигателя, работающего в пределах температурных ограничений для его турбины. Наивысшая температура в двигателе (около ) достигается в камере сгорания, где топливо сгорает со скоростью примерно в относительно небольшой доле воздуха, поступающего в двигатель. Продукты сгорания необходимо разбавлять воздухом из компрессора, чтобы снизить температуру газа до определенного значения, известного как температура газа на входе в турбину (TET), обеспечивающего турбине приемлемый ресурс. Необходимость значительного снижения температуры продуктов сгорания является одним из основных ограничений на величину создаваемой тяги. Сжигание всего кислорода, подаваемого компрессорными ступенями, создало бы температуры, достаточно высокие, чтобы значительно ослабить внутреннюю структуру двигателя, но смешивание продуктов сгорания с несгоревшим воздухом из компрессора при значительном количестве кислорода (отношение топлива к воздуху 0,014 по сравнению со значением полного расхода кислорода 0,0687) позволяет сжигать большие объемы топлива в форсажной камере. Температура газа снижается по мере прохождения через турбину. Форсажная камера повторно нагревает газ, но до гораздо более высокой температуры, чем TET. В результате повышения температуры в форсажной камере газ ускоряется, сначала за счет теплового добавления, известного как течение Рэлея, а затем соплом до более высокой скорости истечения, чем без форсажной камеры. Массовый расход также незначительно увеличивается за счет добавления топлива в форсажной камере. Тяга с включенной форсажной камерой составляет . Видимый выхлоп может демонстрировать ромбические ударные волны, вызванные ударными волнами, возникающими из-за незначительных различий между атмосферным давлением и давлением выхлопных газов. Это взаимодействие вызывает колебания диаметра струи выхлопных газов на небольшом расстоянии и приводит к видимой полосатости, где давление и температура максимальны.

Увеличение тяги путем нагрева воздуха обхода

Тягу можно увеличить, сжигая топливо в холодном потоке воздуха обхода турбовентилятора, а не в смешанном потоке горячих и холодных газов, как в большинстве турбовентиляторов с форсажной камерой. Ранний турбовентилятор с увеличенной тягой Pratt & Whitney TF30 использовал отдельные зоны горения для потоков обхода и основных потоков, с тремя из семи концентрических распылительных кольцевых камер в потоке обхода. Для сравнения, Rolls Royce Spey с форсажной камерой использовал двадцатиканальный смеситель перед топливными коллекторами. Горение в плановой камере (PCB) частично разрабатывалось для двигателя Bristol Siddeley BS100 с управляемым вектором тяги для Hawker Siddeley P.1154, пока программа не была отменена в 1965 году. Холодный поток воздуха обхода и горячий поток основных газов разделялись между двумя парами сопел – передними и задними – аналогично Rolls Royce Pegasus, и топливо сжигалось в воздухе вентилятора перед выходом из передних сопел. Это позволило бы получить большую тягу для взлета и сверхзвуковой производительности на самолете, похожем на, но больше, чем Hawker Siddeley Harrier. Pratt & Whitney использовали нагрев воздуховодов в своем предложении турбовентилятора JTF17 для американской программы сверхзвукового транспорта в 1964 году, и был запущен демонстрационный двигатель. Нагреватель воздуховодов использовал кольцевую камеру сгорания и предназначался для взлета, набора высоты и крейсерского полета на скорости 2,7 Маха с различной степенью увеличения тяги в зависимости от массы самолета.

Дизайн

Последовательный форсажный отсек реактивного двигателя представляет собой расширенный участок выхлопных газов, содержащий дополнительные топливные форсунки. Поскольку реактивный двигатель перед турбиной использует небольшое количество поступающего кислорода, дополнительное топливо может быть сожжено после того, как газовый поток покинет турбины. При включении форсажной камеры топливо впрыскивается и включаются запальники. В результате процесса сгорания повышается температура газов на выходе из форсажной камеры (входе в сопло), что приводит к значительному увеличению тяги двигателя. Помимо увеличения температуры застоя на выходе из форсажной камеры, также увеличивается массовый расход через сопло (т.е. массовый расход на входе в форсажную камеру плюс эффективный расход топлива в форсажной камере), но снижается давление застоя на выходе из форсажной камеры (из-за фундаментальных потерь, связанных с нагревом, а также потерь на трение и турбулентность). Увеличение объемного расхода на выходе из форсажной камеры компенсируется увеличением площади горла выходного сопла. В противном случае, если давление не сбрасывается, газы могут распространяться вверх по потоку и повторно воспламениться, что может привести к срыву работы компрессора (или помпажу вентилятора в турбовентиляторном двигателе). Первые конструкции, например, форсажные камеры Solar, использовавшиеся на самолетах F7U Cutlass, F94 Starfire и F89 Scorpion, имели двухпозиционные сопла с заслонками. Современные конструкции включают не только сопла с переменным геометрическим каналом (VG), но и многоступенчатое увеличение тяги с помощью отдельных распылительных устройств. В первом приближении отношение максимальной тяги (с форсажем к тяге без форсажа) прямо пропорционально квадратному корню из отношения температур застоя на входе и выходе из форсажной камеры.

Ограничения

Из-за высокого расхода топлива форсажные камеры используются только для кратковременного обеспечения высокой тяги. Это включает в себя взлеты с большим весом или с короткой взлетно-посадочной полосы, помощь при катапультном старте с авианосцев и во время воздушного боя. Примечательным исключением является двигатель Pratt & Whitney J58, использовавшийся в SR-71 Blackbird, который использовал форсажную камеру в течение продолжительных периодов времени и дозаправлялся в полете как часть каждой разведывательной миссии. Форсажная камера имеет ограниченный ресурс, соответствующий ее непостоянному использованию. Двигатель J58 был исключением, имея возможность длительной работы в форсажном режиме. Это было достигнуто благодаря применению теплозащитных покрытий на внутренней поверхности камеры сгорания и держателях пламени, а также охлаждению внутренней поверхности и сопла воздухом, отбираемым от компрессора, вместо выхлопных газов турбины.

Эффективность

В тепловых двигателях, таких как реактивные двигатели, эффективность максимальна, когда сгорание происходит при максимально возможном давлении и температуре и расширяется до атмосферного давления (см. цикл Карно). Поскольку содержание кислорода в выхлопных газах уже снижено из-за предыдущего сгорания, а топливо не сгорает в сильно сжатом потоке воздуха, форсажная камера, как правило, менее эффективна по сравнению с основным процессом сгорания. Эффективность форсажной камеры также значительно падает, если, как это обычно происходит, давление во впускном и выхлопном устройствах уменьшается с увеличением высоты. Это ограничение применимо только к турбореактивным двигателям. В военном турбовентиляторном двигателе добавление воздуха из контура bypass в выхлопной поток повышает эффективность как основной камеры сгорания, так и форсажной камеры. В турбореактивных двигателях прирост ограничен 50%, в то время как в турбовентиляторном двигателе он зависит от степени двухконтурности и может достигать 70%. Однако, в качестве примера обратного, SR-71 демонстрировал приемлемую эффективность на большой высоте в режиме форсажа ("мокрый") благодаря своей высокой скорости (число Маха 3,2) и, соответственно, высокому давлению, создаваемому воздухозаборником.

Влияние на выбор цикла

Последующее сжигание оказывает значительное влияние на выбор цикла двигателя. Снижение степени повышения давления в вентиляторе уменьшает удельную тягу (как в режиме без форсажа, так и с форсажем), но приводит к снижению температуры на входе в форсажную камеру. Поскольку температура на выходе из форсажной камеры практически фиксирована, перепад температуры по всей камере увеличивается, что приводит к увеличению расхода топлива в форсаже. Общий расход топлива, как правило, растет быстрее, чем чистая тяга, что приводит к увеличению удельного расхода топлива (SFC). Однако удельный расход топлива в режиме без форсажа улучшается (то есть удельная тяга снижается). Высокий перепад температур в форсажной камере обеспечивает хорошее увеличение тяги. Если самолет расходует большую часть топлива при работающем форсаже, целесообразно выбирать цикл двигателя с высокой удельной тягой (то есть высокой степенью повышения давления в вентиляторе/низкой степенью двухконтурности). Полученный двигатель относительно экономичен при использовании форсажа (то есть в боевом режиме/при взлете), но неэкономичен в режиме без форсажа. Однако, если форсаж используется редко, предпочтительнее цикл с низкой удельной тягой (низкой степенью повышения давления в вентиляторе/высокой степенью двухконтурности). Такой двигатель имеет хороший удельный расход топлива в режиме без форсажа, но плохой – при использовании форсажа в боевом режиме/при взлете. Часто конструктору двигателя приходится искать компромисс между этими двумя крайностями.

История

Реактивный самолет Caproni Campini C. C.2, спроектированный итальянским инженером Secondo Campini, был первым самолетом, оснащенным форсажной камерой. Первый полет C. C.2 с работающей форсажной камерой состоялся 11 апреля 1941 года. Ранние британские работы по форсажу ("перегреву") включали летные испытания Rolls Royce W2/B23 на Gloster Meteor I в конце 1944 года и наземные испытания двигателя Power Jets W2/700 в середине 1945 года. Этот двигатель предназначался для проекта сверхзвукового самолета Miles M.52. Ранние американские исследования концепции были проведены NACA в Кливленде, штат Огайо, что привело к публикации статьи "Теоретическое исследование увеличения тяги турбореактивных двигателей за счет дожигания в сопле" в январе 1947 года. Американская работа над форсажными камерами в 1948 году привела к установке на ранние прямокрылые реактивные самолеты, такие как Pirate, Starfire и Scorpion. Новый турбореактивный двигатель Pratt & Whitney J48, тягой 8000 фунтов силы (36 кН) с включенной форсажной камерой, должен был приводить в движение истребитель Grumman F9F 6, который готовился к серийному производству. Другие новые истребители ВМС с форсажными камерами включали Chance Vought F7U 3 Cutlass, оснащенный двумя двигателями Westinghouse J46 тягой 6000 фунтов силы (27 кН). В 1950-х годах было разработано несколько крупных форсажных двигателей, таких как Orenda Iroquois и британские варианты de Havilland Gyron и Rolls Royce Avon RB.146. Двигатель Avon и его варианты использовались на английском электросамолете Lightning, первом сверхзвуковом самолете на вооружении RAF. Bristol Siddeley/Rolls Royce Olympus был оснащен форсажной камерой для использования с BAC TSR 2. Эта система была разработана совместно Bristol Siddeley и Solar of San Diego. Форсажная система для Concorde была разработана компанией Snecma. Форсажные камеры обычно используются только в военных самолетах и считаются стандартным оборудованием на истребителях. Небольшое количество гражданских самолетов, которые использовали их, включают некоторые исследовательские самолеты NASA, Туполев Ту-144, Concorde и White Knight от Scaled Composites. Concorde совершал дальние перелеты на сверхзвуковой скорости. Поддержание высоких скоростей было бы невозможно из-за высокого расхода топлива при работе форсажной камеры, поэтому самолет использовал форсаж при взлете и для минимизации времени, проведенного в высокосопротивляемом трансзвуковом режиме. Сверхзвуковой полет без использования форсажной камеры называется суперкруиз. Турбореактивный двигатель, оснащенный форсажной камерой, называется "турбореактивным двигателем с форсажной камерой", а турбовентиляторный двигатель, аналогично оснащенный, иногда называют "турбовентиляторным двигателем с увеличенной тягой". "Сброс топлива и дожигание" – это элемент демонстрации на авиашоу, когда топливо сбрасывается, а затем намеренно воспламеняется с помощью форсажной камеры. Впечатляющее пламя в сочетании с высокой скоростью делает это популярным зрелищем на авиашоу или в качестве финального аккорда фейерверка. Сброс топлива используется в основном для снижения веса самолета, чтобы избежать тяжелой посадки на высокой скорости. Помимо соображений безопасности или аварийных ситуаций, сброс топлива не имеет практического применения.