中国飞机进气道与发动机相容性研究达世界先进水平

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资料图:使用DSI技术的歼31战机

大家在坐飞机的时候都应该见到过飞机发动机,就是下图的这个东西,大家看到的民用飞机中,绝大部分的发动机都有着圆圆的进气口,透过进气口大家可以看到发动机的风扇叶片。

  探索飞机进气道与发动机的“和谐之美”

我们可以经常看到的飞机发动机

  第二次世界大战后期,德国首次采用涡轮喷气发动机替代活塞发动机作为其战斗机动力,从而开创了航空技术发展的一个新时代。二战之后,美苏两大航空强国为了占领航空技术的高地,投入大量的人力、财力进行高性能飞机和大推力发动机的研制,并遵循飞机和发动机作为两个独立的部件单独设计研究的理念。

但是不知道大家注意到没有,并不是所有的飞机发动机进气口都是圆形的,比如说下图这种发动机,进口就是扁扁的形状,让人看着就有点儿不太舒服。而且很多人都会觉得奇怪,为什么飞机发动机进口往往是圆的的,但是又偏偏有些发动机的进口不是圆的?

  上世纪50年代中期,美国的F-102飞机在进行大速度机动飞行时,飞机头部产生强烈爆音,进气道内部“嘟嘟”作响,发动机转速极不稳定、推力时大时小,为了避免重大飞行事故的发生,飞行员最终放弃了预定的飞行计划。在之后几个架次的飞行中,间断性地发生类似现象的飞行故障,而每次地面检查的结果都表明飞机和发动机正常。这个结果让人大惑不解,经过研究人员的仔细分析、研究,终于找到这一故障的主要罪魁祸首——飞机进气道与发动机之间的匹配性问题。至此,飞机进气道与发动机相容性设计、验证开始作为关键环节纳入到飞机和发动机的研发体系中,并成为航空业者重点研究的内容之一。

扁扁的发动机进气口

  揭秘飞机进气道与发动机相容性问题

飞机发动机进口当然是圆的最好喽

  现代飞机上配装的涡轮风扇发动机在运行时需要吸入大量的空气,其中部分提供给发动机的燃烧室,用以和航空煤油进行混合燃烧,产生机械能来驱动发动机风扇高速旋转;另外部分空气经发动机风扇叶片的高速旋转、压缩成高压气体从发动机尾喷口排出,给飞机提供向前的推力,而飞机进气道正是这段为发动机提供空气的管道。在喷气式飞机发展之初,设计者对飞机进气道并不重视,认为其仅是为发动机提供足够数量空气的管道而已,很少对进气道内部流场特性进行研究和优化,加之当时飞机进气道气动构型简单,且飞机本身追求高空、高速的飞行性能,对机动性要求也比较低,因此早期并未出现由于进气道的原因导致飞行故障的发生。而随着飞机气动构型的复杂、机动性能的日益提高,进气道出口流场品质对发动机工作影响的作用逐渐显现,并成为影响发动机工作稳定性的主要因素之一。

飞机发动机的进气口很多都是圆形的当然不是拍拍脑袋就决定的。如下图所示,发动机内部有一个非常关键的部件叫做转子。

  所谓进气道出口流场品质,简而言之就是从进气道出来提供给发动机的空气在整个流道截面上压力、温度以及气流方向等特性的均匀性,如果均匀性不佳,会导致发动机风扇叶片振动,压缩效率降低,发动机整体推力减小,甚至造成发动机空中喘振停车等重大飞行故障。因此,飞机进气道出口流场品质随着航空技术的发展逐渐引起了航空研究人员的极大关注,并投入大量的人力、财力进行研究和技术攻关。

发动机内部的气流流动

  导致进气道出口流场品质问题逐渐凸显并日趋严重的原因有以下几个方面:首先,现代先进战斗机为了达到较好的隐身和机身完美的气动性能,往往广泛采用无附面层隔道,短“S”弯进气道,这种构型使得进气道流道长度缩短、曲率加大,进气道内部极易产生气流分离,从而容易导致进气道出口的流场畸变,特别是旋流畸变;其次,新一代战斗机往往追求大攻角、大侧滑角等高机动飞行性能,以增强其空中格斗和规避导弹打击的能力,这种高机动的飞行也容易诱使进气道出口产生压力、温度等流场畸变;最后,侧风、结冰气象条件以及飞机编队飞行、发射导弹、发动机反推力构型、弹射起飞等条件也会使得进气道出口气流产生畸变。

而从这个名字我们就可以知道,转子这个东西是转动的,而且是高速转动。在某些航空发动机中,转子的转速甚至于可以高达每分钟旋转4万转以上。而如此高的转速就决定了转子必须是周向均匀的,否则在旋转的时候就会出现巨大的不平衡力,让整个发动机分崩离析。

  当然,进气道与发动机相容性问题的根节不仅仅体现在进气道和飞机外部环境方面,发动机自身的设计也是其中关键的因素之一。现代飞机配装的高性能涡轮风扇发动机往往为了追求大推力和精确的适应性控制能力,发动机的燃油调节、放气防喘、气动调节等控制系统较为复杂,如果在上述方面控制欠佳,会反过来影响到进气道的流场特性,也会诱发进气道与发动机之间的匹配问题。

所以发动机的主体结构就是圆形的,或者用专业术语来说就是回转体,这也意味了发动机结构围绕着转子的回转轴线各个方向几乎是均匀的。正是通过转子的转动,发动机吸入空气、压缩空气、混合燃料后燃烧,然后驱动涡轮旋转,构成整个发动机内部的循环。这个循环中很重要的一步就是吸入空气,所以各向均匀的发动机内部结构最好是从进气口均匀地吸入空气,当空气因为种种原因没有均匀进入发动机的时候,就会形成所谓的进气畸变,影响发动机的正常工作。

  总之,飞机进气道和发动机之间就如同鞋和脚之间的关系,只有相互匹配好,才能走起路来舒适、轻松,才能发挥出各自更佳的效果,展现出“和谐之美”。

著名的眼镜蛇机动

  飞机进气道流场畸变与发动机工作稳定性

航空发动机为了应对进气畸变,一定要进行大量的仿真和试验来保证发动机不会受到这种问题的影响。

  一辆行驶中的汽车,如果发动机出现问题,仅仅会导致汽车无法行驶,而高空中飞行的飞机,如果出现发动机故障,飞机动力不稳定甚至失去动力,很可能会造成机毁人亡的严重事故。因此,发动机被称为飞机的“心脏”,在飞行中必须保持这颗“心脏”稳定、正常的工作,能在各种飞行工况、气象条件、发动机状态下都能保持转子转速稳定、排气温度不超温,能够满足正常飞行所需的推力恒定。

发动机进气畸变仿真分析

  发动机由成千上万个零件组成,各个零件之间必须紧密配合,以空气为工质,重复进行气体压缩、喷油加热、膨胀作功和放热的循环程序,通过该循环程序进行气体动能、燃料热能及机械能之间的相互转换,并保持在发动机内部的气体流动、热力产生与传热、机械力传动等方面的动平衡,可以说飞机发动机是迄今为止人类创造的最复杂的机械装置。飞行中如果发动机任何环节出现问题甚至微小的波动,则可能会牵一发而动全身,影响到整个发动机系统的稳定工作。

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