我连发动机都是派大星的样子---超音速巡航
2017/3/17 17:09:38 中国科普博览
“超音速巡航”这个词想必大家都比较陌生，不过它却成为最近一条新闻的主角。据《印度快报》日报报道，印度首次成功试射了射程从300公里拓展至450公里的“布拉莫斯”超音速巡航导弹于11日在印度奥迪沙邦的钱迪普尔导弹发射场附近，通过移动发射台完成。
其实，除了超音速巡航导弹以外，还有具备超音速巡航功能的战斗机。
超音速巡航到底是什么？
▲为进行战机短距起降和机动性能技术的研究，美国曾将一架F-15B加装了矢量发动机，并命名为F-15S/MTD。矢量发动机采用矩形喷口，这跟现在的F-22喷口类似
超音速巡航是指飞机在不开启后燃器的情况下能够持续在1.5马赫以上进行超过30分钟的超音速飞行。超音速巡航的提出主要是基于快速突防的战术思想，因此，该技术其在未来的超视距作战中具有很大的优势。超音速巡航是第五代战斗机的主要技术特征之一。
矢量发动机的作用
一般常规的使用单纯涡喷发动机或者涡扇发动机的飞机必须要开加力才能达到超音速，而且持续时间不能太久，一般不超过30分钟，否则会发生发动机过热导致烧坏发动机等不利情况，同时耗油量增加1~3倍。
很多人熟知的是，矢量发动机能让战机进行各种超强机动，实际上，它其中的一个作用就是，减少超音速巡航时的阻力。
为进行战机短距起降和机动性能技术的研究，美国曾将一架F-15B加装了矢量发动机，并命名为F-15S/MTD。矢量发动机采用矩形喷口，这跟现在的F-22喷口类似。
协和客机还有未来的概念超音速客机设计，它们的机翼和尾翼跟普通客机相比都很短小，因为在超音速巡航时，机翼和尾翼越是宽大，气动阻力就越会急剧上升，从而让超音速巡航变得不可能。
而对飞机飞行姿态的控制主要由机翼和尾翼完成，减少了它们的面积也就意味着减弱了对飞机稳定性的控制。矢量发动机通过偏转喷管，让一部分推力转化为对飞机的操纵力，从而部分地代替了飞机机翼和尾翼的作用。
因此，矢量推力技术可让战机的机翼和尾翼设计得更小，这能有效减小超音速巡航时的阻力。
中国也在紧锣密鼓地研制矢量推力发动机，相信不久的将来，中国的战机必定会装上自己的矢量推力发动机。
说到航空发动机，历史上到底有多少种航空发动机呢？基本原理又是怎样的？
▲洛克希德公司设计的概念超音速客机。
星型发动机
▲星型发动机示意图，在其他更先进的航空发动机出现之前，大型飞机的发动机常采用星型设计
▲星型发动机属于活塞式发动机的一种。早在1903年，星型发动机就用在了飞机上
涡轮喷气发动机
▲涡轮喷气发动机简称涡喷发动机，其历史也很悠久。1937年，世界上第一个涡轮喷气发动机就开始运行了
▲从大的方面看，涡喷发动机由5个结构组成
空气从进气道进入发动机后，首先被高速运转的压气机压缩，产生高压致密空气以提供大量氧气，燃烧室喷油燃烧，向后冲击涡轮机，而涡轮机又带动前面的的压气机，燃气流从喷口喷出产生推力。
涡喷发动机使用范围很广，从低空低速到高空超音速飞机都有广泛应用。前苏联的战斗机米格-25高空超音速战机采用涡喷发动机，曾经创下3.3马赫的飞行记录，也创下了37250米的升限纪录。使用涡喷发动机的战斗机很适合在高空进行超音速飞行。
涡轮风扇发动机
▲涡轮风扇发动机简称涡扇发动机
很容易就能发现，涡扇发动机和涡喷发动机两者之间的区别。涡喷只有一个空气通道，专业上叫做“涵道”，而涡扇发动机却有两个空气通道。也就是说，涡喷发动机是单涵道发动机，而涡扇是双涵道发动机。
▲发动机在运转时，外涵道与内涵道空气流量的比值叫做涵道比
规律是，涵道比越大越省油，经济性越好，高涵道比的发动机在亚音速时有非常好的能效，所以它广泛地运用于客机、运输机等。
现代战斗机也大多采用涡扇发动机，只是，为了追求高空的超音速性能，使用低涵道比的发动机。
涡轮螺旋桨发动机
▲涡轮螺旋桨喷气发动机，简称涡桨发动机
涡桨发动机的本质类似于涡喷发动机接上一个减速器，并带动外部的螺旋桨。
目前，蛟龙-600是世界上最大的水陆两用飞机，于2016年7月23日总装下线。
▲中国自行设计研制的水陆两栖飞机蛟龙-600，采用国产WJ-6涡桨发动机
涡桨发动机通常用在小型或低速的亚音速飞机上。但也有例外，俄罗斯的图-95战略轰炸蛟龙-600机使用的NK-12MV型涡桨发动机，让其达到925公里每小时的高速，接近音速。
桨扇发动机
涡桨发动机的燃油效率通常高于涡扇发动机，但它也不是尽善尽美，原因之一是，涡桨发动机上多了一个减速器，也就是变速齿轮。变速齿轮的存在一是增加了发动机重量，二是多少会带来一些功率上的损耗。
为此，有的国家研制一种不需要变速齿轮的发动机，它就是桨扇发动机。
▲安-70运输机上的D-27浆扇发动机
由于和涡轮之间没有减速器，桨扇的螺旋桨转速非常高，带来的优点是燃料效率进一步提高，而缺点是噪音大，难以运用于追求舒适性的客机上。目前，只有安-70运输机使用浆扇发动机。
▲“安-70”运输机由乌克兰与俄罗斯共同研制开发，于1994年12月6日首飞
“安-70”的发动机，其叶片为前置，还有另一种桨扇发动机，其叶片为后置，这就是通用电气早些年进行实验的发动机GE36。
涡轮轴发动机
涡轮轴发动机简称涡轴发动机，顾名思义，它是通过“轴”来传输动力。直升机、坦克、船舶上都有使用。
▲涡轴发动机并非如此简单，但您可以借此理解其本质
▲ch-47支奴干直升机上的涡轴发动机
冲压发动机
无论是上文提到的涡喷还是涡扇发动机，它们的前部都有一个“压气机”，这可是个大块头，要是能把它去掉就太好了。问题是，没有了压气机，怎么压缩空气？
飞行器飞得越快，迎面而来的空气就越快，当快到几倍音速时，空气自然就得到了压缩。高压空气进入燃烧室，混入燃油，剧烈燃烧并向后高速喷出以得到动力。这就是冲压发动机的原理。
▲图中的(a)代表传统的涡喷发动机，其结构很复杂，而(b)代表冲压发动机；(c)表示超燃冲压发动机
冲压发动机一般用在导弹和目前还在试验阶段的高超音速飞行器上。
航空发动机的发展已有100多年的历程，相比欧美国家，我国的起步较晚，不过，即使是这样，我国也取得了很大的成就。迄今为止，全世界能够研发航空发动机的也只有美国、俄罗斯、英国、法国和中国等少数几个国家。
航空发动机被誉为国之重器，正如所见，我国对航空发动机越来越重视，整合力度也在不断加大。未来，我国的航空发动机必将走入世界第一流的行列。
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