[科普中國]-引射尾噴管

引射尾噴管是一中重要的航天部件1。引射尾噴管主要有幾種結(jié)構(gòu)形式:圓筒型引射尾噴管,外套收斂 -擴張型引射尾噴管以及帶輔助進(jìn)氣門式引射尾噴管

簡介引射尾噴管主要有幾種結(jié)構(gòu)形式:圓筒型引射尾噴管；外套收斂-擴張型引射尾噴管；帶輔助進(jìn)氣門式引射尾噴管。

圓筒型引射尾噴管圓筒型引射尾噴管由收斂形主噴管和一個圓筒形外套組成,如圖所示。

在設(shè)計狀態(tài)下(主噴管的可用壓力比大于臨界壓力比) ,主流在主噴管出口達(dá)到聲速, 然后在射流邊界的“流體壁面”內(nèi)加速為超聲速。次流可以從進(jìn)氣道引入, 也可以由單獨的進(jìn)氣門引入。次流的截面面積在引射尾噴管內(nèi)逐漸縮小, 速度增加。在引射尾噴管的出口截面上主流和次流的壓力等于外界大氣壓力。在設(shè)計狀態(tài)下(可用壓力比大于臨界壓力比) 主流為完全膨脹, 所以與簡單收斂尾噴管相比,引射尾噴管沒有不完全膨脹損失, 推力較大。其物理意義是: 次流作用于主噴管尾部外表面上的壓力 p2 大于外界大氣壓, 如圖 3-17 ( a ) 所示。但是次流流動過程有損失,例如, 次流來自進(jìn)氣道,如果在引射尾噴管出口的壓力等于大氣壓, 則次流的速度必然小于飛行速度, 次流產(chǎn)生負(fù)推力。所以與收斂擴張尾噴管比較, 引射尾噴管的推力要小一些。在非設(shè)計狀態(tài)下,當(dāng)主噴管的可用壓力比增加時, 主流在引射尾噴管中所占面積擴大?？捎脡毫Ρ仍黾拥揭欢ǔ潭群? 主流與壁面相交產(chǎn)生激波, 通過激波主流向內(nèi)轉(zhuǎn)折, 見圖 3-17 ( b ) ,在 A 區(qū)形成渦流。由于黏性作用,在主流和次流的邊界附近存在一個混合區(qū), 通過混合區(qū)主流與渦流區(qū)進(jìn)行質(zhì)量和能量交換,并從渦流區(qū)中牽引出很少的次流量。在渦流區(qū)內(nèi)和大部分的射流邊界上,氣流具有基本相同的壓力 p2 。這時的 p2 值小于設(shè)計狀態(tài)的 p2 值, 因而引射尾噴管的得益下降。當(dāng)主流的可用壓力比小于設(shè)計值時,主流所占面積減小而次流面積增加。當(dāng)可用壓力比降低到臨界壓力比時,主流在主噴管之后呈圓筒形。由上所述,當(dāng)主噴管的可用壓力比變化時, 圓筒型引射尾噴管中的“流體壁面”在一定的范圍內(nèi)可自動調(diào)節(jié),使其在較低的可用壓力比情況下優(yōu)于不可調(diào)的收斂 擴張尾噴管; 在較大的可用壓力比情況下優(yōu)于簡單收斂尾噴管。圓筒型引射尾噴管適用于最大飛行馬赫數(shù)不超過 1 .6 的飛機上, 次流的流量大約為主流的 2 % ～ 3%。如果尾噴管的可用壓力比更大,圓筒型引射尾噴管的推力損失就比較大, 這時應(yīng)采用外套收斂 擴張型引射尾噴管。

收斂-擴張型引射尾噴管與圓筒型引射尾噴管不同,這種引射尾噴管的外套是收斂 擴張形的。下圖所示是這種引射尾噴管設(shè)計狀態(tài)下的流動圖形。主流在射流邊界“流體壁面”內(nèi)的擴張通道中膨脹加速為超聲速;次流在收斂 擴張形的通道中加速到最小截面處馬赫數(shù)等于圖 3 20 收斂 擴張型引射尾噴管的“堵死”狀態(tài)1, 然后繼續(xù)加速為超聲速。在引射尾噴管的出口截面 上主 流 和次 流 的壓 力 等 于外 界 大氣壓力。在非設(shè)計狀態(tài)下,當(dāng)主噴管的可用壓力比不斷增加或者減小次流的流量時, 主流在引射尾噴管中所占面積逐漸擴大, 以致主流和次流的邊界與外套內(nèi)表面相撞產(chǎn)生激波并把次流“堵 死”, 在 次 流 中 形 成 一 個“ 死 區(qū)”( 見 圖3- 20 )。如果不考慮黏性, 次流的流量等于零,實際上由于黏性在主流和次流的交界面附近存在混合層,通過混合層的能量交換和質(zhì)量交換“, 死區(qū)”的少量氣流被拖出。收斂 擴張型引射尾噴管與圓筒型引射尾噴管基本上具有類似的特點, 但在低次流狀態(tài)下,前者的主流與外套內(nèi)表面相撞時產(chǎn)生的激波較弱, 所以損失顯著減小。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所