Як влаштований форсаж

Ніч. На смузі завмерла пара винищувачів — провідний і ведений. Один позаду іншого на півсотні метрів. Бойові машини готуються до вильоту. Пілот ведучого зосереджений: він чекає, що ось-ось надійде команда керівника польотів… Так! Зліт дозволено, і від ведучого до веденого по радіохвилях летять слова: «Злітаємо. Форсаж!»

Ніч. На смузі завмерла пара винищувачів — провідний і ведений. Один позаду іншого на півсотні метрів. Бойові машини готуються до вильоту. Пілот ведучого зосереджений: він чекає, що ось-ось надійде команда керівника польотів… Так! Зліт дозволено, і від ведучого до веденого по радіохвилях летять слова: «Злітаємо. Форсаж!»

Останню букву в слові «форсаж» ведучий вимовляє чітко. Це знак. Обидва льотчика одночасно рівним рухом переводять ручки управління двигунами до упору вперед, в положення «повний форсаж».

Свист двигунів розростається в рев і без паузи переходить в надривний гуркіт. З сопел виростають довгі, майже сам літак, струмені біло-рожевого форсажного полум’я. Винищувачі починають розбіг під дією різко виросла тяги. Велика поздовжня перевантаження робить зростання швидкості стрімким. Тому розбіг і починають синхронно, щоб задній літак не наздогнав передній і не відстав від нього: тут вирішують метри і частки секунди.

Задерши носи і лизнувши довгими язиками форсажного вогню бетонку, пара відривається від смуги і стрімко піднімається в нічне небо. Гуркіт видаляється, в небо йдуть дві зірочки з вогняними хвостами. Раптово вони гаснуть. Через пару секунд віддалений гуркіт різко змовкає. Форсаж вимкнений. Винищувачі продовжують набір висоти на максимальному режимі двигунів.

Миттєве зусилля

Форсаж — посилений режим роботи двигуна. Слово походить від французького forçage — «посилення, примус, форсування». Форсаж дає велике, майже вдвічі, збільшення тяги двигуна, вже працює на максимальному режимі. Багато тонн додаткової форсажной тяги, яка дозволяє швидко розігнатися при зльоті, підтримувати швидкість в інтенсивних маневрах, розвинути надзвукову швидкість і наздоганяти мета для атаки.

У форсажном двигуні між турбіною і реактивним соплом вставлена форсажная камера — велика труба з паливними форсунками спереду. На форсажі в камері спалюються додаткові кілограми палива. При їх згоранні сильно нагрівається газ перед входом в реактивне сопло. Швидкість витікання зі сопла виростає разом з реактивною силою, даючи форсажний приріст тяги. При цьому кількість повітря, що проходить через двигун, не змінюється. Не збільшуються обороти, так і максимальні. Але сильно, у кілька разів зростає витрата палива. А тому більшість літаків здатне рухатися в форсажном режимі лише нетривалий час. Якщо не врахувати цей фактор, у пілота можуть виникнути великі проблеми.

Все пішло в струмінь

У нижньотагільському винищувальному полку пара літаків відпрацьовувала вправа 108 — перехоплення крилатої ракети AGM-28 Hound Dog в стратосфері. Один винищувач зображує мета, інший виявляє його в небі і атакує. Обидва на сверхзвуке, часу мало; палива всього три тонни, на форсажі воно горить дуже швидко. Льотчик знайшов ціль, зайшов в атаку, зблизився, здійснив пуск без ракети. З атаки вийшов правильно, випустив повітряні гальма, доповів на командний пункт: «Форсаж прибрав». Але насправді не прибрав, мабуть, забувши в гарячці атаки. Година ночі. Льотчик вже спустився зі стратосфери, а форсаж все ще горить. Через деякий час пілот доповідає: «Загорілася лампа аварійного залишку палива». Керівник польотів у відповідь: «Продублюйте вимикання форсажу». Тільки тепер льотчик прибрав форсаж і доповів другий раз про його вимиканні. Але паливо вже згоріло. Видалення до смуги сто сорок кілометрів. Почалися розрахунки «дотягне — не дотягне», запити поточного залишку палива. Льотчик доповів: «Двигун став». РП дав команду катапультуватися. Пілот покинув літак в десятці кілометрів від смуги. Черговий вертоліт в дві години ночі доставив на базу неушкодженого льотчика. А радянські ВПС втратили бойової машини.

Американський бомбардувальник Rockwell B-1 Lancer здійснює політ на форсажном режимі. Сопла з його чотирьох двигунів F101-GE вивергав ефектно виглядають на тлі сутінкового ландшафту струмені блакитного полум’я.

Година ночі. Льотчик вже спустився зі стратосфери, а форсаж все ще горить. Через деякий час пілот доповідає: «Загорілася лампа аварійного залишку палива». Керівник польотів у відповідь: «Продублюйте вимикання форсажу». Тільки тепер льотчик прибрав форсаж і доповів другий раз про його вимиканні. Але паливо вже згоріло. Видалення до смуги сто сорок кілометрів.

Міфи про форсажі

Форсаж працює в повній відповідності із законами фізики, однак принцип його дії зовсім не очевидний, і часто пропоновані трактування виявляються помилковими. Що ж там відбувається? Потік повітря в повітрозабірник на форсажі не виростає. Може бути, справа в тому, що додається обсяг нових продуктів згоряння? Порахуємо. При спалюванні 1 кг гасу витрачається 2,7 м3 кисню, виникає 2,6 м3 вуглекислого газу і водяної пари. Баланс обсягу негативний. Спалювання форсажного гасу злегка скоротить об’єм газів. Витрата маси на вході в сопло зросте за рахунок гасу лише на кілька відсотків. Двигун всмоктує більше центнера повітря в секунду. Кілька кілограмів форсажного гасу збільшать цю масу незначно. Чому ж так сильно зростає швидкість форсажной струменя?

Відповідь напрошується сам собою: через зростання тиску перед входом в сопло! Згорання палива в камері нагріває газ, підвищує його тиск, з-за чого і виникає форсажний приріст тяги. Проте хоч ні поширене це доступне пояснення, воно в корені невірно. Весь рух в авіаційному турбореактивном двигуні створює його серце — газова турбіна. Вона обертає компресор — легкі двигуна, що виконують величезну, багаторазове стиснення центнера повітря в секунду і дає рух усьому іншим пристроям. Турбіна виконує колосальну роботу. Для цього її з великою силою обтікає газ. На кожній її лопатці він створює силу, слагающую потужність турбіни. Текти газ змушує перепад тисків. Перепад великий, в кілька атмосфер, або в два-три рази. Якщо різниця тисків зменшити, протягом газу крізь турбіну ослабне. Падіння сили на лопатках викличе втрату потужності. На зниження потужності відразу відгукнеться компресор, зменшить стиснення сотні кубів повітря в секунду. Повітря стиснеться слабкіше, менше накачается в двигун. Тиск газу перед турбіною знизиться. Так від компресора позначиться і прийде до передньої сторони турбіни хвиля обвального падіння потужності. Ослабне стиснення в камерах згоряння перед турбіною. Після нестійкого горіння вони згаснуть. Двигун зупиниться.

Щоб при розпалюванні форсажу не виникало випадкових підвищень тиску в форсажной камері, сопло розширюється не синхронно із зростанням форсажного горіння, а заздалегідь. Стулки розкриваються з випередженням форсажу. Створюється ситуація, коли сопло розширилося, а форсаж ще не розгорівся. І тоді відбувається класичний провал тяги.

Механіка з гідравлікою

До такого сценарію призведе зниження перепаду тисків. Турбіна виходить своїм газодинамічним тилом прямо у форсажну камеру. Навіть невелике підвищення тиску в камері відразу підступить до лопаток турбіни. Перепад ослабне, потужність турбіни знизиться.

Щоб тиск за турбіною не наростало, застосовується хитра механіка. Скидання додаткового температурного розширення газу досягається за рахунок розширення самої вузької проточної частини сопла. Ця звужена частина утворена литими рухомими трапецієподібними стулками. На двигуні Ал-31Ф від Су-27 таких стулок 16. Схожі 16 стулок утворюють і розширюється частина сопла. Стулки змінюють і критичний діаметр сопла, і діаметр вихідного зрізу. Керують стулками 16 гідроциліндрів, робочим тілом в яких служить паливо. При переході на форсажний режим критичний перетин сопла розширюється і одночасно збільшується вихідний переріз. У розширення «зливається» починається зростання тиску від форсажного нагріву.

Щоб при розпалюванні форсажу не виникало випадкових підвищень тиску в форсажной камері, сопло розширюється не синхронно із зростанням форсажного горіння, а заздалегідь. Стулки розкриваються з випередженням форсажу. Створюється ситуація, коли сопло розширилося, а форсаж ще не розгорівся. І тоді відбувається класичний провал тяги. Адже в расширившееся сопло «зливається» звичайний тиск, поки без форсажу. На форсажі тиск за пару секунд відновлюється до попереднього, при розкритих стулках сопла.

У результаті тиск у форсажной камері двигуна Ал-31Ф на форсажі не тільки не зростає, але навіть незначно падає, на 0,1−0,2 атм. Перепад тиску на турбіні практично не змінюється, і компресор продовжує стискати і закачувати в двигун центнер повітря в секунду, настільки необхідного для горіння палива.

Схема двигуна

Підігріти розпечене

Звідки ж виникає форсажний приріст тяги? Сопло — тепловий двигун, який здійснює роботу, розганяючи газ із запасом енергії. Потенційну енергію тепла і пружного стиснення газу сопло трансформує в кінетичну енергію стікала струменя і силу тяги. В швидкість витікання перетворюються і стиск і нагрівання газу. Збільшення енергії будь-якого з них призводить до збільшення швидкості. Якщо додати газу теплоти, зберігаючи тиск, швидкість струменя зросте. Зросте тяга і з ростом тиску при незмінній температурі. В єдиному процесі сопло перетворює добавку будь-який з двох форм енергії. Тому нагрівання газу перед соплом призводить до зростання швидкості струменя і тяги. Так і виникає форсаж. Можна сказати, що форсажная камера — це велика гасова духовка. Вона посилює жар, розжарюючи потік перед соплом до тисячі семисот градусів. У цьому весь сенс. Сопло, як капелюх чарівника, прямою дією перетворює жар додаткову силу.

Залишається поглянути на форсажну струмінь. Колір її залежить від повноти згоряння. Блакитний, білий, рожевий, жовтий… Пил в повітрі може змінювати відтінки вогню. Надзвукова струмінь, залишаючи сопло, гальмується до дозвуковой швидкістю. В струмені виникає ряд надзвукових стрибків ущільнення. Вони стоять один за одним світлими плямами, роблячи струмінь візуально смугастої. З віддаленням від сопла плям більше: струмінь гальмується, стрибки зближуються, поки не зникають. Як пізніше і сама струмінь, з гуркотом виносить літак і затихающая в небі.

Стаття «Таємниця форсажного полум’я» опублікована в журналі «Популярна механіка»
(№5, Травень 2020).