Внешнее сопротивление силовой установки при сверхзвуковых скоростях полета и его составляющие

Внешнее сопротивление силовой установки X_СУ обусловлено действием на ее внешние поверхности сил избыточного давления и трения.

При установке двигателя в отдельной гондоле, обтекаемой невозмущенным сверхзвуковым потоком, суммарное внешнее сопротивление силовой установки, равное X_СУ = Р_эф – Р, в соответствии с формулой (2.6) имеет вид:

. (2.10)

Первый член в правой части формулы (2.10) представляет собой сопротивление от сил избыточного давления, именуемое волновым сопротивлением, а второй – сопротивление трения, т.е.

. (2.11)

Волновое сопротивление, в зависимости от схемы силовой установки, может содержать ряд составляющих. Применительно к рассматриваемой схеме его можно представить в виде

(2.12)

В данном случае суммарное волновое сопротивление складывается из пяти составляющих

. (2.13)

Рассмотрим каждую из этих составляющих в отдельности в условиях сверхзвукового обтекания силовой установки набегающим воздушным потоком.

Дополнительное сопротивление по величине равно сумме проекций на ось двигателя сил избыточного давления, действующих на поверхность тока Н–1–2–вх. Физический смысл дополнительного сопротивления будет объяснен в гл.11. Оно при М_Н > 1 получается тем более значительным, чем выше интенсивность скачков уплотнения и чем большее количество воздуха подвергается сжатию в скачках и растекается вокруг гондолы. Дополнительное сопротивление называют также сопротивлением по жидкому контуру или сопротивлением растекания. Если F_Н = F_вх, то X_доп = 0.

Волновое сопротивление обечайки является равнодействующей сил избыточного давления, действующих на внешнюю поверхность вх–М передней части гондолы двигателя, которое условно принято относить к сопротивлению обечайки воздухозаборника. Давление р здесь превышает р_Н вследствие торможения воздушного потока в скачках уплотнения во внешнем потоке перед обечайкой. При наличии косого скачка уплотнения это давление ниже и волновое сопротивление X_об меньше, чем в случае наличия перед обечайкой головной волны.

Сумму величин будем называть суммарным сопротивлением входного устройства .

Волновое сопротивление гондолы в рассматриваемой схеме является сопротивлением центральной части гондолы двигателя, расположенной между сечениями М и . При переходе от обечайки к гондоле сверхзвуковой поток поворачивает в волнах разрежения, исходящих из угловой точки М , и течет далее по направлению ее образующей М– . Если гондола имеет цилиндрическую форму, то X_гонд = 0, а число М обтекающего ее потока становится близким к числу М полета, следовательно, р » р_Н. Если гондола имеет коническую форму, при ее обтекании сверхзвуковым потоком будет возникать волновое сопротивление.

Кормовое сопротивление X_кор = , возникающее на участке –к кормовой части гондолы, связано с тем, что при обтекании угловой точки вновь возникает течение разрежения и давление становится меньшим атмосферного. Это вызывает появление равнодействующей сил давления, действующих в сторону, противоположную направлению полета, и создающих кормовое сопротивление X_кор, которое принято относить к составляющим сопротивления выходного устройства. После схода потока с кормового участка гондолы он вновь поворачивается в кормовом скачке уплотнения и далее течет в направлении оси двигателя. При этом скорость потока снижается, а давление восстанавливается до атмосферного.

Донное сопротивление X_дон = представляет собой силу сопротивления полету, возникающую вследствие пониженного давления в донной полости, если она имеется. Обычно донная полость представляет собой торцевой уступ между срезом кормы и створками реактивного сопла. Он может быть выполнен преднамеренно в целях эжектирования охлаждающего воздуха, либо появляться на нерасчетных режимах работы сопла, когда створки прикрыты, а реактивная струя не заполняет все сечение в плоскости среза выходного устройства. Донное сопротивление тем выше, чем больше величина донной площади и чем ниже давление в этой полости (донное давление). Донное давление может быть повышено, а вызываемое им донное сопротивление снижено, подачей в донную полость воздуха из воздухозаборника, подкапотного пространства или сливаемого пограничного слоя. Этот процесс именуют подпиткой донной полости воздухом.

Сопротивление трения о наружную поверхность силовой установки X_трS возникает вследствие влияния сил вязкости. Его величина может быть определена при известном распределении касательных напряжений трения t по всей поверхности гондолы S из соотношения:

. (2.14)

Общее сопротивление трения, возникающее на наружной поверхности силовой установки, складывается, как и сопротивление давления, из отдельных составляющих. В частности, в рассматриваемом случае

.

На дозвуковых скоростях полета лобовое сопротивление правильно спрофилированной гондолы двигателя сравнительно невелико (3…8% от тяги двигателя). На сверхзвуковых скоростях, особенно на нерасчетных режимах полета, лобовое сопротивление силовой установки может составлять существенную величину и должно учитываться даже при грубых оценочных расчетах.