要保持噴氣式戰機的“心臟”——發動機正常工作,必須要有設計合理的進氣系統幫它吸入大量的空氣,就如同運動員在長跑過程中需要呼吸調整一樣,因此飛機的進氣口技術對飛機發動機甚至全機性能的充分發揮都影響極大。那么,戰機是如何“呼吸”的?
戰機“心臟”需要“呼吸”順暢
噴氣式戰斗機在空中飛行的過程中,發動機的進氣過程遠沒有想象的那般順利。飛機巨大的飛行速度以及高空的復雜氣流,使得空氣在接近飛機表面時的流速和方向變得很混亂,從而導致發動機出現“呼吸不暢”的現象,即發動機的壓縮機葉片“呼吸”不到空氣,好像輪子打滑一樣。更糟的情況是壓縮機“吃”不到空氣后拼命“喘氣”,致使大量空氣涌入,然后被“嗆住”,再緩一口氣,然后又“吃”不到空氣,這樣反復導致發動機空中熄火。當飛機處于低速飛行時,出現這種情況并不可怕,反之飛機速度越高,問題越嚴重。尤其在高空,空氣稀薄含氧量低,發動機效率會急劇下降,造成發動機空中停車,造成嚴重的后果。
吸氣太多或太少,都不行
那么,戰機要呼吸順暢,發動機需要多少空氣?“鷂”式垂直起降戰機發動機的空氣流量為196千克/秒,F-22的發動機約140千克/秒,以每立方米空氣的質量約1.23千克算,一臺F-22發動機進氣口每秒要吸入約114立方米的空氣,相當于一個長6米、寬6米、高3.2米的房間內的空氣在一秒內全部被吸光。想像一下,如果在地面用一般抽氣機完成這項任務,抽氣機的進氣口要多大?!不過,由于戰斗機在飛行中速度很快,進氣口的空氣流速也很高,所以進氣口面積相應地小很多。通常,超音速飛機在飛行時,其進氣的氣流速度也是超音速,進氣口太大也不行,這樣一來進氣量太大也會導致發動機工作不正常,必須要自動“放”掉一些空氣。為此,進氣口的適當位置設專門的放氣門或放氣環,也可以在進氣口外設法放走一些空氣(稱“溢流”)。而在飛機起飛、降落時,進氣速度不大,進氣量會不足,影響發動機推力,所以要在進氣道兩側加一些“輔助進氣門”。
由此可見,戰斗機的進氣系統極其復雜,需要多方面綜合平衡再進行設計,于是就產生出各種各樣的進氣口。
五花八門的進氣口
自從噴氣飛機誕生以來,飛機進氣口的位置各異,大體分為正面進氣和非正面進氣。
正面進氣:進氣口位于機身或發動機短艙頭部。優點是構造簡單,進氣口前空氣不受干擾,不過缺點也很明顯,機頭進氣,飛機無法安裝大型雷達天線,同時進氣通道也太長,不利飛機內部設備安裝。早期的戰斗機進氣口多數在頭部,如米格-19、米格-21、美國的F-100,中國的殲-7等,采用發動機短艙式的進氣口飛機有蘇聯的伊爾-28、雅克-25,美國的S-3“北歐海盜”反潛飛機等。
非正面進氣:包括兩側進氣、翼根進氣、腹部進氣、翼下進氣、肋下及背部進氣等,這些進氣口位置的布置克服了正面進氣的缺點,尤其是腹部和翼下進氣的設計,充分利用了機身和機翼的有利遮蔽作用,改善了進氣口的工作條件。在戰術機動性能上,飛機在大迎角機動時發動機工作狀態平穩。兩側進氣的有美國的F-104、F-15等,蘇聯的米格-23、米格-25、中國的殲-8Ⅱ等;翼根進氣的有美國的F-105、英國的“勇士”轟炸機等;腹部進氣的有美國F-16、歐洲的EF-2000、以色列“獅”式戰斗機等;翼下進氣的有美國的B-1B、蘇聯的圖-160、蘇-27等;背部進氣道的有美國B-2、A-10等。
進氣口在不同位置以及形狀不同,產生的氣動性能也不一樣,并無好與壞之別。腹部進氣和機身兩側進氣可以縮短進氣道長度,留出機頭位置給機載雷達,但使整機阻力增大。兩側進氣對飛機側滑很敏感,根據進氣口的性能參數,分為亞音速進氣口、超音速進氣口等。進氣口形狀選擇也會根據飛機的實際性能需要綜合考慮。而一般戰斗機的進氣口大都在腹部或機身兩側,這是因為戰斗機要做大機動飛行,必須具有足夠的升力。采用背部進氣在迎角狀態下,仰起的機身就會對進氣口起屏蔽作用,導致進氣口效率大減。美國于20世紀50年代研制的F-107戰斗機就采用背部進氣口,由于效果不佳而最終未能服役。
隱身飛機的進氣口設計要求更高
飛機的隱身性能已經成為現代戰機的重要標準。而現代戰斗機對雷達波的反射源主要是進氣口、雷達艙、各翼面前緣、座艙及外露天線等。其中進氣口約占全機雷達反射量的25%。如果進氣口的隱身性能不好,發動機風扇和渦輪的正面暴露在雷達視線之中,那無異于黑夜中手電筒照在閃亮的大反光鏡上,想看不見都難,因此隱身飛機的進氣口設計必須符合隱身需要。
所有隱身飛機的進氣口包括進氣道都要涂吸波材料,這些涂層在不影響進氣口其他系統正常工作的前提下,同時還要能承受高速氣流的沖擊以及約200°C以上的高溫,不易剝落,使用壽命足夠長。由于技術條件的限制,美軍第一款也是世界上第一種可正式作戰的隱身戰斗機F-117采用網格狀的格柵,可以使足夠的空氣通過,保證發動機的正常工作。同時這種格柵可通電加熱以防止上面結冰,它對波長在10厘米左右的防空雷達的隱身效果很好,但削弱了進氣道的效率,發動機效率也因此受損。不過,作為一款不強調機動性和極端飛行性能的“低性能”飛機,這種設計尚可接受。
相比之下,B-2轟炸機在進氣口的設計上比F-117要好很多。它采用弧頂平底尖邊的外形,因為B-2通常不作大迎角機動動作,而且主要應對地面雷達,尤其對地面防空雷達的探測,因此翼上進氣口的隱形設計非常好。F-22采用進氣口斜切,外形與機體的隱身外形協調,同時將進氣口設計成S形,既可防止電磁波直接照射到葉片上,又可使進入進氣口內的電磁波經過多次折射而減弱,這些隱身設計均堪稱經典。(作者:陳宇 來源:中國國防報)