黑鸟”系列飞机推进系统详解[组图]

sededede123 收藏 5 1179
导读:美国洛克希德公司研制的A-12“牛车”/SR-71“黑鸟”系列高空高速战略侦察机是广大军迷朋友耳熟能详的传奇飞机设计师凯利·约翰逊的杰作,这种60年代初首飞的飞机直到今天仍然保持着一系列速度和平飞高度的纪录,它的成功绝对是一个工程的奇迹。在超音速飞行理论刚刚成熟的50年代末,60年代初,要研制一种能够在超过热障[注1]的速度下作长时间巡航的实用飞机需要克服的技术难题多的难以想象,在整个项目中包含了大量的高风险创新,飞机的复杂程度也令人瞠目,但是它不但在相当短的时间内研制成功,而且作为美国重要的战略侦察力量一

美国洛克希德公司研制的A-12“牛车”/SR-71“黑鸟”系列高空高速战略侦察机是广大军迷朋友耳熟能详的传奇飞机设计师凯利·约翰逊的杰作,这种60年代初首飞的飞机直到今天仍然保持着一系列速度和平飞高度的纪录,它的成功绝对是一个工程的奇迹。在超音速飞行理论刚刚成熟的50年代末,60年代初,要研制一种能够在超过热障[注1]的速度下作长时间巡航的实用飞机需要克服的技术难题多的难以想象,在整个项目中包含了大量的高风险创新,飞机的复杂程度也令人瞠目,但是它不但在相当短的时间内研制成功,而且作为美国重要的战略侦察力量一直服役到冷战结束。在这种令人着迷的飞机毒蛇一般的身躯里跃动着一颗硕大而强劲的心脏,这种飞机的推进系统,包括进排气系统和发动机被综合成为了一个整体,整个系统在当时可谓复杂地匪夷所思,应用了当时最尖端的技术,取得了非凡的成就。在这个推进系统中所采用的技术直到现在仍然被认为有很高的风险,这样的设计方案为何会被采用,又是如何取得成功相信对于今天的人们依然有一定的借鉴价值。

技术背景

在冷战气氛越来越浓重的50年代,为了突破对方的防空拦截进行侦察和轰炸同时也为了反过来拦截这样的入侵者,铁幕两边的飞机设计师们都在努力提高飞机的速度和升限。为了更快更高的目标,设计试飞了大量的研究机对高马赫数气动特性,气动加热,耐热结构,高性能发动机等关键技术进行了广泛的研究验证,取得了大量的数据,正是这些研究为日后名扬四海的这一代高空高速飞机奠定了基础。对于飞机高马赫数的气动特性和超音速进排气系统的设计实际上在50年代空气动力学家揭示了可压缩流动的本质和规律之后,理论上已经是可知的领域,但是这种流动方式的复杂性导致处理实际问题时仍然需要小心翼翼地进行大量的试验。同时,适应于高马赫数推进系统的进排气系统需要随飞行条件的变化进行大量的调节,否则只能在很狭小的范围内获得满意的效率,但是当时的控制技术相当不成熟,要制造响应迅速,精度良好的可调进排气系统很不容易。当时美国依托耗费巨资建设的完善风洞设施和大量的飞行研究结合其掌握的先进控制技术,率先在F-104飞机上实现了无级调节的三元进气道[注2],在J79发动机上实现了可调收敛-扩散喷管,在XB-70飞机上实现了可调的混合压缩式进气道[注3]。在发动机方面,美国两大发动机生产商普拉特·惠特尼公司和通用电气公司先后研制了一系列适用于2马赫以上速度飞行的加力式涡喷发动机(其中通用电气公司的YJ-93在XB-70飞机上验证了长时间加力高马赫数飞行的能力,普·惠公司同时期致力于核发动机YJ91),马夸特公司研制了一系列冲压发动机应用于X-7系列研究机和CIM-99“波马克”导弹,RIM-8“黄铜骑士”导弹则采用约翰霍普金斯大学的应用物理实验室研制的冲压发动机。在这样的背景下,把能够在地面静止状态启动的涡喷发动机与适应高空高马赫数飞行的冲压发动机相结合的思路逐渐出现在各种设计中。50年代的XF-103截击机的设计中率先采用了莱特XJ67-W-1涡喷发动机与事实上是XJ67加力燃烧室的XRJ55-W-1冲压发动机组合的动力配置,虽然试图达到4马赫的XF-103明显过于超前并很快被取消,但是两种循环方式[注4]切换工作的设计思想却成为变循环发动机的先声。在这样的技术基础之上研制A-12/SR-71系列飞机的推进系统虽然仍然是一个巨大的技术冒险,但是这场赌博的底牌也是很雄厚的,决不是没有客观条件的盲目冒进。

变循环发动机

A-12/SR-71飞机的发动机是普·惠公司研制的J58-P-4变循环发动机,公司内部编号为JT11D-20B,研发工作主要在佛罗里达州西部棕榈海滩的R&D研究中心进行。J58发动机最初并非专门为A-12/SR-71而研制,始于1956年下半年的JT11发动机原计划用于可以进行3马赫冲刺的海军攻击机,设计最大起飞推力为11800千克力。这种攻击机当时基本上确定为北美公司后来更名为A-5的A3J-1飞机的改进型,但是这种海军攻击机被取消了,另一个可能用户沃特XF8U-3在竞标中败给麦克唐纳F4H-1,J58失去了装机对象。当洛克希德为A-12飞机寻找合适的发动机的时候,根据海军那份1120万美元合同制造的J58-P-2发动机已经进行了700小时的全面试验,约翰逊看中了这种推力巨大,适合高速飞行而且推重比较高的发动机,普·惠公司自然求之不得。直到仔细研究了A-12飞机的任务要求之后,普·惠公司的研究人员意识到普通涡喷循环方式难以适应长时间3马赫巡航飞行,不得不对原设计方案进行了彻底的修改。修改后的J58-P-4发动机成为到目前为止唯一一种投入生产的变循环发动机,不但增加了变循环旁路,原设计的压气机、涡轮气动参数甚至基本尺寸都发生了变化。J58的基本结构与一般单转子加力涡喷发动机区别并不太大,也并非十分复杂,主要区别在于变循环用的旁路管道。发动机采用钢质对开机匣,包含主齿轮箱、主燃油控制系统、主燃油泵和减速齿轮箱的发动机附件安装在机匣下方。发动机进口处安装有可调进口导流叶片(Inlet Guide Vane,IGV),9级压气机压比为8.8,压气机静子、转子叶片和叶盘均为钢质。在第4级压气机后开有24个内部旁路放气活门,在高马赫数时打开,使气流通过连接的6根粗管绕过后几级压气机,燃烧室和涡轮。旁路气流从涡轮后重新进入,流入加力燃烧室用于增加推力和冷却。旁路管道上开有12个外部放气活门,当流量超过需要时把空气放入发动机短舱。发动机燃烧室为8个火焰筒的环管燃烧室,有48个可调面积双孔喷油嘴。发动机涡轮为2级轴流式,带有空心导向叶片,第1级涡轮叶片为空心气冷,第2级涡轮叶片实心。短扩式加力燃烧室带有气冷外罩和防振隔热衬套,加力燃烧室内有4个带火焰稳定器的同心喷油环。发动机的可调面积虹膜式加力室喷管由凸轮滚子机构和4个液压作动器操作的段组成。

J58的操作包线要求使用特殊的燃油。燃油不仅用作能源,也用于发动机的液压系统。在高马赫数飞行时,燃油也用于其它可能在高温下出现过热的飞机和发动机部件的冷却。所以燃油要有高度的热稳定性,不会分解或者结焦沉积在燃油系统的管路内,要求低挥发性来减小燃烧部分的热量散失。当然其他的指标比如可允许的硫含量,也是重要的。为上述要求开发了先进燃油JP-7(PWA535,公司内部称为LF-2A即洛克希德轻油2A,与U-2飞机使用的LF-1A一致,由壳牌石油与阿什兰、孟山都和普·惠合作研制)和PWA535E。使用时JP-7和PWA535E燃油中每5200加仑中加入1加仑PWA536润滑剂,以保证燃油液压泵有足够润滑。这种燃油主要成分是烷烃和环烷烃,芳香烃含量较低,燃点很高,不能用普通的点火器点燃,发动机主燃烧室和加力室燃油的启动点火要使用三乙基硼烷(Triethyl boron,TEB) [注5]化学点火系统。加力室火焰稳定器的催化点火系统还要在点火后保持加力室的燃烧。每台发动机在主燃烧室前上方装一个600cc(1又1/4品脱)三乙基硼烷储存箱。储箱在飞行前充氮气增压以提供惰性环境和可控压强。三乙基硼烷暴露在-5℃以上的空气中就会自燃,所以三乙基硼烷箱由主燃烧室燃油流提供冷却,储箱上还装一个安全盘,当储箱压强超过安全线时可使三乙基硼烷蒸气和氮气排入加力室。一满箱的三乙基硼烷至少可供16次喷射。



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