全球角力【二戰篇】 噴氣式飛機都用什麼樣的進氣道，亞音速進氣道和超音速進氣道有哪些設計差別

進氣道是發動機的呼吸系統 也是飛機系統設計的關鍵 從螺旋槳飛機不需要進氣道 到現在四代機五代機五花八門的進氣道 飛機進氣道是如何演變的 各國戰機該怎麼選擇適合自己的進氣道 大家好 我是航空設計師老亨特 本期我們就來聊聊噴氣式戰機的進氣道 進氣道是噴氣式戰機專有的系統 早期的活塞式飛機 由於螺旋槳效率和音障效應 極限速度也就700多公里每小時 這種速度直接從機身上的簡單開口獲取空氣 就足以滿足需求 不需要設置專門的進氣道 噴氣式發動機則不同 它要在工作時需要引入大量的空氣進入燃燒室 與燃料混合燃燒產生能量 尤其是我噴發動機 需要持續穩定供應的氧氣來維持發動機運轉 空氣流量不足可能導致發動機功率下降甚至熄火 空氣流量過多又會導致阻力增加或發動機震船 以前隨便在機身上開個口的做法顯然是行不通了 戰機需要爲運輸空氣設置專門的通道 來保證把精確的空氣流量穩定的輸送至發動機燃燒室 這就是進氣道的由來 早期第一代壓音速噴氣飛機 一般採用機頭式進氣道或一根進氣道 機頭進氣道就是把進氣口設置在飛機頭部 飛行時從機頭吸入空氣 然後經過整個機身傳輸到機體中後部的發動機上 進氣道的內部設計會盡量保持平直減少彎折 最大程度減少阻力和氣流摩擦分離帶來的能量損失 進氣道入口邊緣會設計的圓潤後式 以便平穩的引導氣流 避免氣流在入口處發生分離 機頭進氣的最大好處就是結構簡單便於設計 進氣道正對氣流方向 運輸空氣的路徑短效率高 缺點是進氣道佔據了機頭絕大多數空間 限制了飛機安裝雷達等電子設備 因此一般只有早期噴氣式飛機採用直接機頭進氣 比如蘇聯的米格15米格17 美國的F84 F86等 另一種是一根進氣道 這種佈局的進氣口位於機身中部 緊靠機翼根部的前端 尾氣則從機身的最後面排出 一根進氣道內部通道較短動能損失小 同時會讓飛機的造型更加流暢 減少飛行中的空氣阻力 頭部節省出來的空間正好用來安裝雷達和其他設備 美國的F80 F105都採用了一根進氣的方式 但這種設計比機頭進氣更復雜 而且在大偏轉角的情況下 可能無法爲發動機提供足夠的空氣流量 影響發動機的正常工作 此外由於氣流會先沿機身 流過很長一段距離 在機身形成較長較厚的負面層 再從一根進氣口壁分離的話 會導致氣流衝壓力用不佳 因此並沒有被初代噴氣機大規模使用 以上兩種機頭進氣和一根進氣 一般只適用於亞引速飛機 那麼超引速飛機的進氣道又是什麼樣子呢 首先飛機進氣口的大小是不變的 但高速和低速時發動機對空氣的需求量不一樣 對超引速飛機而言 飛機的速度變化範圍很寬 超引速飛行時進入進氣道的空氣量 超過了發動機的實際需求 如果不將其排除就會導致額外的阻力 所以超引速飛機的進氣道一般是有調節裝置 根據裝置形狀的不同大致可以分爲兩種 三維的錐體調節式進氣道 和二維的斜板調節進氣道 錐體調節進氣道通常使用圓形半圓形 或1⁴圓形的進氣口形狀 然後在進氣口處加裝一個可調節的中心錐 用意調節進氣節奏 讓飛機能適應不同速度下的進氣量要求 圓形進氣道常用於機頭進氣的超引速飛機 比如蘇聯早期的兩倍引速戰機蘇-9和米格-21 中國的殲-7 殲-8 英國的閃電等 這種進氣道跟之前的亞引速機頭進氣問題一樣 會限制飛機安裝大型雷達 進氣通道太長也會浪費空間降低進氣效率 半圓形錐體進氣道通常安裝在飛機的兩側 50 60年代的西方戰機多采用這種佈局 比如法國的幻影3 幻影2000 美國的F104等 在機載電子設備快速發展的時代 兩側進氣優勢較爲突出 進氣口的中心錐除了調節進氣量 還有一個重要的作用是調節機箔的位置 改善飛機的飛行狀態 此外由於中心錐堵住了大部分進氣口 可能導致低速時進氣量不足 所以採用這種進氣道的飛機 一般在進氣口後方開一個或多個輔助進氣口 後來隨着戰鬥機性能不斷提高 使用中心錐調節的方式 逐漸顯現出抗機變能力弱 不適合高機動飛行的弱點 於是在60年代又出現了鋸形和斜形的進氣道 鋸形進氣道會在內側設置一個垂直的壓縮斜板 通過調節斜板產生一道斜機箔 對即將進入進氣道的空氣進行預壓縮 使飛機在各種飛行條件下 都能爲發動機提供最合適的氣流 代表性的飛機有美國的F4 鬼怪2 蘇聯的米格23 中國的殲82等 斜形進氣道類似於鋸形進氣道被斜切了一刀 它和鋸形進氣道壓縮空氣的方式並沒有本質區別 不過是把垂直的壓縮斜板變成了水平的壓縮斜板 飛機高速飛行時可以通過壓縮斜板的轉動 來調節進氣口面積 從斜形肩部的壓縮斜板頂端 會產生一道斜機箔來預壓縮氣流 斜形進氣道不一定非要安裝在機身兩側 也可以安裝在機身或機翼的下方 代表性的戰機有蘇聯的米格25 米格29 蘇爾奇 美國的F14 F15 歐洲的狂風 颱風等 跟中心錐調節裝置相比 鋸形斜形二維進氣道的優點是 速度調節範圍大 抗性氣積變能力強 因此在更先進的三代機 四代機中使用較爲普遍 如今更加先進的戰鬥機 都使用什麼類型的進氣道 可以看到 超音速進氣道和壓音速進氣道的區別 就是有沒有中心錐和壓縮板 來調節進氣口處的超音速氣流 解決戰機在超音速飛行時 氣流速度不穩定和壓力過大等問題 但與之相應 調節裝置也帶來了結構複雜 重量較大 故障率高等新的問題 增加了戰機維護保障的工作量 後來得益於計算流體力學和試驗技術發展 研究人員設計出了 既滿足超音速飛行時的氣流要求 又不需要調節裝置的進氣系統 這就是目前最先進的兩種第三代進氣道 偷略雙斜面的CR-ET超音速進氣道 和無負面層隔道的DSI超音速進氣道 世界上第一款五代機FR 就是應用CR-ET進氣道的代表戰機 該進氣道利用相關技術設計出兩個三維斜面 沿着進氣道的分佈合理分配氣流速度 進而使超音速氣流以較小的損失 減速到亞音速氣流 DSI進氣道的代表機型 則是美國的另一款五代機F35戰機 在設計時 該進氣道進口處是有一個鼓包 這個鼓包既可以將超音速氣流 以較小的損失降爲亞音速氣流 還可以把低速的空氣推裏進氣口 這兩種進氣道雖然設計結構不同 但都具有結構簡單 重量輕 工作穩定可靠 迎風阻力小 隱身效果好 維護費用低等特點 目前已成爲戰機進氣道發展的主流方向 不過選擇進氣道形狀並不完全根據它的先進性 而是根據實際的需要 比如F16超音速戰機選擇了基輔亞音速進氣道 以犧牲超音速性能爲代價 換取了更優的亞音速機動性 和短距起降能力 且結構簡單 成本較低 更適合與F15重型制空戰鬥機 形成高低搭配 S21作爲偵察機 並不需要高機動性 且發動機安裝在機翼上 不佔用機頭空間 所以用中型錐進氣道最合適 斜型進氣道雖然在很多方面比巨型進氣道更優秀 但也不是後來的飛機都使用這種進氣道 法國的陣風采用的是近似半圓形進氣道 對其整個飛機佈局來說是最好的選擇 歐洲的颱風採用的是近似巨型 在保證進氣質量的情況下 服從於飛機的佈局 可見根據自己需求選擇合適的進氣道 才符合戰機設計的規律 好了 本期視頻到這裏就結束了 咱們下期再見