4. Неголовные воздухозаборники

В зависимости от аэродинамической компоновки самолета воздухозаборники могут размещаться не только в лобовой части самолета или на передней части крыла. Они могут устанавливаться на боковой поверхности фюзеляжа, под днищем фюзеляжа и других местах. Такие воздухозаборники называют боковыми (рис.33), подфюзеляжными (рис.34) и т.д. Эти воздухозаборники должны конструироваться совершенно иначе чем, лобовые. Прежде всего, большинство головных воздухозаборников могут быть осесим-метричными, а неголовные будут иметь различную геометрию, согласованную с местными обводами фюзеляжа.

Рис. 33. Боковой воздухозаборник самолета F – 18E

Рис. 34. Подфюзеляжный воздухозаборник самолета EF2000 «Тайфун»

В этом случае для создания внешнего сверхзвукового сжатия у них необходимо применять различные виды направляющих поверхностей. Вместе с тем, неголовные воздухозаборники имеют и преимущества. Их применение позволяет сократить длину воздухоподводящих трактов, и использовать головную часть летательного аппарата для размещения полезной нагрузки или приборов. Схемы наиболее часто встречающихся воздухозаборников приведены на рис.

Рис. 35. Типы неголовных воздухозаборников

(1 – полукруглый; 2 – плоский; 3 – клиновидный; 4 - совковый)

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что проблема внешнего сжатия с помощью направляющих поверхностей вполне решаема, здесь также можно получить примерно одинаковые максимальные коэффициенты восстановления давления, что и у головных воздухозаборников.

Однако у таких воздухозаборников возникает проблема другого рода. Неголовные воздухозаборники должны работать в условиях потока, возмущенного присутствием фюзеляжа. Местное число Маха, там, где располагается вход, может быть отличным от числа Маха свободного потока. Если местное число Маха меньше, чем число Маха свободного потока, то можно ожидать лучших характеристик входа. Однако распределение чисел Маха может оказаться неравномерным, тогда для получения лучших характеристик необходимо учитывать эту неравномерность.

Наиболее существенная неоднородность поля потока, входящего в воздухозаборник, вызывается пограничным слоем, нарастающим на фюзеляже. Втекание пограничного слоя в диффузор может привести к возникновению потерь, значительно больших, чем уменьшение давления торможения в самом пограничном слое. Это происходит потому, что под влиянием нарастающего давления, характерного для процесса торможения, поступающий в воздухозаборник воздух с малой энергий предрасположен к отрыву. Поэтому в таком случае необходимо применять устройства для управления пограничным слоем. Эксперименты показали, что для полукруглого диффузора (рис.35а) при числе М=1,88 вследствие потерь, вызванных проникновением пограничного слоя на фюзеляже внутрь входа, коэффициент восстановления давления получился равным 0,715, в то время как при наличии управления пограничным слоем этот коэффициент будет равным 0,89. Для плоского диффузора (рис. б) во время испытаний при числе М = 2,9 были получены следующие значения коэффициента восстановления давления: без отсоса пограничного слоя 0,6, с отсосом пограничного слоя 0,7 (теоретическое значение для такого числа Маха σ = 0,757). Однако применение системы управления пограничным слоем вызывает дополнительное сопротивление. Это дополнительное сопротивление меняется в зависимости от применяемой конструкции, однако хорошо сконструированная система по управлению пограничным слоем будет приводить к увеличению сопротивления только на несколько процентов вплоть до чисел Маха М = 2 и, следовательно, будет обеспечивать значительный выигрыш в тяге.

На практике применяются различные способы управления пограничным слоем, например, отсос пограничного слоя, стекание пограничного слоя через щель между специальным экраном и фюзеляжем с последующим сливом его в боковые стороны. Отсасываемый из пограничного слоя воздух, расход которого составляет обычно 1 – 3% от основного расхода через диффузор, направляется либо в двигатель, либо в невозмущенный поток. Пограничный слой может отсасываться через пористое центральное тело, через калиброванные отверстия, вырезанные в центральном теле перпендикулярно его поверхности перед и за плоскостью входа, через щели, переходящие в плавный канал в центральном теле, расположенные либо перед, либо за плоскостью входа и выполненные впотай или навстречу потоку.

По экспериментальным данным применение щелей впотай и обращенных навстречу потоку дали положительный результат, причем последние оказались более эффективными. Однако по экспериментальным данным, полученным при испытаниях диффузора со щелями впотай при числах Маха М = 2,48 и М = 2,90, дополнительное сопротивление за счет отсоса получается равным приросту сопротивления при перепуске той же массы воздуха в головной волне перед плоскостью входа и составляет порядка 25% от сопротивления входа.

Другой вид неравномерности поля скоростей перед входом в диффузор возникает вследствие маневрирования самолета. Когда тело вращения обтекается под углом атаки, на работу входа могут влиять полезные или вредные факторы в зависимости от расположения входа. Потенциальное поле течения на нижней поверхности фюзеляжа уменьшает местное число Маха при возрастании угла атаки. Сам фюзеляж, кроме тог, защищает так расположенные вход от влияния угла атаки. Следовательно, при подфюзеляжных входах расход через диффузор и восстановление давления должны увеличиваться при увеличении угла атаки. Если вход расположен вверху фюзеляжа, то последний также защищает вход от влияния угла атаки. Однако число Маха в потоке, набегающем на воздухозаборник, будет в этом случае увеличиваться, и поэтому появятся дополнительные потери.

Если учитывать осложнения, возникающие из-за воздействия пограничного слоя, то подфюзеляжные входы окажутся более выгодными. Вторичные течения в пограничном слое, вызванные градиентами давления около фюзеляжа, стремятся сделать пограничный слой более тонким на нижней поверхности, и увеличит его толщину на верхней поверхности фюзеляжа.

Из аэродинамики самолета известно, что на верхней части фюзеляжа возникают области течения с малой энергией. В этих областях не следует располагать входы в диффузор. С другой стороны подфюзеляжные входы в меньшей степени требуют управления пограничным слоем, так как в этой области пограничный слой, естественно, более тонок. Однако нужно учитывать, что расположенные близко к земле подфюзеляжные входы могут засасывать посторонние предметы.

Рассмотрим кратко воздухозаборники, представленные на рис..

При полукруглом диффузоре (рис.35а) возникают трудности вследствие нарастания пограничного слоя в прямых углах, где обтекатель и центральное тело сопрягаются с фюзеляжем. Для такого воздухозаборника необходима система управления пограничным слоем.

Плоский диффузор (рис.35б) может применяться при расположении его как сбоку, так и под фюзеляжем. Такие диффузоры хорошо работают при возникновении углов атаки. Основным недостатком его является некоторое ухудшение характеристик вследствие растекания сверхзвукового потока. Характеристики его могут быть улучшены установкой боковых обтекателей.

Рис. 36. Клиновидный воздухозаборник

Основным достоинством клиновидного воздухозаборника (в) состоит в том, что он не отклоняет поток наружу от фюзеляжа; это достоинство очевидно, если учесть, что поток далее обязательно должен быть повернут внутрь, с тем, чтобы он вошел в двигатель. Кроме того, в этом случае большая часть поверхностей давления располагается вне пограничного слоя тела. Следовательно, этот вход предпочтительней, чем другие при отсутствии системы управления пограничным слоем. Возможные трудности его использования связаны как с неустойчивостью течения при наличии многих каналов, так и с проблемами, возникающими при обтекании такого входа под углом атаки, если вход расположен сбоку от фюзеляжа. При таких условиях обтекания работает только половина воздухозаборника, имеющая в качестве верхней части поверхности давления клина.

Преимуществом совкового диффузора (рис.35г) состоят в том, что сжатие в нём происходит при обтекании сверхзвуковым потоком поверхности, свободной от начального пограничного слоя, а поворот потока естественно происходит в направлении входа в двигатель. Его недостаток заключается в том, что возникают трудности при запуске двигателя, связанные с существенным сужением внутреннего канала из-за влияния фюзеляжа, а также в тенденции пограничного слоя к отрыву в криволинейном критическом сечении, где фокусируются волны сжатия.