和直型進氣道比起來,S型進氣道隱身性能更佳,那麼代價是什麼呢?


前面有個答主說的對,單純的S彎進氣道是很少見的。目前也就B-2這種飛翼佈局的飛機採用背負式的純S彎進氣道。

除了這種純S彎進氣道,殲-20、F-35採用的DSI進氣道,在內壓縮段也是採用的S彎設計,只是其鼓包更具有特點,所以叫DSI進氣道。

S彎進氣道發展的目的就是為了提高飛機的前向隱身性能。通過精心設計的型線來使得氣流經過彎曲流動後進入發動機,這樣從飛機正面是不能直接看到發動機的,就可以提高隱身性能,但是相應的也會產生一些弊端:

  1. 進氣道長度較大,整個進氣系統重量大。

進氣道是給發動機提供滿足需求的進氣氣流的,它對氣流進行壓縮,降低氣流速度提高氣流壓力。對於亞聲速飛行器,比如戰略轟炸機、民航客機,採用的進氣道本質上都是一根擴張管道。

對於戰鬥機來說,採用的超聲速進氣道一般有三種結構形式,分別是外壓式、內壓式、混壓式。區分的原則是對氣流的減速壓縮過程是全部在脣口外部完成(外壓式)、一部分在脣口外一部分在脣口內(混壓式)、全部在脣口內完成(內壓式)。

對於S彎進氣道來說,要使氣流在進氣道進口和出口存在高度差,但是又不能讓氣流彎折的很厲害,不然會產生比較大的流動損失,你想像一下水流在直角形的渠道中流動,時間長了拐角處的沖刷是很厲害的。這其實就是水流的動能轉移到渠道上去了,對渠道做功了。所以為了避免這種現象,S彎進氣道都做的比較長,這樣氣流方向變化就比較舒緩。比較一下B-2和民機短艙的長度就很明顯地可以看出這點了,長就意味著重量會大一些。

2.S彎段的進氣損失較大

前面提到的,對於J-20這種超聲速戰鬥機,它採用的就是DSI形式的混壓式進氣道,氣流通過鼓包的壓縮作用後,流速降低壓力升高,同時還能把在機身前半段發展的附面層排除掉,然後再經歷過鼓包後端脣口附近的一道弓形波後降到亞聲速,再在S彎擴張段內繼續減速。在這個過程中,主要存在激波損失和粘性損失,實際上單純的亞聲速擴張段的氣流損失是很低的,對於混壓式進氣道來說,亞聲速段的進氣損失佔整個進氣系統的1/10都不到。像民機的短艙進氣道,進氣總壓恢復係數經常是0.99級別的。但是上面也提到了,S彎進氣道比較長,這就意味著氣流在流經混壓式進氣道的S彎擴張段時形成的附面層比厚,由於粘性的作用,附面層裏都是低能流。這就使得發動機的進氣總壓略低一點,而根據數據,進氣總壓恢復係數低1%,推力降低約為1.25%。下面這張圖就是一個S彎進氣道在不同進氣條件下的出口總壓恢復雲圖,壁面附近的深藍色區域就是由於粘性損失造成的低壓區。

3 誘發旋流畸變,可能引發發動機不穩定工作

前面說了進氣道是給發動機提供滿足需求的氣流的,那發動機需要什麼樣的氣流呢?一是速度壓力合適,總壓越高越好。二是要均勻,即就是發動機進口截面的壓力、溫度還有速度分佈,越均勻越好。因為對於風扇葉片和壓氣機葉片來說,均勻的氣流能保證沿整個葉片高度都處於同一種工作狀態,這樣就不會因為狀態不一樣產生分離團進而發展成失速、喘振。為了評價進氣均勻程度,有一個進氣畸變指數,包含壓力畸變、溫度畸變還有旋流畸變。舉個例子,飛機在大迎角飛行時,進氣道內部就會因為脣口氣流分離而產生大的壓力畸變。艦載機在航母上偏流板前準備起飛時,噴管的氣流被偏流板折返後發動機再吸進去,就存在溫度畸變。

而最後一種旋流畸變是什麼呢?它是指進氣道內的氣流,不光存在沿著進氣道長度方向的流動速度,還存在垂直該方向上的徑向和周向速度。簡單說就是氣流一邊向前,一邊旋轉。下面這張圖就是計算出的一個S彎進氣道出口截面的速度矢量圖,可以很明顯地看到在下方有兩個渦。

那旋流畸變有什麼危害呢?在美國SAE協會發布的AIR5686中就提到,狂風戰鬥機就是因為設計時沒有考慮到旋流畸變的影響,導致在後期遇到了機動過程中發動機喘振的問題。還有民機APU(輔助動力裝置)的進氣道也存在旋流畸變,也出現過旋流畸變引起的發動機喘振。

那對於這種危害性比較大的進氣畸變,一方面在設計之初就要盡量去降低畸變水平,另一方面如果現有設計固化了,也可以通過加裝一些導流葉片之類的裝置來削弱旋流的強度。

以上三點就是S彎進氣道的三個缺點了,期待早日在H-20上看到背負式的S彎進氣道吧。

參考:

  1. 賈洪印.帶鼓包的背負式大S彎進氣道流場特性及參數影響規律;
  2. 張磊.進氣條件對S彎進氣道出口旋流畸變強度影響研究。


一部分進氣能量浪費在拐彎摩擦上,進氣總壓損失增大。


會。

發動機進口總壓降低,導致排氣速度降低推力降低。


進氣道內靠近壁面的位置由於粘性存在低能流,也就是附面層,當附面層堆積到一定程度就會與主流存在壓差,這個壓差大到一定程度會導致二次流動,也就是主流氣體會與低能流摻混。

S型進氣道由於其造型相比直進氣道,在彎曲位置更容易發生二次流,還有s彎會造成氣體流動旋轉,也就是旋流,這兩個會導致進氣道:

1:效率下降,直接表現就是流量降低,也就是推力會下降。2:無論是二次流還是旋流,都會導致發動機靠近喘振邊界。但是在進行一些超機動性動作時,s彎進氣道反而會比直進氣道性能好一些,無論是總壓恢復係數還是出口不均勻度。


S彎進氣道其實蠻少見的,你說的可能是S彎噴管。

S彎噴管確實是為了紅外隱形,確實會造成推力損失,不過目前也有一些引射式之類的噴管代替S彎進行抑制發動機紅外特性。

S型進氣道多用於配合飛發一體化,embedded engine,就是埋入式發動機會採取S彎進氣道,目的是為了降噪和氣動一體化。

S彎進氣道對推力的損失相當大。這個損失主要是兩個方面,一個是進氣畸變(就是氣流進入發動機會發生變化)導致發動機效率下降,一個是進氣道口生成大量激波與空泡,飛機氣動阻力上升。目前的研究重點也是S彎進氣道的優化與參數化設計。

感興趣可以搜索NASA的N+i計劃,裡面有比較詳細的解釋。


進氣更費勁

但是隻要保證進氣量充足 就不會對推力產生影響


自己找一根直吸管和S型吸管,吸氣就行了。只要內徑一樣,你會有最直觀的感受。


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