Форсаж в авиации что это
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.
Что такое форсаж двигателя и в чём его суть?
В лексикон автолюбителей слово «форсаж» попало из военной авиации. В применении к воздушным двигателям под ним понимают специальный режим работы, используемый для краткосрочного увеличения силы тяги.
Как правило, в авиации форсаж применяется при взлете, разгоне или маневрах самолета и реализуется посредством монтажа дополнительной камеры сгорания. Но что понимают под этим термином в автомобильной сфере? Что такое форсаж и в чем его суть?
Что означает слово «форсаж»?
Термин «форсаж» происходит от французского forcage, что означает «вынуждать, напрягать». В отношении любого двигателя, будь то реактивный или поршневой, слово подразумевает повышение мощности мотора, то есть его принуждение к работе сверх установленных параметров.
Что такое форсаж двигателя?
Применительно к автомобилям форсаж является разновидностью тюнинга и часто используется в контексте с форсированием двигателя, то есть с повышением его мощности путем увеличения рабочего объема мотора и прочих технических приемов. 
Если в авиации суть форсажа заключается в увеличении тяги двигателя, то в автомобильной среде подобная модернизация предполагает повышение показателей крутящего момента.
Как и тяга в реактивных моторах, крутящий момент в автомобилях возникает преимущественно за счет рабочей смеси. При сгорании она начинает расширяться и толкать поршень, который, в свою очередь, осуществляет механическое давление на коленчатый вал. В связи с этим сам собой напрашивается вывод: чем больше объем двигателя, тем больше сгорает рабочей смеси и тем выше мощность мотора.
Таким образом, увеличение рабочего объема позволяет увеличить крутящий момент и добиться возможностей, аналогичных форсажу в авиации – лучшего разгона и лучшей скорости.
Как форсируется двигатель автомобиля?
Для форсирования пригодны практически все дизельные и бензиновые двигатели. Наиболее эффективным способом увеличения мощности мотора является расточка блока цилиндров, которая выполняется посредством специального станка. 
Этим методом можно расточить детали под гораздо больший диаметр поршня, чем изначально установлен в машине, и тем самым повысить крутящий момент. Другой прием – смена жиклеров в карбюраторе. Этот подход поможет повысить мощность, однако существенно увеличит расход топлива.
Некоторые автомобилисты прибегают к замене распределительного вала, устанавливая механизм с кулачками с более острым профилем. Процедура улучшает газообмен, но одновременно приводит к повышению нагрузок на механизмы распределения газа, поэтому дополнительно приходится менять клапанные пружины.
В отдельных случаях целесообразно прибегнуть к монтажу турбокомпрессора, но такой вариант возможен только в том случае, если на моторе не увеличивалась степень сжатия.
Зачем нужно форсирование двигателя?
В большинстве случаев форсирование мотора автомобиля приносит владельцу транспорта неоспоримые преимущества. Прежде всего, автолюбителю удается значительно обогатить топливную смесь, что не только повысит мощность, но и увеличит срок эксплуатации двигателя, а также будет способствовать его более стабильному функционированию. За счет баланса в работе мотора на холостом ходу динамика разгона становится значительно лучше. 
Если сделать форсаж правильно, то можно сразу заметить, насколько стремительно автомобиль начинает набирать ход. При всех достоинствах форсировки очень важно правильно подойти к данной процедуре, поскольку при увеличении мощности значительно возрастает нагрузка на трансмиссию. Другими словами, помимо самого мотора, дорабатывать приходится и ее.
СОДЕРЖАНИЕ
Принцип
Увеличение тяги за счет нагрева байпасного воздуха
Тяга может быть увеличена за счет сжигания топлива в холодном перепускном воздухе турбовентиляторного двигателя вместо смешанных холодного и горячего потоков, как в большинстве турбовентиляторных двигателей с дожиганием.
В одном из первых турбореактивных двухконтурных двигателей Pratt & Whitney TF30 использовались отдельные зоны горения для байпасного и основного потоков с тремя из семи концентрических распылительных колец в байпасном потоке. Для сравнения, Rolls-Royce Spey с форсажной камерой использовал мешалку с двадцатью желобами перед топливными коллекторами.
Канальное отопление использовалось компанией Pratt & Whitney для их предложения с ТРДД JTF17 для сверхзвуковой транспортной программы США в 1964 году, и был запущен демонстрационный двигатель. В канальном нагревателе использовалась кольцевая камера сгорания, и он будет использоваться для взлета, набора высоты и крейсерского полета на скорости 2,7 Маха с разным увеличением в зависимости от веса самолета.
Дизайн
Возникающее в результате увеличение объемного расхода на выходе из форсажной камеры компенсируется увеличением площади горловины движительного сопла. В противном случае произойдет повторное согласование вышележащего турбомашинного оборудования (вероятно, это вызовет остановку компрессора или помпаж вентилятора в турбовентиляторном двигателе ). Первые конструкции, например, форсажные камеры Solar, используемые на F7U Cutlass, F-94 Starfire и F-89 Scorpion, имели двухпозиционные форсунки для век. Современные конструкции включают не только форсунки VG, но и несколько этапов увеличения с помощью отдельных распылителей.
Для первого порядка отношение полной тяги (дожигание / осушка) прямо пропорционально корню отношения температур застоя через дожигатель (т.е. выход / вход).
Ограничения
У форсажной камеры ограниченный срок службы, чтобы соответствовать ее периодическому использованию. J58 был исключением с постоянным рейтингом. Это было достигнуто с помощью термобарьерных покрытий на футеровке и держателях пламени, а также путем охлаждения футеровки и сопла воздухом, отбираемым компрессором, вместо выхлопного газа турбины.
Эффективность
В тепловых двигателях, таких как реактивные двигатели, эффективность наиболее высока, когда сгорание происходит при максимально возможном давлении и температуре и расширяется до давления окружающей среды (см. Цикл Карно ).
Поскольку выхлопной газ уже имеет пониженное содержание кислорода из-за предыдущего сгорания, и поскольку топливо не горит в столбе с сильно сжатым воздухом, камера дожигания обычно неэффективна по сравнению с основной камерой сгорания. Эффективность форсажной камеры также значительно снижается, если, как это обычно бывает, давление на входе и в выхлопной трубе уменьшается с увеличением высоты.
Это ограничение распространяется только на турбореактивные двигатели. В боевом турбовентиляторном двигателе военного назначения перепускной воздух добавляется в выхлоп, тем самым повышая эффективность активной зоны и форсажной камеры. В турбореактивных двигателях коэффициент усиления ограничен 50%, тогда как в турбореактивном двигателе он зависит от коэффициента двухконтурности и может достигать 70%.
Влияние на выбор цикла
Снижение степени сжатия вентилятора снижает удельную тягу (как сухой, так и мокрый дожиг), но приводит к более низкой температуре на входе в камеру дожигания. Поскольку температура на выходе дожигателя эффективно фиксируется, повышение температуры в установке увеличивается, увеличивая расход топлива дожигателя. Общий расход топлива имеет тенденцию увеличиваться быстрее, чем чистая тяга, что приводит к более высокому удельному расходу топлива (SFC). Однако соответствующая сухая мощность SFC улучшается (т. Е. Более низкая удельная тяга). Высокий температурный коэффициент форсажной камеры обеспечивает хороший прирост тяги.
Если самолет сжигает большой процент своего топлива при включенной форсажной камере, стоит выбрать цикл двигателя с высокой удельной тягой (то есть с высокой степенью давления вентилятора / низкой степенью двухконтурности ). Получающийся в результате двигатель относительно экономичен с дожиганием (т. Е. В режиме боевого / взлетного режима), но требует мощности на сухом топливе. Если, однако, использование форсажной камеры будет затруднено, предпочтение будет отдано циклу с низкой удельной силой тяги (низкая степень давления вентилятора / высокая степень перепуска). Такой двигатель имеет хорошую сухую SFC, но плохую SFC на форсаже в бою / взлете.
Часто разработчик двигателя сталкивается с компромиссом между этими двумя крайностями.
История
Раннее исследование этой концепции в США было проведено NACA в Кливленде, штат Огайо, что привело к публикации статьи «Теоретическое исследование увеличения тяги турбореактивных двигателей за счет сжигания хвостовой трубы» в январе 1947 года.
Турбореактивный двигатель оборудован форсажная камера, называется «дожигание турбореактивным», в то время как турбовентиляторный двигатель оборудован аналогичным образом иногда называют «дополненной турбовентиляторным».
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).
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!