Стальной «хобот» (о воздухозаборниках дозвуковой реактивной авиации)

Проблема создания воздухозаборников — ровесница реактивной авиации как таковой. И даже старше, поскольку поршневому мотору тоже требуется воздух для рабочего процесса и охлаждения. Но воздушно-реактивным двигателям (ВРД) нужен не только сам воздух, но и заключенная в нем энергия, которая не должна тратиться попусту, тем более находить выход в пульсациях и завихрениях. Это потребовало принципиально нового уровня проработки воздухозаборных устройств (ВЗУ); при создании нынешних самолетов и ракет их проектирование вышло на одну из первых ролей, а перспективные гиперзвуковые аппараты и вовсе строятся вокруг них. В данной статье будут рассмотрены некоторые особенности воздухозаборников дозвуковых летательных аппаратов (ЛА) с турбореактивными двигателями (ТРД).

Судьбоносная «сигма»

Воздухозаборник предназначен для питания двигателя равномерным, подторможенным и поджатым потоком. Мероприятия по обеспечению равномерности, т. е. сведение к минимуму всяческих пульсаций, возмущений и завихрений воздушной струи, начинаются уже с выбора места расположения входного устройства. Если в двигатель попадет, например, спутный след из-за крыла, вряд ли он «отблагодарит» нас за это надежной и эффективной работой. Особенно интересна в данном аспекте проблема пограничного слоя — образующейся при трении потока о любые поверхности летательного аппарата (фюзеляж, крылья и сам канал ВЗУ) тонкой прослойки воздуха с повышенной энтропией. Скорость движения воздуха в пограничном слое меняется от нуля у стенки почти до скорости набегающего потока у внешней границы слоя. Толщина его постепенно увеличивается от начала препятствия, поэтому в относительно коротких каналах ВЗУ он пренебрежимо тонок, а на поверхности хвостовой части фюзеляжа его толщина может достигать десятков сантиметров. Если мы засосем такой толстый слой заторможенного потока в двигатель, его характеристики упадут, зато снизится сопротивление трения летательного аппарата в целом. Обычно дилемму решают все-таки в пользу двигателя, сливая пограничный слой при помощи элементов входного устройства, но в последнее время перспективным считается и противоположный подход.

Торможение потока в воздухозаборнике, в соответствии с законом сохранения энергии, сопровождается повышением давления. Степень сжатия напрямую зависит от скорости полета. На дозвуковых скоростях воздухозаборник обеспечивает не более 15–20 % от общего повышения давления, остальное дает компрессор ТРД. Но уже при числе Маха М = 1,2 … 1,4 их «доли» сравниваются, а при Μ > 3 надобность в компрессоре попросту отпадает.