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国防科普
超音速飞机涡轮发动机与亚音速飞机用的在设计上有什么不同?
发布时间:2019-05-23   来源:科普中国-军事科技前沿 
  出品:科普中国

  作者:王明志

  策划:武玥彤

  监制:光明网科普事业部

  网友提问:超音速飞机涡轮发动机与亚音速飞机用的在设计上有什么不同?

  专家解答:
  飞机相对于陆地和海上机动手段的明显优势就是运动速度非常快,其速度平均是陆地车辆和海上船舶运动速度的10~20倍。这种优势来自于现代飞行器先进的动力装置——航空燃气涡轮发动机。现代战斗机强调高速机动,具有很强的加速性能和超音速度飞行能力;但大型空中预警机、运输机和民航机强调快速与远程机动的均衡性,对超音速飞行能力的要求并不高。目前,主流的航空燃气涡轮发动机是涡轮风扇发动机,但超音速飞机和亚音速飞机的涡轮风扇发动机在设计上还是有很大差异的。
  首先,进气道不同。燃气涡轮发动机的进气道在设计上就分为超音速进气道和亚音速进气道两大类,超音速进气道比亚音速进气道结构复杂一些,分为内压式、外压式和混合式三种(内压式很少采用),无论哪种形式的超音速进气道,都是通过形成多个激波对进入进气道的超音速气流产生减速增压作用。亚音速进气道结构简单,进气口前缘是钝圆流线体,前段为扩张形管道,内部中心有整流锥。超音速进气道都设有调节锥或斜板,亚音速进气道则没有。
  其次,涵道比不同。涡轮风扇发动机将流经前端风扇经过压缩的气流分成内外两路(称内、外涵道)流过发动机,外涵道的气流直接流到发动机的涡轮后部,内涵道的气流经过压气机压缩后进入燃烧室。涡轮风扇发动机的气动参数“涵道比”是指外涵道空气流量与内涵道空气流量之比,由此将涡轮风扇发动机分为大、中、小涵道比三种。涡轮风扇发动机的风扇迎风面会产生很大的阻力,超音速飞机的发动机采用中、小涵道比,形状细长,如配装在改进型F-16战斗机上的F100-PW-229发动机,涵道比为0.36,直径是1.1米。亚音速飞机发动机采用大涵道比,形状短粗,配装在波音777上的“湍达”800发动机,涵道比大于6,而新的“湍达”1000发动机,涵道比高达10。
  第三,超音速飞机发动机通常有加力燃烧室。超音速飞机十分强调飞机的加速性。发动机涡轮后的燃气中仍然含有一部分氧气,超音速飞机发动机在涡轮后设有加力燃烧室,将含氧燃气与外涵道的新鲜空气混合,再向其中喷入燃料,点火后继续燃烧,提高尾喷管出口的高温燃气速度,使发动机的推力在原有基础上进一步加大。加力通常用在起飞段以及需要迅速增速的机动飞行段,接通加力时推力通常可以增大50%~70%。


著名的湍达800大涵道比发动机(图片来自网络)


F-16战斗机上的F100-PW-220发动机(图片来自网络)

  王明志,1980年6月加入空军,1991年获军事学硕士学位,2000年获军事学博士学位。曾任航空兵部队作训参谋、副团长、教研室副主任、主任。先后在《外国军事学术》、《空军军事学术》、《外国空军军事学术》、《中国空军》、《航空杂志》等发表论文、译文30余篇;1996年以来为《世界军事年鉴》“航空武器装备”类目撰稿人;担任3本教材的主编、副主编;获军队科技进步三等奖1项,空军军事理论研究成果一等奖1项,二等奖和三等奖多项。