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人類第一架面世的噴氣式飛機——Me262,其實是把發動機吊在機翼兩側的。然而自戰後以來,噴氣式飛機得到了快速發展,戰鬥機很快就進入了超音速時代,有太多的理由決定了戰鬥機的發動機安裝不能採用原有的翼吊式這與我們今天見到的戰鬥機形態有很大差別;反而客機和運輸機,反倒是沿用翼吊式的發動機佈局。本就將詳細分析一下這背後的考慮。

戰鬥機是高速飛行器,極限速度往往要飛到2馬赫以上,需要考慮的因素很多, 尤其是減阻的需求顯然要比客機強烈許多。如果是像客機那樣在翼下吊2發發動機,不光是形狀破壞了整體的流線型,而且增大了迎風面,使飛機很難加速到超音速。因此從戰後第一代噴氣式戰鬥機開始,美國、蘇聯和英國在戰鬥機設計上都開始紛紛拋棄翼吊發動機,蘇聯戰後大量服役的Mig-15和美國的F-86佩刀,就是採用機頭進氣,發動機放置在尾部的設計,這種設計也為後來的戰鬥機設計奠定了一個基本格局。

進氣適配

除去迎風面的因素以外,還需要考慮發動機的進氣適配。這是因為超音速的氣流並不能直接為發動機所用,否則會造成進氣失配,引起發動機喘振甚至空中停車。所以需要一個進氣道對空氣進行減速和預壓縮。所以這樣以來必須要有個長長的管道充當進氣道。如果是翼吊的發動機,就無法實現這一點,最優解決方案當然是把發動機放到飛機尾巴處,用機頭、機身兩側或者機腹開一個進氣口,利用機身本身的長度來容納進氣道。

戰鬥機的進氣道需要兼顧0-2.5馬赫這個範圍內的總壓恢復係數和進氣道流量係數,因此進氣道的設計十分複雜。早期美蘇等國不約而同地使用了激波錐式進氣道,利用帶一定角度的圓錐產生的斜激波對空氣進行減速和預壓縮;後來又發展出二元三波系,二元四波系的矩形進氣道,利用液壓驅動的可動斜板來改變進氣量和激波偏轉方向。

所以基於以上原因,戰鬥機的發動機必須是埋入式的,並且要安裝在飛機尾部的發動機艙內。發動機尾噴口從尾部開口伸出,這樣阻力才能儘量小。

大型客機採用翼吊式發動機的原因

而大型客機或者運輸機由於速度低,最高速度只能達到高亞音速(0.8馬赫),不需要專門的進氣道設計,即便使用進氣道,一般也不含可動部件。而如果硬要把發動機塞到客機內部,勢必要擠佔大量的機內空間。客機作為一種需要長時間運營的交通工具,對成本非常敏感,顯然被髮動機和進氣道擠佔的空間會使座椅和行李空間減少,使運營成本大幅上升。所以處於經濟性,客機的發動機吊一般選擇吊機翼下方的;歷史上客機也曾經使用過尾吊式發動機,即把發動機放置在機尾,但不會擠佔尾部的空間。比如著名的Tu-154客機,除了在機尾左右各吊一臺發動機,在機尾上方還有另一臺發動機,與垂尾融合。兩種佈局都不擠佔機身內部空間,那麼為啥現在尾吊式種佈局幾乎消失不見了呢?

其實並不是消失不見了,只是在大型客機上已經不用了,公務機和支線客機上還是可以看到這種設計的,這跟飛機尺寸重量都有關係。大型的飛機,如果採用翼吊式,發動機離地不高,維護起來比較方便如果只是日常檢修,加點潤滑油,拆開蓋子直接就能搞,人員站著就能維護;如果採用尾吊式發動機,那麼高度就要高得多(參考圖-154),維護起來是十分不便的。

翼吊式發動機相對於尾吊式發動機還有個好處,就是重心安排合理。發動機裝在機翼上,距離重心比較近,所以飛機設計時很好配平。如果是尾吊式,會導致機尾重量面線偏重,那就得考慮把一些比較重的東西放到機身前半部分,增加了設計上的限制和不合理性,出現事故的時候也容易屁股先著地。除此此外,尾吊式發動機由於位置偏高,燃油泵功率也明顯要增大,增加了成本。

理解了客機對經濟性要求,我們就知道了那麼客機為啥不直接像戰鬥機那樣直接把發動機塞入機身中了。因為客機最寶貴的東西是是空間。如果把發動機塞入機身中,再額外設計個進氣道從機身伸出,那麼勢必要擠佔很多寶貴空間,那可是相當於少賣了好多張機票。這麼設計飛機航空公司第一個不同意。而且如果採用像戰鬥機那樣全部埋入式的發動機設計,相當於增大了維護保養的難度,發動機維護一次花的時間長到無比酸爽,保證乘客把機場鬧個底朝天。

至於小型客機和公務機,由於尺寸比較小,配平相對簡單,用翼吊式還是尾吊式都可以。但是採用尾吊式的多一些,比如灣流研發的G650,屬於商務機或者土豪私人飛機,就是採用尾吊。這種設計可以把發動機和客艙隔離出一段距離,減少噪音,非常符合土豪對舒適環境的要求。

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