Что такое форсаж на самолете
Форсаж
Форс́аж — режим работы некоторых поршневых и реактивных двигателей, применяемый для временного увеличения тяги в случае необходимости (взлёт, разгон до сверхзвуковой скорости, манёвр воздушного боя). Применяется в основном на боевых самолётах, единственными гражданскими самолётами, на которых применялся форсаж, были пассажирские Ту-144 и Конкорд.
Форсажный режим работы воздушно-реактивного двигателя реализуется с помощью дополнительной (форсажной) камеры сгорания (далее ФКС), устанавливаемой за основной камерой сгорания и турбиной. При включении форсажа производится сжигание в ФКС дополнительного горючего, при этом происходит интенсивный подогрев рабочего тела, что, в свою очередь, приводит к увеличению его скорости истечения из сопла и росту тяги двигателя.
Температура газов за основной камерой сгорания лимитируется, в основном, жаростойкостью и жаропрочностью лопаток турбины. Установка за турбиной дополнительной камеры сгорания позволяет обойти это ограничение. Основным недостатком такого решения является резкое падение экономичности двигательной установки.
В силу означенных выше причин, переход на форсажный режим работы двигателя производится лишь в случае необходимости энергичного разгона летательного аппарата и/или его полета на высокой скорости (взлёт, набор высоты с целью занятия выгодной позиции для атаки, экстренный выход из боя, преодоление зоны действия ПВО противника и т. д.). Интересно, что на некоторых ЛА после отрыва от ВПП форсажный режим части двигателей выключается, для экономии топлива (хотя это и вызывает некоторые проблемы с устойчивостью — разворачивающий момент)
При работе двигателя на форсаже за реактивным соплом возникает видимая струя раскалённых газов, имеющая характерную полосатую окраску. При неполном сгорании керосина (из-за недостатка кислорода) струя будет иметь красный цвет с жёлтыми вертикальными кольцами. Если горение хорошо оптимизировано, то цвет пламени будет синий. Давление на срезе сопла значительно превышает давление окружающей среды, и по мере удаления от сопла давление уменьшается, а скорость истекающих газов возрастает. При этом поперечное сечение струи увеличивается и давление в наибольшем сечении становится менее атмосферного. После этого струя снова начинает сужаться, с увеличением давления. Такая цикличность приводит к тому, что сверхзвуковая струя выходящих газов периодически (циклично) становится дозвуковой, с возникновением скачков уплотнения — это как раз и есть видимые светлые кольца пламени. Из-за несовершенства топливной аппаратуры некоторых двигателей иногда наблюдается интересный эффект — на одном и том же самолёте у одного двигателя на форсаже выхлоп синий, у второго — красный или жёлтый.
Первым серийным самолётом, двигатель которого планово работал на форсаже в течение всего полёта, был SR-71 Blackbird (и на его предшественнике Lockheed A-12).
Безумное ускорение: секреты форсажного двигателя истребителей
Последнюю букву в слове «форсаж» ведущий произносит отчетливо. Это знак. Оба летчика одновременно ровным движением переводят ручки управления двигателями до упора вперед, в положение «полный форсаж».
Свист двигателей разрастается в рев и без пауз переходит в надрывный грохот. Из сопел вырастают длинные, почти с сам самолет, струи бело-розового форсажного пламени. Истребители начинают разбег под действием резко выросшей тяги. Большая продольная перегрузка делает рост скорости стремительным. Потому разбег и начинают синхронно, чтобы задний самолет не догнал передний и не отстал от него: здесь решают метры и доли секунды.
Задрав носы и лизнув длинными языками форсажного огня бетонку, пара отрывается от полосы и стремительно поднимается в ночное небо. Грохот удаляется, в небо уходят две звездочки с огненными хвостами. Внезапно они гаснут. Через пару секунд отдаленный грохот резко смолкает. Форсаж выключен. Истребители продолжают набор высоты на максимальном режиме двигателей.
Мгновенное усилие
Форсаж – усиленный режим работы двигателя. Слово происходит от французского forçage – «усиление, принуждение, форсирование». Форсаж дает большое, почти вдвое, увеличение тяги двигателя, уже работающего на максимальном режиме. Много тонн добавочной форсажной тяги, которая позволяет быстро разогнаться при взлете, поддерживать скорость в интенсивных маневрах, развивать сверхзвуковую скорость и догонять цель для атаки.
В форсажном двигателе между турбиной и реактивным соплом вставлена форсажная камера – большая труба с топливными форсунками спереди. На форсаже в камере сжигаются добавочные килограммы топлива. При их сгорании сильно нагревается газ перед входом в реактивное сопло. Скорость истечения из сопла вырастает вместе с реактивной силой, давая форсажный прирост тяги. При этом количество воздуха, проходящего через двигатель, не изменяется. Не увеличиваются обороты, и так максимальные. Но сильно, в несколько раз, возрастает расход топлива. А потому большинство самолетов способно двигаться в форсажном режиме лишь непродолжительное время. Если этот фактор не учесть, у пилота могут возникнуть большие проблемы.
Все ушло в струю
Час ночи. Летчик уже спустился из стратосферы, а форсаж все еще горит. Спустя время пилот докладывает: «Загорелась лампа аварийного остатка топлива». Руководитель полетов в ответ: «Продублируйте выключение форсажа». Только теперь летчик убрал форсаж и доложил второй раз о его выключении. Но топливо уже сгорело. Удаление до полосы сто сорок километров.
Мифы о форсаже
Форсаж работает в полном соответствии с законами физики, однако принцип его действия вовсе не очевиден, и зачастую предлагаемые трактовки оказываются ошибочными. Что же там происходит? Поток воздуха в воздухозаборник на форсаже не вырастает. Может быть, дело в том, что добавляется объем новых продуктов сгорания? Посчитаем. При сжигании 1 кг керосина расходуется 2,7 м 3 кислорода, возникает 2,6 м 3 углекислого газа и водяного пара. Баланс объема отрицательный. Сжигание форсажного керосина слегка сократит объем газов. Расход массы на входе в сопло вырастет за счет керосина лишь на несколько процентов. Двигатель всасывает больше центнера воздуха в секунду. Несколько килограммов форсажного керосина увеличат эту массу незначительно. Почему же так сильно растет скорость форсажной струи?
Ответ напрашивается сам собой: из-за роста давления перед входом в сопло! Сгорание топлива в камере нагревает газ, повышает его давление, из-за чего и возникает форсажный прирост тяги. Однако сколь ни распространено это доступное объяснение, оно в корне неверно. Все движение в авиационном турбореактивном двигателе создает его сердце – газовая турбина. Она вращает компрессор – легкие двигателя, выполняющие огромное, многократное сжатие центнера воздуха в секунду и дающее движение всем другим устройствам. Турбина выполняет колоссальную работу. Для этого ее с большой силой обтекает газ. На каждой ее лопатке он создает силу, слагающую мощность турбины. Течь газ заставляет перепад давлений. Перепад большой, в несколько атмосфер, или в два-три раза. Если разность давлений уменьшить, течение газа сквозь турбину ослабеет. Падение силы на лопатках вызовет потерю мощности. На снижение мощности сразу отзовется компрессор, уменьшит сжатие сотни кубов воздуха в секунду. Воздух сожмется слабее, меньше накачается в двигатель. Давление газа перед турбиной снизится. Так от компрессора отразится и придет к передней стороне турбины волна обвального падения мощности. Ослабеет сжатие в камерах сгорания перед турбиной. После неустойчивого горения они погаснут. Двигатель встанет.
Механика с гидравликой
К такому сценарию приведет снижение перепада давлений. Турбина выходит своим газодинамическим тылом прямо в форсажную камеру. Даже небольшое повышение давления в камере сразу подступит к лопаткам турбины. Перепад ослабнет, мощность турбины снизится.
Чтобы давление за турбиной не нарастало, применяется хитрая механика. Сброс добавочного температурного расширения газа достигается за счет расширения самой узкой проточной части сопла. Эта сужающаяся часть образована литыми подвижными трапециевидными створками. На двигателе Ал-31Ф от Су-27 таких створок 16. Похожие 16 створок образуют и расширяющуюся часть сопла. Створки меняют и критический диаметр сопла, и диаметр выходного среза. Управляют створками 16 гидроцилиндров, рабочим телом в которых служит топливо. При переходе на форсажный режим критическое сечение сопла расширяется и одновременно увеличивается выходное сечение. В расширение «сливается» начинающийся рост давления от форсажного нагрева.
Чтобы при розжиге форсажа не возникало случайных повышений давления в форсажной камере, сопло расширяется не синхронно с ростом форсажного горения, а заранее. Створки раскрываются с опережением форсажа. Создается ситуация, когда сопло расширилось, а форсаж еще не разгорелся. И тогда происходит классический провал тяги. Ведь в расширившееся сопло «сливается» обычное давление, пока без форсажа. На форсаже давление за пару секунд восстанавливается до прежнего, при раскрытых створках сопла.
В итоге давление в форсажной камере двигателя Ал-31Ф на форсаже не только не вырастает, но даже незначительно падает, на 0,1–0,2 атм. Перепад давления на турбине практически не меняется, и компрессор продолжает сжимать и закачивать в двигатель центнер воздуха в секунду, столь необходимого для горения топлива.
Откуда же возникает форсажный прирост тяги? Сопло – тепловой двигатель, который совершает работу, разгоняя газ с запасом энергии. Потенциальную энергию тепла и упругого сжатия газа сопло трансформирует в кинетическую энергию истекающей струи и силу тяги. В скорость истечения преобразуются и сжатие, и нагрев газа. Прибавка энергии любому из них приводит к увеличению скорости. Если добавить газу теплоты, сохраняя давление, скорость струи вырастет. Вырастет тяга и с ростом давления при неизменной температуре. В едином процессе сопло преобразует добавку любой из двух форм энергии. Поэтому нагрев газа перед соплом приводит к росту скорости струи и тяги. Так и возникает форсаж. Можно сказать, что форсажная камера – это большая керосиновая духовка. Она усиливает жар, раскаляя поток перед соплом до тысячи семисот градусов. В этом весь ее смысл. Сопло, как шляпа волшебника, прямым действием превращает жар в добавочную силу.
Остается взглянуть на форсажную струю. Цвет ее зависит от полноты сгорания. Голубой, белый, розоватый, желтый. Пыль в воздухе может менять оттенки огня. Сверхзвуковая струя, покидая сопло, тормозится до дозвуковой скорости. В струе возникает ряд сверхзвуковых скачков уплотнения. Они стоят друг за другом светлыми пятнами, делая струю визуально полосатой. С удалением от сопла пятен больше: струя тормозится, скачки сближаются, пока не исчезают. Как позже и сама струя, с грохотом уносящая самолет и затихающая в небе.
От F-16 до Су-57: чем отличаются истребители на форсаже и без него
Рекордсмен по поломкам
Он должен заменить старичка F-16. Правда, для этой же задачи в США уже создали F-35 Lightning II. В Пентагоне его назвали самым передовым многоцелевым истребителем в мире, но в итоге многомиллиардный проект оказался провальным. По словам военного обозревателя Дмитрия Литовкина, F-35 стал рекордсменом по части отказов и поломок.
Согласно официальным отчетам, у F-35 выявили почти 900 серьезных недостатков, восемь из них критические и опасные для жизни летчика. Большую часть дефектов устранить не получится, ведь эти недочеты были заложены еще на уровне конструирования.
По словам Дмитрия, срочную разработку нового американского истребителя можно объяснить тем, что Пентагон опасается конкуренции с российским Су-57. Наш самолет может использовать ракеты на любой высоте и скорости, в том числе на сверхзвуке.
У F-35 как раз на сверхзвуковых скоростях из-за конструктивных ошибок может развалиться хвост. В реальном бою эти истребители вряд ли встретятся, но вот на мировом рынке вооружений эксперты предсказывают ожесточенное сражение за крупные контракты. Рособоронэкспорт готовит специальную версию Су-57Э для продажи за рубеж.
Что такое форсаж?
К 2025 году российские военные конструкторы планируют начать производство модернизированных Су-57. Они получат новую силовую установку, которую называют «изделием 30», или двигателем второго этапа.
И это один из самых засекреченных проектов российской оборонки. Двигатель позволит истребителю развивать сверхзвуковую скорость без использования форсажа.
Что такое форсаж? Так называется особый форсированный режим работы реактивных двигателей, во время которого тяга резко увеличивается и, соответственно, возрастает скорость.
На форсаже пилоты могут быстро набрать высоту во время взлета, выполнить резкий маневр во время воздушного боя, а также разогнаться до сверхзвука. Летчики-асы постоянно используют форсаж во время выполнения фигуры высшего пилотажа.
Почему у разных истребителей отличается цвет форсажного пламени?
Использование форсажа выглядит очень эффектно. Самолет выезжает на взлетно-посадочную полосу, останавливается, гул двигателей нарастает, в какой-то момент из сопел вырывается синее пламя. Это особенности работы в режиме форсажа двигателей российского производства.
Все топливо сгорает до выхода из сопел. Самолеты, построенные в США и Европе, взлетают на форсаже с оранжевым пламенем. В топливе остаются частицы углерода, поэтому и возникает такой эффект.
Для чего нужна форсажная камера?
Резко увеличить тягу двигателя самолета можно благодаря форсажной камере. Эта большая труба с топливными форсунками. Там сгорает дополнительный объем керосина. При этом сильно нагревается газ, проходящий через сопло реактивного двигателя. Скорость его циркуляции увеличивается, что и дает прирост тяги.
F-22 Raptor
Аналитики Пентагона не могли поверить, что российский истребитель Су-57 может лететь на сверхзвуке без форсажа. Первым самолетом, способным это сделать, стал F-22 Raptor. Его крейсерская скорость примерно 2200 километров в час. Raptor приняли на вооружение 6 лет назад.
Это очень сложный и дорогой в обслуживании самолет. Содержание одного истребителя в течение сорока лет, а это заявленный срок эксплуатации, обойдется американскому бюджету в 550 миллионов долларов.
МиГ-25
Одним из самых быстрых в мире истребителей до сих пор остается советский МиГ-25. На этом самолете установили 29 мировых рекордов. На форсаже он разгоняется до 3400 километров в час. Когда американские военные получили данные об этой машине, в конгрессе состоялось специальное заседание, где обсуждали, что делать с новой советской угрозой.
Но американцам повезло. Сверхсекретную машину угнал летчик-перебежчик Виктор Беленко. 6 сентября 1976 года он улетел на угнанном истребителе в Японию.
Позже на базе МиГ-25 советские конструкторы создали истребитель четвертого поколения МиГ-31, который во многом превзошел предшественника. Его разрабатывали для перехвата и уничтожения различных воздушных целей в любых условиях и на любой высоте, в первую очередь бомбардировщиков и крылатых ракет.
МиГ-31 может разгоняться до 3000 километров в час. За 40 лет он пережил восемь модификаций. На последнюю версию истребителя установили гиперзвуковую ракету «Кинжал», которую называют убийцей авианосцев.
О невероятных событиях истории и современности, об удивительных изобретениях и явлениях вы можете узнать в программе «Загадки человечества» с Олегом Шишкиным!
Форсажная камера истребителя
Все наверное слышали, знают или просто догадываются, что форсаж существует для того, чтобы придать дополнительное ускорение самолету, это если говорить простыми словами, но давайте углубимся в теорию.
Двигатель с форсажной камерой:
Двигатель без форсажной камеры:
Камера сгорания в разрезе:
В стандартной камере сгорания топливо подается через многочисленные форсунки, в форсажной камере подача топлива так же осуществляется через специальные форсунки, но немного другой конструкции. Розжиг производится специальными свечами зажигания.
Форсажная камера находится непосредственно за турбиной и именно в ней происходит дополнительное сжигание топлива с целью увеличения тяги. Например, в двигателе истребителя Су-27 (Ал-31Ф), увеличение тяги на форсаже происходит с 7 600 кгс до 12 500 кгс, согласитесь, довольно прилично. Существует еще особый форсажный режим, на котором тяга может достигать 13 000 кгс.
Форсажная камера сгорания в разрезе:
Воздух после камеры сгорания и после турбины все еще достаточно богат кислородом, ну и не нужно забывать о втором контуре, который так же обеспечивает дополнительную тягу и подачу воздуха в форсажную камеру. После включения форсажа, воздух молниеносно расширяется, за счет этого увеличивается тяга и можно увидеть красно-синее свечение из двигателей. Пилот может управлять мощностью форсажа за счет изменяемого сопла. Но к сожалению, форсаж не предназначен для постоянного применения, и если на режиме» максимал» двигатель может работать довольно долго, то форсажный режим помимо того, что увеличивает расход топлива, еще и уменьшает ресурс двигателя.
Но в условиях боя или каких-то военных операций форсаж просто жизненно необходим, так же его часто используют наши пилотажные группы на выступлениях. Еще форсаж используется для укороченного взлета в палубной и обычной авиации.
> Камера сгорания в разрезе
Взял бы что-нибудь современное, зачем трубчатая? Они вымерли давно.
> Пилот может управлять мощностью форсажа за счет изменяемого сопла.
но давайте углубимся в теорию.
подумал, ну наконец-то, аннет, оказалось очередной школьник узнал что форсаж и Вин Дизель не одно и тоже.
Кэп, спасибо! Третий курс института вспомнил.
Господи, придумал же кто-то такое. Сверхлюди.
На фото Миг-31 с прифотошопленным пламенем из двигателей. я за два года службы ни разу не видел такого факела за ним. Обычно при форсаже за самолетом образуются три-четыре красивых кольца. Даже покрасивее будут чем на этом фото
Сука, я до сих пор не понимаю, как (теоретически) накачивать топливо в камеру сгорания когда там дикое давление. Где для этого брать мощность?
Напишите про винтовентмляторный двигатель, пожалуйста.
А про самое главное, что форкамера зачастую используется для достижения скорости выше одного маха и ни словп. Мда.
Кстати этой херней можно очень хорошо охлаждать компьютер с процессором от AMD.
Ходили бы пешком, проблем бы меньше было.
Авиация
Не только Негода делает ТРД из овна и палок
Если вы шарите в немецком, то подробнее можно почитать в треде: https://www.rc-network.de/threads/turbine-mit-135-mm-verdich.
Тест компактного реактивного двигателя
Развитие ситуации с двигателями PW-1500 на Airbus A220
Канадский авиационный регулятор выпустил чрезвычайную директиву по летной годности (Emergency AD), согласно которой ограничиваются определенные параметры мощности двигателя на самолете Airbus A220 после недавних проблем с двигателями Pratt & Whitney.
В течение трех последних месяцев произошли [три инцидента] с остановками двигателя в полете с последующим разрушением двигателя: 25 июля 2019 года, 16 сентября 2019 года и 15 октября 2019 года. Во всех случаях проблемы случались с самолетами Swiss International Airlines Airbus A220-300 (ранее назывался Bombardier CSeries 300), оснащенные двигателями Pratt & Whitney PW1524G-3.
Отказы были вызваны отказом ротора ступени 1 компрессора низкого давления (LPC), в результате чего диск ротора отрывался и повреждал двигатель.
В настоящий момент расследования инцидентов продолжаются, но предварительные результаты указывают на то, что одним из факторов может быть «набор высоты при высоких установках тяги двигателей с определенными значениями тяги». При таких условиях, если их не изменять, это может привести к неконтролируемому разрушению двигателя и повреждению самолета.
Департамент правительства Канады (страны, где производится A220) Transport Canada выпустил директиву 26 октября, введя новое ограничение в «Руководство по эксплуатации самолёта» по установке режима двигателя N1 до 94% при высоте более 29000 футов.
Эта директива имеет временное действие и ожидается, что регулятор может предпринять дополнительные шаги.