Теория прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Часть 2. Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

И.Е. Никитина  
 
 
 
ТЕОРИЯ ПРЯМОТОЧНОГО  
ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО  
ДВИГАТЕЛЯ 
 
Часть 2 
 
Сверхзвуковой прямоточный  
воздушно-реактивный двигатель 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
по курсу «Специальные двигатели ракетного оружия» 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 1 1  

УДК 621.455(075.8) 
ББК 39.62 
Н62 
Рецензенты: Л.С. Яновский, В.Е. Смирнов 

 
Никитина И.Е.  
  
 
       Теория прямоточного воздушно-реактивного двигателя. 
— Ч. 2: Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный 
двигатель : учеб пособие по курсу «Специальные двигатели 
ракетного оружия» / И.Е. Никитина. — М.: Изд-во МГТУ  
им. Н.Э. Баумана, 2011. — 81, [3] с. : ил. 
 
Во второй части учебного пособия дано описание устройства, изложены принцип действия и элементарная теория воздухозаборных 
устройств прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), 
приведены расчетные зависимости для их проектирования, а также 
указаны свойства и характеристики материалов, применяемых для их 
изготовления в настоящее время.  
Для студентов старших курсов, изучающих дисциплины «Специальные двигатели ракетного оружия» и «Проектирование энергетических установок ракетного оружия», а также аспирантов и преподавателей, проводящих аудиторные занятия по указанным дисциплинам. 
 
УДК 621.455(075.8) 
ББК 39.62 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 
 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 

Н62 

1. ВХОДНЫЕ ВОЗДУХОЗАБОРНЫЕ УСТРОЙСТВА  
И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 

1.1. Особенности функционирования  
воздухозаборных устройств 

Входные устройства (или диффузоры) воздушно-реактивных 
двигателей (ВРД) предназначены для эффективного сжатия воздуха посредством торможения поступающего в двигатель потока. 
Входные устройства должны иметь высокую пропускную способность на всех скоростях и режимах полета и обеспечивать на входе 
в камеру сгорания высокий уровень равномерности полей скоростей и давлений. 
Необходимо также, чтобы преобразования энергии в диффузорах совершались с возможно меньшими гидравлическими и газодинамическими потерями и не приводили к появлению срывных и 
помпажных режимов, резко ухудшающих работу двигателя. 
К основным требованиям, предъявляемым к входным устройствам ВРД, относятся: 
• малые потери полного давления на всех режимах полета; 
• высокая производительность; 
• малое внешнее сопротивление; 
• высокая равномерность полей скоростей и давлений на входе 
в камеру сгорания; 
• отсутствие срывных и помпажных режимов работы; 
• малая масса и простота конструкции. 
Газодинамические принципы выполнения сверхзвуковых диффузоров реализованы в эффективных методах многоскачкового 
(теоретически бесскачкового) преобразования сверхзвукового потока в дозвуковой. 

Замена одного прямого скачка системой скачков, включающей 
несколько косых скачков и замыкающий прямой скачок, дает возможность существенно снизить потери сверхзвукового торможения. 
Влияние числа Маха М0 полета на потери полного давления 
(σm)max в различных многоскачковых системах показано на рис. 1. 
С увеличением числа «провоцируемых» скачков интенсивность 
каждого из них снижается и эффективность сверхзвукового диффузора резко возрастает. При значительном увеличении числа 
скачков мы переходим в пределе к бесскачковому торможению 
потока, и значение коэффициента восстановления полного давления σ приближается к единице. Вследствие трения и наличия пограничного слоя в реальных изоэнтропических системах скачков 
значение σ всегда меньше единицы. В настоящее время при M = 
= 2,2 (типовой высотно-крейсерский режим полета сверхзвукового 
летательного аппарата (ЛА)) могут быть получены значения σ = 
= 0,90…0,92. 
 

 

Рис. 1. Зависимость коэффициента 
(σm)max от числа Маха М0 полета 
для оптимальных скачков:  
1 — прямой скачок; 2 — косой + прямой; 3 — два косых + прямой; 4 — три 
косых + прямой 

 
В зависимости от способа осуществления сверхзвукового торможения сверхзвуковые диффузоры (рис. 2) подразделяют следующим образом: 
• диффузоры с внешним сжатием. Такие диффузоры состоят из 
наружной оболочки и центрального тела со ступенчатым конусом 
(рис. 2, а); 
• диффузоры со смешанным сжатием (рис. 2, б); 
• диффузоры с внутренним сжатием (рис. 2, в). 
Увеличивая число скачков в диффузорах как с внешним, так и 
с внутренним сжатием, можно перейти к непрерывному (изоэн

тропическому) торможению сверхзвукового потока. На рис. 3, а, б 
показаны схемы диффузоров с внешним и внутренним изоэнтропическим сжатием.  
Схема диффузора с внутренним сжатием изображена на рис. 4. 
Такой диффузор представляет собой профилированный канал  
с плавными очертаниями, напоминающий сопло Лаваля. 
 
 

Рис. 2. Схемы диффузоров с различными видами сжатия: 
а — внешним; б — смешанным; в — 
внутренним 
 
 
 

 
 
Рис. 3. Схемы диффузоров с бесскачковым 
(изоэнтропическим) сжатием:  
а — внутренним; б — внешним 

Рис. 4. Схема сверхзвукового диффузора с внутренним сжатием и 
распределение газодинамических 
параметров (статической температуры Т; скорости v; статического 
давления р, давления торможения 
(или полного давления p*)) по 
тракту: 
а — бесскачковое торможение; б — 
торможение с образованием скачка;  
в — образование «выбитой» волны 
 
Идеальный диффузор с бесскачковым торможением потока 
при отсутствии пограничного слоя работает следующим образом. 
В сходящейся (сверхзвуковой) части канала происходит торможение сверхзвукового потока в волнах сжатия бесконечно малой 
интенсивности и на расчетном режиме в наименьшем сечении 
канала г–г, называемом горлом, скорость течения достигает скорости звука. Дальнейшее торможение уже дозвукового потока 
происходит в расширяющейся (дозвуковой) части диффузора. 
Таким образом, идеальный диффузор с внутренним сжатием работает как обращенное сопло Лаваля; параметры потока вдоль 

такого диффузора изменяются непрерывно. Потери полного давления отсутствуют. 
В реальном диффузоре взаимодействие волн сжатия с накопляющимся пограничным слоем приводит в некотором сечении к 
образованию замыкающего прямого и Λ-образного скачка и к возникновению потерь полного давления. 
Преимуществом диффузоров с внутренним сжатием является 
их малое внешнее сопротивление. 
Одна из распространенных схем сверхзвукового диффузора —  
схема осесимметричного воздухозаборника с центральным телом 
и с внешним сжатием (рис. 5). 
 

 
Рис. 5. Схема сверхзвукового диффузора с внешним сжатием: 
αi, βi (i = 1, 2, 3) — конструктивные углы входного диффузора;  
fн = fвх — относительная площадь входного сечения диффузора 
 
Диффузор состоит из наружной обечайки и центрального ступенчатого конуса. Входная кромка обечайки наклонена к оси симметрии воздухозаборника под некоторым углом δ — так называемым углом поднутрения. 
Число ступеней конуса и углы их установки определяются 
числом и местоположением косых скачков уплотнения на расчетном режиме. На схеме изображен ступенчатый конус с четырьмя 
скачками уплотнения (три косых скачка + замыкающий скачок). 
На расчетном режиме скачки фокусируются на передней кромке 
обечайки (в точке А). Канал за замыкающим прямым скачком выполнен в форме сопла Лаваля. За критическим сечением сопла г–г 
(так называемое горло) устанавливается сверхзвуковая зона, которая заканчивается прямым или Λ-образным скачком уплотнения. За 
этим скачком, вплоть до входа в камеру сгорания, течение газа является дозвуковым. При изменении противодавления на выходе из 
диффузора дежурный скачок перемещается в канале. Существова

ние дежурного скачка в диффузоре предотвращает распространение 
возмущений (колебаний давления) со стороны двигателя на систему 
косых скачков и препятствует ее разрушению. 
До сих пор рассматривались расчетные режимы работы диффузора. Однако в реальности он работает в широком диапазоне 
нерасчетных режимов: при различных числах М и высоте полета, в 
различных атмосферных условиях. 
Нерасчетные режимы работы диффузора характеризуются некоторыми специфическими газодинамическими явлениями, к которым относятся: 
• изменение и разрушение расчетной системы скачков; 
• выбивание головной волны на входе в диффузор; 
• растекание входной струи; 
• неустойчивая работа (помпаж) диффузора; 
• появление до- и сверхкритических режимов. 
С отклонением числа М полета от расчетного значения Мр изменяется наклон косых скачков у диффузора с внешним сжатием. 
Они в этом случае уже не фокусируются на передней кромке обечайки (рис. 6). При уменьшении числа М углы наклона скачков 
возрастают и скачки отходят от передней кромки диффузора.  
С увеличением числа М углы наклона скачков уменьшаются, скачки частично входят в диффузорный канал. 
 

 

Рис. 6. Влияние числа М на углы 
наклона скачков 
Рис. 7. Влияние выбитой головной 
волны на систему скачков 
 
У диффузоров всех типов на определенных режимах работы, 
когда пропускная способность горла оказывается недостаточной и 
оно не в состоянии пропустить весь воздух, поступающий во 
входной канал, перед входом в диффузор образуется так называемая выбитая головная волна (рис. 7). Такая волна может либо час

тично, либо полностью разрушить расчетную систему скачков, 
возникающую у диффузора с внешним сжатием. Появление выбитой волны — нежелательное явление, так как она увеличивает потери полного давления и внешнее сопротивление диффузора, 
уменьшает расход газа через диффузор (в результате растекания 
входной струи). 
Рассмотрим явление растекания входной струи при работе 
диффузора с внутренним сжатием. На расчетном сверхзвуковом 
режиме площадь поперечного сечения входной струи (невозмущенного потока) равна площади входа в диффузор, т. е. 
н
вх
f
f
=
 и 
коэффициент расчета 

 
н

вх
1.
f
f
ϕ =
=
 

На нерасчетном режиме работы диффузора (см. рис. 4, в) при 
возникновении перед ним головной (или выбитой) волны входная 
струя с сечением 
вх
f
 уже не может полностью попасть внутрь 
диффузора. Наступает явление растекания (разделения) струи: 
внутренняя часть ее с сечением 
н
вх
f
f
<
 будет втекать в диффузор; 
наружная часть с сечением 
в
н
f
f
<
 будет обтекать обечайку входного устройства. 
Аналогичное явление имеет место в работе многоскачкового 
диффузора с внешним сжатием. На расчетном режиме полета косые скачки, возникающие при обтекании ступенчатого конуса, фокусируются на передней кромке обечайки (см. рис. 5); при этом 

н
вх
f
f
=
 и 
1
ϕ = . 
На нерасчетных режимах работы при увеличении угла наклона 
косых скачков на пониженных числах М и при появлении перед 
диффузором выбитой волны, вызванной выдвиганием из диффузора регулируемого ступенчатого конуса, имеем 
н
вх
f
f
<
 и, следовательно, 
1,0
ϕ <
 (рис. 8). Таким образом, при растекании струи 
пропускная способность диффузора, а следовательно, и располагаемый расход газа через диффузор, уменьшаются; коэффициент 
расхода становится меньше единицы. 
Причиной растекания струи является искривление линий тока 
в сверхзвуковом потоке за косыми скачками. В случае нерегули

руемого диффузора (при отсутствии выбитой волны) каждому 
числу M
1
>  соответствует единственное значение ϕ. 
Явление растекания струи, безусловно, является вредным явлением, поскольку оно способствует, во-первых, уменьшению 
внутренней тяги силовой установки вследствие уменьшения расхода воздуха и, во-вторых, увеличению волнового сопротивления 
диффузора, что в итоге может привести к значительному снижению эффективной тяги двигателя. 
 

 

Рис. 8. К объяснению способов запуска 
диффузора:  
а — запуск нерегулируемого диффузора (выбивание головной волны при условии, что 
текущее значение числа Маха М0 меньше 
расчетного Мр); б — запуск с помощью перемещения конуса 
 
В случае, когда диффузор нерегулируемый, коэффициент расхода ϕ зависит только от соотношения расчетного числа 
д(р)
M
 

диффузора и числа 
н
M  полета. Чем больше 
д(р)
M
 и чем меньше 

н
M , тем меньше ϕ. На рис. 9 показано влияние числа 
д(р)
M
 на ко
эффициент расхода и дополнительное волновое сопротивление 
диффузора при 
н
M  = 1. Для 
д(р)
M
= 4,5 находим 
0,22
ϕ =
 и 

доп /
0,4
X
R =
, т. е. волновое сопротивление диффузора составляет 
40 % внутренней тяги. 
Для выявления особенностей запуска сверхзвукового диффузора рассмотрим течение в диффузоре с внутренним сжатием на 
расчетном режиме (см. рис. 4, а). 
Уравнение расхода для сечений в невозмущенном потоке (н–н) 
и в горле диффузора (г–г) имеет вид 

 
н
г
н
н
г
г

н
г
(
)
(
),
р
р
m
f q
m
f q
T
T

∗
∗

∗
∗
λ
=
λ
 

где параметры уравнения определены в первой части пособия.