Влияние давления и температуры воздуха на силу тяги двигателя

Физическое состояние атмосферы влияет не только на аэродинамические характеристики самолета, но и на силу тяги, создаваемой двигателем. Наибольшая сила тяги, которую может развивать двигатель на данной высоте при максимально допустимом режиме его работы, называется располагаемой силой тяги P_р.

Располагаемая сила тяги ТРД в значительной степени определяется давлением и температурой воздуха на высоте полета. Эта зависимость следует из принципа работы двигателя.

Воздух, поступающий в ТРД со скоростью V, сжимается в воздухозаборнике и далее в турбокомпрессоре для более полного использования тепловой энергии. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, в которую впрыскивается жидкое топливо. Образовавшиеся при сгорании топлива газы, через сопловой аппарат попадая на турбину, частично расширяются в турбине, вращающей компрессор. Окончательное расширение газов происходит в реактивном сопле, откуда струя газов, создающая реактивную тягу, вытекает со скоростью C, значительно превышающей скорость V. Таким образом, происходит изменение количества движения газов, которое равно импульсу реактивной силы тяги.

С высотой располагаемая сила тяги ТРД снижается в следствие того, что относительная плотность воздуха D убывает, а увеличение отношения T ₀/ T не компенсирует уменьшения D. Так, например, в стандартной атмосфере у двигателя, для которого показатель степени n в выражении (4) равен единице, располагаемая тяга на высоте 8 км почти в два раза меньше, чем у поверхности земли.

В реальных условиях изменение располагаемой тяги с высотой имеет более сложный вид и зависит от вертикального распределения температуры. Чем меньше вертикальный градиент температуры в слое, тем быстрее происходит уменьшение плотности воздуха с высотой и тем самым интенсивнее падает сила тяги. Поэтому при полете с набором высоты в изотермических и особенно в инверсионных слоях, в частности, при пересечении тропопаузы, следует ожидать довольно значительного падения силы тяги. И наоборот, при снижении самолета и выходе из изотермического или инверсионного слоя (например, при переходе из стратосферы в тропосферу) сила тяги довольно резко возрастает.

При полете на постоянном эшелоне значительные колебания располагаемой силы тяги могут наблюдаться при пересечении атмосферных фронтов. При полетах во фронтальных зонах в отдельных случаях в течение сравнительно короткого времени сила тяги может уменьшиться (при попадании в более теплый воздух) или увеличиться (при попадании в более холодный воздух) на 5-10 %.

Большие изменения силы тяги может быть обусловлено межсуточной изменчивостью температуры и особенно её сезонными колебаниями.

При сильных стратосферных потеплениях относительное изменение силы тяги (уменьшение) при скорости полета до двух M может достигнуть 10 % и более.

Располагаемая сила тяги, развиваемая двигателем при полете с максимальной скоростью (при максимальном числе оборотов) и является максимально возможной силой тяги на данной высоте. На других режимах горизонтального полета (при меньшем числе оборотов двигателя) используется лишь часть её – потребная сила тяги P _п, необходимая для преодоления силы лобового сопротивления (X = P _п) в установившемся горизонтальном полете. Разность между располагаемой и потребной тягами представляет собой избыток тяги

.

Избыток тяги есть тот резерв, который использует летчик в полете, чтобы скомпенсировать влияние изменения температуры на силу тяги.

Наивыгоднейшая скорость полета V _наив – скорость, при которой потребная тяга является наименьшей, полет совершается на наивыгоднейшем угле атаки, т. е. при максимальном аэродинамическом качестве самолета: P _{п min} = G/K _max. Практически для самолетов с ТРД наивыгоднейшая скорость близка к скорости, соответствующей максимальной продолжительности полета.

Крейсерская скорость полета V _кр – скорость полета, при которой отношение P _п /V минимально. Ее можно определить путем проведения касательной к кривой P _п из начала координат (см. рис. 1). Для самолетов с реактивными двигателями она близка к скорости, обеспечивающей наименьший километровый расход топлива.

Экономическая скорость полета V _эк определяется исходя из минимума потребной мощности (в основном для самолетов с поршневыми и турбовинтовыми двигателями).