可转向航空发动机有何利弊?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-11-24

虽然这种可转向发动机和固定式发动机相比较为罕见,但其实在喷气式飞机中早已实现,可谓垂直/短距起降固定翼飞机的标配。

  科幻电影《终结者2》虽是一部1991年的老片,但其炫酷的场景即使放到今日也令人惊叹。电影中的HK猎杀者机器人具有强劲的可转向发动机(术语称为矢量喷管),给人深刻印象。虽然这种可转向发动机和固定式发动机相比较为罕见,但其实在喷气式飞机中早已实现,可谓垂直/短距起降固定翼飞机的标配,最典型的代表便是英国的“鹞”式战机和美国的F-35B战机。

1. 电影中的HK猎杀者

电影中的HK猎杀者

  于1960年10月首飞的“鹞”式战斗机是世界实用型垂直/短距起降战斗机的滥觞,它装配有一台性能优越的升力巡航“飞马”MK104可转向涡扇发动机。该发动机前后各有2个喷管,可同时转动0~98.5°,从而给飞机提供垂直向上和水平向前2个方向的推力。具体而言,当飞机垂直起飞时,发动机的4个喷管转至垂直向下,通过喷气产生的反作用力推动飞机垂直上升;而短距离起飞时,喷管则会转至水平向后,和普通的固定式发动机相似,推动飞机加速滑行起飞。

2. “鹞”式战斗机

“鹞”式战斗机

  正是由于可转向发动机能够使飞机实现垂直起飞,因而无需传统的滑行跑道。这不但节省了地面空间,还大大提升了作战反应速度,兼具了直升机和固定翼战斗机的优点。同时,由于飞机可较便捷地起降,故在战场上可随时降落在屋顶或地面上进行伪装,从而提高战场生存率。此外,可转向发动机还使得飞机拥有普通机型不具备的特殊功能,例如空中悬停、原地转弯甚至倒飞等高难度动作,这在紧急情况下也可提高生存率。特别地,对于航空母舰而言,垂直/短距起降飞机的优势更为明显,可大大节约航母的甲板空间,增大载机数量。

  前苏联于上世纪专为航母研制了雅克-38垂直起降战斗机,但仅服役十余年便于1991年封存,而“鹞”式战斗机也已于2013年从英国空军退役。据统计,美军自1971年引进“鹞”式战机后,仅非作战情况下就先后发生300余起事故和900余起险情,损失45名飞行员。说到此,就不得不说可转向发动机的缺点了。

  首先,飞机发动机对起飞环境要求很高,垂直起降时发动机很有可能会吸入从地面扬起的砂砾、石屑等异物,导致严重的叶片损伤,威胁起降安全。其次,垂直起降还易造成尾喷管排出的高温气体被吸入进气道,造成燃烧效率下降,推力降低。再次,和普通机型相比,可转向发动机维护起来繁琐昂贵,且飞行员需要较高的操作技巧才能实现发动机精密、准确的角度变化,故在战时的紧张氛围下容易发生失误。另外,为了推动笨重的飞机垂直上升,仅起飞阶段就需耗费全部燃油的近30%,且还是在载弹量减少的情况下,因而垂直/短距起降飞机的航程一般较短,实战性较差。

3. F-35B战斗机(注意其喷管垂直向下)

F-35B战斗机(注意其喷管垂直向下)

  美国的F-35B战斗机是目前最先进的垂直/短距起降战斗机,配有一台两级对转升力风扇和一台喷管可转向的主发动机。作为世界上唯一服役的第五代战斗机F-35的衍生机种,F-35B克服了部分转向发动机带来的缺点。例如,F-35B具有一个单独置于机身上部的升力风扇,在吸入冷空气向下喷射以提供升力的同时,还在喷管和进气道之间形成一道气体屏障,可避免发动机吸入高温废气。F-35B还装配了推力达34000 lb的F119-PW6-11发动机,提高了飞机有效载荷及载弹量,并大幅提升了飞行速度。尽管如此,F-35B的作战半径仍因安装了升力风扇而被限制,可转向发动机距离技术完全成熟还需一定时日。

 

注解:lb为英美常用重量单位,1 lb0.45359 kg

 

参考文献:

1. 袁新立. HARRIER“鹞”垂直/短距起降战斗机[M]. 北京: 航空工业出版社, 2014.

2. 张新敬, 谭春青, 陈海生. 垂直/短距起降喷气式飞机及其升力推进技术研究综述[C]. 中国工程热物理学会热机动力学学术会议论文, 2006, p.729-737.

3. 洪亮. 垂直起降飞行器排气喷管性能研究[D]. 南京航空航天大学学位论文, 2012.

4. 陈滔, 孟琳, 李楠, 叶永强. 飞机垂直/短距起降技术的研究[J]. 现代电子技术, 2014, 37 (23): 110-114.

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