導讀:很多人在看國內外戰機報道的時候,難免會聽到“超音速巡航”、“開加力”、“渦噴發動機”“渦扇發動機”等這樣的專業術語。今天我們就來了解一下,什麼是真正的超音速巡航,以及某些航空發動機。
偽超音速巡航
超音速,是指飛行器的飛行速度超過環境中的聲速,比如在海平面高度,20℃空氣中的音速大約是343米每秒,或1235千米每小時。這個都很好理解。然而,飛行器在飛行過程中,單位距離上消耗燃料最少的速度,才能稱為巡航速度。
如果把超音速和巡航速度兩個條件加在一起,嚴格來說,現在的很多戰機,在介紹的時候說它具有超音速巡航能力,是不怎麼準確的。這些戰機確實能超音速飛行,但卻是在開啟“加力燃燒室”的情況下實現的,而開啟加力燃燒室,就有點畢其功於一役的感覺了。那什麼又是加力燃燒室呢?
加力燃燒室
要了解加力燃燒室,我們得先來了解一下噴氣發動機的一般原理。
如上圖,空氣從進氣道進入發動機後,會首先被高速運轉的壓氣機狠勁壓縮,之所以要壓縮,是因為外界空氣中的含氧量不足於支撐裡面的劇烈燃燒。
高密度高壓氣體進入燃燒室,與燃油混合後,劇烈燃燒,繼而產生溫度更高壓力更大的噴流,渦輪機被噴流衝擊,高速旋轉,通過軸,從而帶動前面的壓氣機旋轉,最後一步,噴流從噴口高速離開,產生強大的反推力,驅使飛機高速飛行。
實際上,噴氣發動機很複雜,種類也很多,上面介紹的這種就屬於“軸流式渦輪噴氣發動機”,簡稱“渦噴發動機”,它一般用在早期的戰鬥機上,比如第一代和第二代戰鬥機就以這種發動機作為主要動力,它的特點是高速飛行時,效率高,但低速飛行時效能很差,現在處在淘汰的邊緣。
而用在客機和現代戰機上的,一般是“渦輪風扇發動機”。簡稱“渦扇發動機”。
從上圖可以看出,“渦扇發動機”的原理與“渦噴發動機”基本類似,最大的不同點是,它在壓氣機的前面安裝有巨大的進氣風扇,這個大風扇除了可以協助壓縮空氣外,還能當作螺旋槳使用。
更直觀清晰的渦扇發動機如下圖:
從上圖我們容易看出,渦扇發動機有兩個空氣通道,中心的那個叫做內涵道,外面的叫做外涵道。發動機在運轉時,外涵道與內涵道空氣流量的比值叫做涵道比。
涵道比越大越省油,經濟性越好,高涵道比的發動機在亞音速時有非常好的能效,通常用於客機、運輸機等。
雖然渦扇發動機的耗油低、噪音小,但是,高涵道比(比值目前大都在8以上)的渦扇發動機比較適合用在亞音速的客機上,戰鬥機如果使用,那麼在超音速時,這樣的巨大風扇無疑將帶來致命的阻力。
因此,戰鬥機一般都採用低涵道比(比值小於1)的渦扇發動機,以此帶來更小的阻力和更大的推力,可就算這樣,要想實現超音速飛行,也不是一件容易的事,為了得到更高的推力,就必須進一步提高燃燒室的溫度,然而,由於材料的限制,渦輪一般很難承受這樣的高溫。
怎麼辦呢?這就得靠“加力燃燒室”來解決了。
加力燃燒室位於渦輪的後方,因為那裡沒有旋轉的部件,所以可以承受更高的溫度。
當發動機開啟加力時,推力瞬間可提高1.5倍左右,這樣大的推力一般用在戰鬥機在航母上起飛,突破音障作超音速飛行、或者是正與敵機纏鬥等情況下使用。
開啟加力雖然能快速提高推力,但是,因為加力燃燒室裡面的空氣是已經被前面的燃燒室使用過一遍的,裡面的含氧量不高,在這種情況下注入燃料進行燃燒,效率很低,耗油量非常巨大,一般戰鬥機在加力全開下,大多數不到十分鐘就會耗盡所有油料。
真正的超音速巡航
鑑於很多戰機的超音速巡航是在開啟加力的情況下得到的,所以,這樣的巡航不是真正意義上的超音速巡航,只能說,戰機可以超音速飛行。
那麼目前,真正意義上超音速巡航戰機有哪些呢?別的先不說,我們先來了解一下F-35戰鬥機。據洛克希德-馬丁公司副Quattroporte證實,F-35戰鬥機不是一款能超巡的飛機,不過,其在開啟加力,突破音障,到達1.2倍音速後,接著關閉加力,這樣能維持1.2音速下衝刺241千米。
瞧,連大名鼎鼎的F-35戰機都不能說自己百分之百就是一款超音速巡航戰機,又何論其他。
超音速巡航作為第五代戰機的一個標準,不是簡單地,或者剛剛好過了音速就可以,要這樣說的話,半個多世紀前,英國的“閃電”截擊機也要歸類到這裡面,“閃電”截擊機在不開加力的情況下也能達到1.01音速。
目前,在超音速巡航方面做得最好的是第五代隱形戰鬥機F-22,這是公認的一款超音速戰機,在不開啟加力的情況下,其巡航速度為1.82倍音速,這種高超音速巡行的效能,目前無機可比。
曾經,F22在和 F-15、F-16 的多次對比試飛中,每次都是要不了多久,F22就能把這兩款戰機遠遠地甩在後面,並且,當這兩款飛機的油料頻頻告急的時候,F22油箱仍然剩下很多油,這就是高超音速巡航的優勢。而另一個顯而易見的優勢是,在高超音速巡航狀態下發射導彈時,導彈將具有更大的初速,射程會更遠,有時甚至能提高50%的射程。這很好理解,因為導彈一離開機身,這屁股還沒點燃呢,就已經擁有了飛機的超音速。如此說來,對於導彈來說,出身,也很重要。
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