Введение

Конусы воздухозаборника (иногда называемые ударными конусами или центральными телами воздухозаборника) являются компонентом некоторых сверхзвуковых самолетов и ракет. Они в основном используются в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, таких как D-21 Tagboard и Lockheed X-7. Некоторые турбореактивные самолеты, включая Су-7, МиГ-21, English Electric Lightning и SR-71, также используют конус воздухозаборника.

Цель

Конус входа, являясь частью воздухозаборника типа Осватича, используемого на сверхзвуковых самолетах или ракетах, представляет собой трехмерную поверхность, на которой происходит сверхзвуковое адиабатическое сжатие воздуха для газотурбинного двигателя или камеры сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя посредством наклонных ударных волн. Замедление воздуха до низких сверхзвуковых скоростей с помощью конуса минимизирует потери полного давления (повышает коэффициент восстановления давления). Кроме того, конус вместе с кромкой входного устройства определяет площадь, регулирующую поток, поступающий в воздухозаборник. Если поток воздуха превышает требуемый двигателем, может возникнуть неустойчивость положения ударной волны (пульсация). Если поток воздуха меньше требуемого, то коэффициент восстановления давления снижается, что уменьшает тягу двигателя. Воздухозаборник с конусом может использоваться для подачи воздуха высокого давления к оборудованию прямоточного воздушно-реактивного двигателя, которое обычно приводится в действие валом турбины, например, для привода турбонасосов топливного насоса в прямоточном двигателе Bristol Thor и для гидравлической системы ракеты Bristol Bloodhound.

Форма

Угол конуса выбирается таким образом, чтобы при расчетном режиме работы воздухозаборника (число Маха 1,7 для воздухозаборника самолета English Electric Lightning) ударная волна, формирующаяся на его вершине, совпадала с кромкой капота. Воздухозаборник обеспечивает максимальный расход воздуха и достигает максимального восстановления давления. Более высокая расчетная скорость может потребовать двух наклонных ударных волн, сфокусированных на кромке, для поддержания приемлемого восстановления давления и обеспечения максимального расхода воздуха. В этом случае требуется биконический конус с двумя углами (у реактивного двигателя Bristol Thor при расчетной скорости 2,5 Маха углы составляют 24 и 31 градус). Для более высоких скоростей может быть использован переход более плавной формы между углами конуса, известный как изэнтропический штифт (реактивный двигатель Marquardt RJ43). Конический корпус может представлять собой полный конический центральный корпус в круглом воздухозаборнике (МиГ-21), полуконус в боковом воздухозаборнике фюзеляжа (Lockheed F-104 Starfighter) или четверть конуса в боковом воздухозаборнике фюзеляжа/под крылом (General Dynamics F-111 Aardvark). Задняя часть конуса за его максимальным диаметром, направленная назад и невидимая внутри канала, имеет форму по аналогичной причине, что и выступающая передняя часть. Видимый конус является сверхзвуковым диффузором с требованием к минимальным потерям полного давления, а задняя обтекаемая часть вместе с внутренним профилем поверхности канала образует дозвуковой диффузор, также с требованием к минимальным потерям полного давления при замедлении воздуха до числа Маха на входе компрессора. При числах Маха ниже примерно 2,2 все ударное сжатие происходит снаружи. При более высоких числах Маха часть сверхзвуковой диффузии должна происходить внутри канала, что известно как внешнее/внутреннее или смешанное сжатие. В этом случае задняя часть передней конической поверхности вместе с профилем внутренней поверхности канала продолжает сверхзвуковую диффузию с отраженными наклонными ударными волнами до конечной нормальной ударной волны. В случае Lockheed SR-71 Blackbird, где часть сверхзвукового сжатия происходит внутри воздуховода, штифт и внутренние поверхности капота были изогнуты для постепенного изэнтропического сжатия. Конус воздухозаборника также имеет различные осевые положения для управления изменением площади захвата в зависимости от площади горловины канала. Для оптимальной работы воздухозаборника это необходимое соотношение площадей увеличивается с ростом числа Маха полета, отсюда и большое перемещение конуса воздухозаборника на SR-71, который должен был эффективно работать в диапазоне скоростей от низких до 3,2 Маха. На SR-71 конус перемещается назад при более высоких скоростях.

Операция

При скоростях дозвукового полета конический впуск работает аналогично впуску Пито или дозвуковому диффузору. Однако, при переходе на сверхзвуковую скорость возникает коническая ударная волна, исходящая от вершины конуса. Площадь потока через ударную волну уменьшается, что приводит к сжатию воздуха. С увеличением числа Маха коническая ударная волна становится более наклонной и в конечном итоге достигает кромки впуска. Для достижения более высоких скоростей полета требуется использование подвижного конуса, чтобы обеспечить более эффективное сверхзвуковое сжатие в более широком диапазоне скоростей. При увеличении скорости полета, в типичном сверхзвуковом подвижном конусе типа Осватича конус перемещается вперед (например, на самолете МиГ-21), а в конусе не типа Осватича (например, на самолете SR-71) – назад или внутрь впуска. В обоих случаях, благодаря форме поверхности конуса и внутренней поверхности воздуховода, площадь внутреннего потока уменьшается, что необходимо для продолжения сверхзвукового сжатия воздуха. Сжатие, происходящее по этому пути, называется "внутренним сжатием" (в отличие от "внешнего сжатия" на конусе). В области минимальной площади потока, или горле, возникает нормальная или плоская ударная волна. Затем площадь потока увеличивается для дозвукового сжатия, или диффузии, до плоскости двигателя. Положение конуса внутри впуска обычно регулируется автоматически для поддержания правильного расположения плоской ударной волны непосредственно за горлом. Определенные условия могут привести к выбросу ударной волны из впуска. Это явление называется "срыв потока".

Альтернативные формы

Некоторые воздухозаборники оснащены биконическим центральным телом (МиГ-21) для формирования двух конических ударных волн, обе сфокусированы на кромке воздухозаборника. Это улучшает восстановление давления. Некоторые самолеты (BAC TSR 2, F 104, Mirage III) используют полуконическое центральное тело. F 111 имеет четверть конуса, который перемещается по оси, за которым следует расширяющийся конусный участок. Concorde, Ту-144, F 15 Eagle, МиГ-25 Foxbat и A 5 Vigilante используют так называемые 2D воздухозаборники, где гондола имеет прямоугольную форму, а плоская входная рампа заменяет двойные конусы. Входные рампы позволяют использовать смещенные козырьки воздухозаборников (F 22 Raptor, F 35 Lightning II) для предотвращения образования ударных волн. Некоторые другие сверхзвуковые самолеты (Eurofighter Typhoon) используют переменную нижнюю кромку козырька для работы при большом угле атаки и систему отбора воздуха (пористую стенку), встроенную во входную рампу, для стабилизации ударной системы на сверхзвуковых скоростях. Для улучшения потока воздуха (снижения искажений) воздух отбрасывается через щель отбора воздуха на стороне рампы ниже по потоку от воздухозаборника. Рампа, отделенная от фюзеляжа отклонителем, создает наклонную ударную волну для замедления потока. Передняя кромка разделительной пластинки, разделяющей два воздухозаборника, расположена ниже по потоку от этой наклонной ударной волны. Многие сверхзвуковые самолеты (F 16 Fighting Falcon) отказываются от конического центрального тела и используют простой воздухозаборник Пито. Отдельная, сильная нормальная ударная волна возникает непосредственно перед воздухозаборником на сверхзвуковых скоростях, что приводит к плохому восстановлению давления. NASA протестировала альтернативу внешнему/внутреннему или смешанному воздухозаборнику сжатия, необходимому для скоростей выше примерно 2,2 Маха (ниже этой скорости используются воздухозаборники с полным внешним сжатием). Смешанный воздухозаборник сжатия подвержен срыву или выбросу внутренней ударной волны перед воздухозаборник. Воздухозаборник NASA, который они называют параметрическим, осуществляет все сверхзвуковое сжатие снаружи, поэтому внутри воздуховода нет ударной волны в потенциально нестабильном месте.