[原创]喷气发动机设计的误区(2)——F-22的F119是如何保持超音速巡航

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导读:保持超音速巡航目前只有美国的F-22了,但其实第一个实现超音速巡航的却是那个“双三”SR-71“黑鸟”高速战略高速侦察机,而且是1962年就实现的事;然而,此后的至F-22的年月里,再没有飞机可以保持超音速巡航了。 什么原因导致如此情况呢?而F119发动机又施了什么“魔法”让F-22实现了超音速巡航? 还是从涡扇发动机、涡轮发动机的工作原理讲起: 涡扇发动机、涡轮发动机工作原理就是通过压气机的定、动叶片将空气加速、加压,然后通过扩压段进行减速进一步提高空气的压力,通过燃烧室实施高温高压低速换热燃烧,燃

保持超音速巡航目前只有美国F-22了,但其实第一个实现超音速巡航的却是那个“双三”SR-71“黑鸟”高速战略高速侦察机,而且是1962年就实现的事;然而,此后的至F-22的年月里,再没有飞机可以保持超音速巡航了。

什么原因导致如此情况呢?而F119发动机又施了什么“魔法”让F-22实现了超音速巡航?

还是从涡扇发动机、涡轮发动机的工作原理讲起:

涡扇发动机、涡轮发动机工作原理就是通过压气机的定、动叶片将空气加速、加压,然后通过扩压段进行减速进一步提高空气的压力,通过燃烧室实施高温高压低速换热燃烧,燃气夹杂60%以上的没有参与燃烧的空气的高温高压低速气体通过涡轮的定叶进行提速冲击涡轮动叶片对涡轮实施膨胀做功,为压气机提供需要的驱动功率;没有做功的高温高压加速混合气通过尾管进一步加速,最终以更高的速度冲出喷口,达到目的。

空气在压气机的低压段一般是低速流动的大约200m/s左右的速度,高压段最高速度最高不过450m/s左右,仅仅超过一点音速;进了燃烧室,一般速度减速到30~60m/s,为的是稳定燃烧与换热;进入涡轮段,速度重新提高,大约300m/s左右;在尾管,气流主导一维流动,最终将绝大多部分气体理顺到一个方向,产生最大推力。

目前发动机都是这种内在,所以在高亚音速应用相当出色,而在超音速方面却差强人意。

问题就出在发动机内部气体流速上,实质上轴流发动机是不适合高超音速飞行的,其中高压叶片本已处于超音速状态,再在超音速外部气流冲击下,叶片不可能顶的住,即便顶住代价也是不菲的;超音速燃烧室、超音速涡轮机问题诸多,几乎不可逾越,也许根本不必要。

F119借鉴了J-58组合冲压发动机经验,这就是它的“魔法”所在:F119亚音速低压部分产生的气流一定是低压,当超音速飞行时,低压压气机出口的空气压力就不再是低压了,而是同高压压气机出口差不多的空气压力,而这股气流绝大部分通过外涵道进入发动机涡轮后的进入加力燃烧室,其燃烧效率也与燃烧室几乎没有区别,这借鉴的是冲压发动机燃烧室后没有涡轮原理;而推动低压压气机的依然是涡轮,不过透过高压压气机的空气流量没有改变,而透过涡轮的气体几乎所有参数都没有本质变化,甚至消耗的燃料更少。

有一点要说明,F119在地面无论怎样打开加力去耗油,都不能获得最大推力,原因是不能获得超音速冲压发动机推力。

J-58组合冲压发动机的原理,美国终于有人理解了,所以把它应用于F119的设计,不过这一过程经历了40多年,但至今理解这一点的人依然很少。

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