“Форсаж” на самолёте – что это и как работает

Картина знакома многим. любителям авиации. Всем тем, кто хотя бы раз был на любом авиашоу. Самолёт выкатывается на взлётно-посадочную полосу. Из сопел двигателей вырывается яркая огненная струя. И после короткого разбега он уходит в небо.

МиГ-31 Дал огня. Взлет на форсаже. Нержавеющий самолет. на RUTUBE

Это сопровождается жутким шумом и грохотом. Настолько сильными, что хочется закрыть уши. Так выглядит «Форсаж». “Форсаж” — это такой режим работы турбореактивного двигателя, который значительно увеличивает его тягу.

Увеличение тяги достигает 30-70% в зависимости от модели. Но такое увеличение тяги равно в разы увеличенный расход топлива. Да и конструкция двигателя имеет более сложную конструкцию.
С другой стороны, современному боевому самолёту не обойтись без этого режима.

Увеличенная тяга нужна для быстрого набора скорости, в том числе сверхзвуковой, и для выполнения манёвров с большой перегрузкой, чтобы эту набранную скорость не потерять. И возникают вопросы. Как форсаж устроен и как это всё работает?

Как долго сможет лететь самолёт если не выключать форсаж вообще? Что за кольца мы видим в струе огня выходящего из сопла? Почему оттенки разные? Почему такой жуткий шум и грохот. Давайте разбираться.

Основы работы реактивных двигателей

Перемещение самолёта в воздухе и на Земле возможно благодаря реактивной тяге. Эту тягу создаёт турбореактивный двигатель. Он выбрасывает большой поток газа с огромной скоростью
в противоположную сторону полёта самолёта.

Так работатет третий закон Ньютона и закон сохранения импульса. Величина тяги турбореактивного двигателя напрямую зависит от массы расходуемого воздуха и скорости отбрасывания реактивной струи из сопла.

Если проще, то одну и ту же тягу можно получить по разному. Возьмём два совершенно разных самолёта. Пассажирский авиалайнер и многофункциональный истребитель. У каждого из них есть двигатель с максимальной тягой 12 тонн.

Эти 12 тонн тяги создаются по-разному. Двигатель истребителя расходует воздуха 100 кг/сек. и отбрасывает поток раскалённых газов на форсажном режиме со сверхзвуковой скоростью. При этом авиалайнер расходует воздуха 400 кг/сек на взлётном режиме и отбрасывает поток раскалённых газов с меньшей скоростью.

Поэтому двигатели у современных авиалайнеров такие большие, но более экономичные и тихие. Истребителю же нужен максимально компактный двигатель который способен разогнать его до
сверхзвуковой скорости. А из-за относительно небольшого размера, такой двигатель не может иметь большой расход воздуха.

Изобретение форсажной камеры

Двигателестроители нашли компромиссное решение. Они создали такую конструкцию, что при одном и том же массовом расходе воздуха, стало возможно получить большую тягу. Это произошло почти сразу после появления турбореактивных двигателей. В сороковых годах 20-го века.

Интересен тот факт, что впервые форсажная камера, появилось на экспериментальном итальянском самолёте Caproni Campini N1. Да и двигатель был установлен поршневой, мощностью 900 л.с.

Он вращал компрессор, а тот в свою очередь, подавал воздух в камеру сгорания. В камере сгорания воздух смешивался с топливом и смесь поджигалась. После сгорания, смесь выбрасывалась через реактивное сопло.

Caproni Campini N1 впервые взлетел в 1941 году, но уже через пару лет, реактивно-поршневой двигатель признали бесперспективным. Однако конструкторы того времени прекрасно понимали, что нужно заменить поршневой мотор на газотурбинный двигатель.

В 50-е годы появились первые реактивные боевые самолёты с турбореактивным двигателем, имеющим форсажную камеру. Режим работы с включением форсажной камеры и увеличением тяги, стали называть словом “форсаж”.

Слово французское и означает принуждение или усиление чего-либо. Однако в отличии от большинства, сами французы в этом значении его не используют. Французы этот режим называют “post combustion”, в приблизительном переводе последующее сжигание. В английском языке используют слово afterburner. Перевод примерно такой же.

Принцип работы форсажной камеры

На данный момент, с момента появления форсажной камеры на серийных самолётах прошло уже более 70 лет. За это время её конструкция стала лишь чуть более совершенна.

Однако конструкция и принцип работы остались те же. Форсажную камеру устанавливают между турбиной и реактивным соплом. В ней сжигается дополнительное топливо, температура газа значительно увеличивается, и он выбрасывается с более высокой скоростью.

Так и образуется дополнительная тяга. Главное предназначение форсажной камеры — придать большую скорость выходящему потоку отработавших газов. При этом, оставляя постоянной величину расхода воздуха двигателем.

Так же, может работать так как, на выходе имеется достаточное количество кислорода.
Нюанс в том, что в камере сгорания газогенератора, горение топлива происходит при значительном коэффициенте избытка воздуха.

В самой химической реакции окисления углеводородов используется менее половины его объёма.
Плюс, основная масса современных двигателей двухконтурные. Они имеют внешний кольцевой контур.

Благодаря этому контуру, воздушный поток обходит газотурбинную установку и не используется в горении. Так же, большой объём воздуха отбирается от компрессора и используется для
охлаждения лопаток турбины. Следовательно, с избытком кислорода на входе в форсажную камеру нет никаких проблем.

Сложность заключается в разности скоростей потока газа из турбины и второго контура, которая составляет более 200 м/сек., и скорости горения топливно-воздушной смеси в этих температурных условиях, которая в 2 раза медленнее. Именно по этой причине организация процесса горения очень сложная задача.

Конструкция форсажной камеры

Для этого на входе в форсажную камеру установливают форсунки для подачи топлива. Их обычно, 15-20 штук. Форсунки объединяют в один или несколько топливных коллекторов, если хотят иметь более гибкий и контролируемый форсажный режим.

Так же, на небольшом расстоянии от форсунок располагают стабилизатор, которые состоит из набора кольцевых и радиальных V-образных пластин. В результате срыва потока с кромок пластин, за стабилизатором образуются зоны обратных токов.

Таким образом решают проблему устойчивого горения топливно-воздушной смеси. Для розжига пламени используют мощные электрические свечи или применяют метод огневой дорожки. Это когда пламя перекидывают в форсажную камеру прямо из основной прямо через турбину.

Стабилизаторы горения двигателей имеют разную конструкцию. У более современных моделей, таких как F-22 и F-35_ для малозаметности нет традиционных V-образных пластин стабилизатора пламени и стержневых топливных форсунок.

Эти функции совмещены в едином устройстве, выполняющем функции радар-блокера. Его лопатки иногда можно увидеть через сопло. Температура газа в форсажной камере может достигать 2000 градусов по Цельсию.

Второй контур

Для защиты от перегрева, форсажная камера имеет охлаждающий кольцевой канал. Он образован корпусом самой камеры и теплозащитными экранами. Экраны закреплены на подвесках, чтобы избежать разрушения при тепловом расширении.

Канал проходит от стабилизатора горения до сопла по всей длине. Для охлаждения используется воздух из внешнего контура. А если это простой турбореактивный двигатель, то газ из турбины. Необходимую жёсткость экранам придают поперечные и продольные гофры.

Они перфорированы миллиметровыми отверстиями для обеспечения воздушного охлаждения. Более крупные отверстия придают экранам антивибрационные свойства. В форсажной камере могут возникать колебания давления и скорости газа из-за неустойчивого вибрационного горения.

Теплозащитные экраны изготавливают из жаропрочных сплавов на основе никеля. На выходе из форсажной камеры горячий газ попадает в реактивное сопло. Оно играет ключевую роль в стабильной работе двигателя.

При включении форсажа сопло расширяется, чтобы не выросло давление в форсажной камере. Иначе двигатель тут же начнёт терять мощность, так как уменьшится разность давления на входе и выходе из турбины.

В литературе форсажный режим определяют как кратковременный способ увеличения тяги. И в принципе это верно. Однако есть в истории авиации самолёты, способные летать продолжительное время в форсажном режиме как на крейсерском.

В их числе истребители МиГ-25 и МиГ-31, и сверхзвуковой пассажирский авиалайнер Ту-144. Американский экспериментальный бомбардировщик XB-70 «Валькирия» и знаменитый самолёт-разведчик СР-71 «Blackbird».

“Blackbird” выделяется особо, так как способен больше часа поддерживать крейсерскую скорость больше трёх махов. То есть лететь в три раза быстрее звука.

Проблемы и перспективы

Основная проблема форсажного режима в том, что повышение тяги происходит за счёт резкого увеличения расхода топлива.

Именно поэтому его обозначают как временный. Цифры говорят сами за себя. Увеличение тяги на 30-70%, при увеличении расход топлива примерно в три раза. Для разных моделей двигателей эти значения разные, но в целом, именно такое соотношение встречается чаще всего.

К примеру, двигатель EJ200, устанавливаемый на истребитель Eurofighter Typhoon, развивает тягу до 6 тонн, а на форсаже – 9 тонн. Прибавка в 50%, однако расход топлива на максимуме составляет 5000 кг/час, на форсаже – до 16000 кг/час, а их 2 таких двигателя. Итого суммарно получается 32 тонны/час.

Допустим, что пилот истребителя включил форсаж, поднялся в небо и, не выключая его. Летает невысоко над аэродромом. На момент вылета баки заправлена 100%. Если это будет МиГ-29, то топлива хватит примерно на шесть минут.

Eurofighter Typhoon сможет летать около 9 минут, а более тяжелые двухдвигательные истребители около 10-12 минут. С набором высоты время полета на форсаже будет увеличиваться. Причина тому, разряженный воздух на высоте.

В связи с эти меньшее содержание кислорода и как следствие, меньше сжигаемого топлива. Однако фундаментально, проблема высокого расхода топлива не решается. Для сгорания одного килограмма топлива, необходимо около 15 кг воздуха.

В такой пропорции и проходит процесс в форсажной камере. Если уменьшить подачу топлива, тем самым обеднить смесь, то его сгорание будет проходить медленно, неустойчиво и с меньшей температурой.

Скорость потока газа, не вырастет, а значит и прибавки в тяге не будет.

От чего зависит цвет форсажного пламени и откуда шум

Кстати, цвет форсажного пламени зависит от полноты сгорания топлива. Если этот процесс идёт максимально эффективно, то оно будет иметь преимущественно сине-голубые оттенки.

Жёлтый и оранжевый цвета указывают на неполное сгорание топлива. В этом спектре светятся углеродсодержащие продукты горения. На цвет пламени влияет ещё и влажность воздуха, высокое содержание пыли, и также техническое состояние двигателей.

Бывает так, что двигатели аналогичной модели на одном самолёте могут иметь разные оттенки форсажного пламени. В тёмное время суток или при плохом освещении факел за соплом имеет бело-синий цвет.

Но так как всё топливо, как правило, практически полностью сгорает ещё до выхода из сопла, то происходит это потому, что нет более яркого источника света с таким же спектром излучения, то есть солнечного света.

И ещё в темноте хорошо заметны диски Маха. Скорость выхода пламени из сопла на форсажном режиме сверхзвуковая. Давление в нём практически равно атмосферному. Поток газа то сжимается, то расширяется давлением атмосферы, и на границе между этими этапами образуются скачки уплотнения, те самые светящиеся кольца или ромбы.

По мере удаления от сопла скорость потока падает, и они постепенно исчезают. Причем падает она очень быстро, происходит турбулентное перемешивание струи газа с окружающим атмосферным воздухом.

И этот процесс является очень мощным источником шума. На полном форсаже скорость выхода газа из сопла составляет более двух махов, то есть как минимум 600 метров в секунду. Уровень шума при нахождении рядом может достигать 150 дБ и выше.

Болевой порог у человека составляет 120 дБ. Основной источник шума находится в начальном участке сверхзвуковой струи. В этой области образуется 2 трети её акустической мощности.

Заключение

У форсажной камеры имеется множество недостатков. Среди них огромный расход топлива, высокая тепловая заметность, сложная конструкция и увеличенные размеры двигателя. Однако плюсы от её использования покрывает все эти минусы.

У боевого самолёта существенно повышается манёвренность и многие другие лётно-технические характеристики. Авиация буквально сплетена из компромиссных решений, и форсажная камера – одно из ярких тому подтверждений.