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隐身飞机的进气道  

2009-11-14 08:01:14|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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进气道是隐身飞机的一个重要组成部分。如果进气道隐身不好,发动机风扇和涡轮的正面暴露在入射的雷达视线之中,那无异于黑夜中手电筒照在闪亮的大门板上,想不看见都难。隐身飞机的历史不长,除了被取消的项目、无人机和研究机外,到现在只有6种飞机可以称得上是隐身飞机:F-117、B-2、F-22、YF-23、F-35和X-32,其中YF-23和X- 32都是接近生产规格的飞机,所以算进去了。有趣的是,这6种隐身飞机采用了6种不同的隐身进气道的设计。

进气道设计分里外两部分,里指进气口以内到发动机的这一段。对于隐身来说,这一段应该有所弯曲,使发动机正面不直接暴露在入射的雷达视线之中。外指进气口本身,这要求尽量避免边界层分离板和进气口唇部和前进方向(一般假定为最主要的雷达入射方向)不成直角,如果可能的话,甚至避免边界层分离板。

F-117是历史上第一架真正的隐身飞机。由于技术条件的限制,F-117的隐身技术是基于多面体反射的原理,将入射的雷达能量尽量反射到其他方向,而不是返回到入射的方向,以减小被雷达探测的机率。F-117的发动机并没有深埋,所以进气道没有多少弯曲,主要靠进气口上的格栅形成雷达屏障。进气口本身是斜切的,在水平和垂直方向上都向后斜切一刀,以避免和前进方向上形成直角。网格状的格栅可以使足够的空气通过,以保证发动机的正常工作。但网格本身尺度较小,对入射的雷达来说,和倾斜的平面没有两样。F-117就是这样阻止入射雷达直接“看见”发动机的。由于是亚音速飞机和出于对隐身的考虑,F-117没有对边界层分离作特殊处理,发动机效率也因此受到损失。作为不强调机动性和极端飞行性能的“低性能”飞机,这是可以接受的。

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F-117的进气口的格栅清晰可见

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除了进气口格栅外,进气道基本上是平直的

B-2在技术水平上比F-117高得多。由于计算技术的进步,更由于电磁理论的突破,B-2采用弧顶平底尖边的外形。理论上,飞碟是最理想的外形;实际上,飞翼足够接近理想外形,而且飞翼在气动和结构上有额外的好处。由于肥厚的飞翼的原因,B-2可以把发动机深深地埋在飞翼结构里,飞翼的上表面的扁平的进气口和弯曲的进气道可以保证入射的雷达无法从上方直接照射到发动机的正面,从下方就更不可能了。这样B-2可以采用较简单的翼上扁平进气口,只需要在唇部作尖齿修形,就没有问题了。但是翼上进气口的问题是,气流要流经飞翼的上表面一段路,才能进入进气口。上表面和空气的摩擦加剧了边界层的问题,所以亚音速的B-2的进气口也采用了常规的水平的边界层分离板,和进气口唇部一样,也做了尖齿状的隐身修形。

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B-2的翼上进气口对地面防空雷达是完全隐身的,对空中雷达也通过扁平进气口和弯曲进气道达到很好的隐身效果.发动机深埋在飞翼内部,远离雷达的视线

F-22和F-117、B-2不一样,不光要求隐身,更要求机动性和超音速巡航性能。F-22不光采用了弯曲的进气道(但弯曲程度不及B-2),还采用了介于机侧和翼下进气口之间的所谓Caret进气口。这个Caret进气口不光在水平和垂直方向同时向后斜切一刀,还将矩形的进气道截面扭转成斜菱形的,避免了侧面的直立平面。Caret进气口在垂直方向的向后斜切一刀可以和F-15的楔形进气口相比,在大迎角时具有将迎风气流兜住的作用,有利于发动机稳定供气。在水平方向向后斜切一刀则避免了唇部和前进方向成直角。然而,这样复合地斜切,加上进气道侧面和菱形机头的折边相当于边条,对进气口的气流场设计和整个飞机的气动设计要求很高,弄不好要弄巧成拙。Caret进气口整个侧悬于机身,和机身的空隙正好作为边界层的泄流道,在机翼上表面开口泄放。取消的 A-12攻击机的进气口也属于Caret进气口,当然A-12没有超巡的要求。

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F-22的Caret进气口和机身之间有明显的空隙,这就是分离边界层的地方

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进气口后上方紧靠机身的开口就是泄放边界层的地方(图中红圈里部分)

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F-15的楔形进气口有利于大迎角飞行时发动机的稳定进气

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F-22的进气口的斜切一刀有异曲同工之妙,但F-22的进气口是在水平和垂直两个方向上复合斜切的,对气动设计的要求大大提高

YF-23的设计要求和F-22一样,但更强调隐身和超巡。YF-23采用翼下进气口和向上的弯曲进气道。翼下进气口和机身下截面的形状是吻合的,也是梯形,但摈弃了边界层分离板,而是别出心裁地在进气口前的机翼下表面开了很多小孔,用于吸走边界层,然后向机翼上表面泄放。机翼上表面气压低于下表面,这是机翼产生升力的道理。YF-23巧妙地利用了这个原理,通过孔道将边界层从发动机进气气流中吸除,抽吸到上表面,解决了边界层分离的问题。不过不知道长期在恶劣环境使用时,会不会这样有孔道堵塞的问题。边界层分离板的结构彻底消失,消除了一大导致强反射的前向孔穴。从这一点上说,YF-23的进气口隐身设计比F-22的Caret进气口还要先进。翼下进气口还在气动上保证了发动机在大迎角下的稳定供气,这一点和苏-27是一样的。

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YF-23的结构解剖图,注意标58、59的地方,这就是边界层吸入和泄放的地方(图片存储后可展开看)

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进气口前浅黄色网格的地方就是边界层吸收装置,现在为了封存而盖没了。从正面看,进气口前的机翼下表面是平整的,也没有空隙、突板等容易强化雷达反射的东西

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拆除发动机的YF-23反而可以看见弯曲进气道的情况

F-22代价之高昂,连财大气粗的美国都感到承受不起,于是作为高低搭配中低端的F-35应运而生。F-35的隐身和机动性要求都比F-22放松不少,超巡要求索性放弃,所以飞机的设计也相应简单。F-35采用了先进的DSI进气口(意为无分离板超音速进气口,Diverterless Supersonic Intake),巧妙地采用一个复杂形状的鼓包,将边界层的呆滞气流层从中间一剖为二,引向进气口两侧的边角泄放,而不影响主要的“干净”气流层稳定地进入发动机。这样,DSI避免了边界层分离板,避免了前向隐身的一大隐患。机侧进气和单发也自然地保证了Y形弯曲进气道的要求。DSI进气口在进气口的局部设计比较复杂,但对整机的影响没有Caret进气口或YS-23那样的吸气式边界层分离来得大。但DSI据说最优范围较窄,不适合兼顾超巡和高机动的要求。

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F-35的机侧进气口有一个很有特征的鼓包,这就是DSI

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这是计算流体力学对DSI的仿真

落选的X-32的进气口采用了所谓雷达屏障来达成隐身。这是像整流片一样的一组可动叶片。完全开启时,气流和雷达波都可以顺畅地进入进气道,完全关闭将使发动机窒息,当然不可以。但部分关闭,可以使入射的雷达波的大部分被叶片遮挡,剩余的漏网之鱼必须偏转一个角度才能进入内进气道,在返回入射方向时,大部分再次被遮挡,只有漏网之鱼中的漏网之鱼才能逃逸回去,大大削弱有效回波。内进气道的壁上涂敷吸波材料,进一步削弱有效回波。屏障片关闭的程度可由任务和威胁程度来决定,平时可以打开,以改善发动机的工作条件和节约燃油;高威胁时关闭,以增强隐身。这个设计首先被用在F-18E上,这也是F-18E敢于称为“半隐身飞机”的主要原因,不过F-18E的雷达屏障是固定的。由于进气口位置十分靠前,机头结构引起的边界层问题不大,所以X-32只约略在机头下部采取了类似DSI的措施,但没有过于下功夫。真正机头进气的米格15到21根本不用对边界层采取任何措施,这也是早期单发战斗机采用机头进气的一个重要原因。

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X-32的进气口差不多就相当于机头进气了,看起来好像敌人雷达可以对发动机一览无遗的样子,但里面隐藏着一个秘密:雷达屏障

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面对这样一个雷达屏障,雷达不能一目了然地看到发动机的正面,漏网的电磁波最终也大半被“陷”在屏障的背面,只有很少能够逃逸。这个雷达屏障是F-18E上的,意思是一样的

F-117那样的雷达屏蔽格栅比较简单,用于低性能飞机比较合适。B-2的翼上进气口的隐身最好,尤其对地面防空雷达,但不适于高性能的战斗机,拉大迎角机动时,进气稳定性很难保证。F-35的DSI用于对已经大体定型的飞机的隐身修形比较好,枭龙04和歼-10B就采用了DSI。DSI当然也可以用于新飞机。X- 32的雷达屏障也是一样,但对发动机性能有所损失。机头进气也恐怕对不需要座舱的无人机和巡航导弹更合适,这样可以缩短机头进气口道发动机的距离。F- 22的Caret进气口适合于高机动和超巡,在性能上超过DSI,更是遥遥领先于雷达屏障。但YF-23的吸气式边界层分离最为先进。不知道能不能将吸气式去除边界层和辅助进气结合起来,飞机上的发电机、空调系统有独立的进气口,如果和吸气式去除边界层结合起来,岂不一举两得?

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