蕴含巨大创新空间——歼20的鼓包式进气道

“无附面层隔板式进气道”即DSl是由美国洛马公司耗时十年研发的新概念进气道,最先在F35战斗机上得到应用,它通过一个鼓包形成的压力面来模拟以前的压缩斜板,并将原先排除附面层(因空气的粘性而在机体表面堆积的低速流层)的机理由隔板隔离式升级为鼓包推离式,从而同时实现了三个功能,一举三得。

蕴含巨大创新空间——歼20的鼓包式进气道

首先是用这个压力面分离出附面层气流,附面层因附着在物体的表面而得名,又叫边界层,是由空气的粘滞阻力引起的低能量的气流,但习惯上还是称其为附面层,附面层被鼓包从中间破开,被推向鼓包的两侧,最后从进气道唇口与机身连接处泄放,与附面层相对应的是层流,就是比较稳定的高能量气流。

蕴含巨大创新空间——歼20的鼓包式进气道

红线表示附面层气流,其疏密度表示附面层气流的多少

机翼上的附面层不能离开它所依附的表面进入上面的层流区,这叫附面层分离,附面层一旦分离机翼会失速,就好象气流吹不到机翼上了一样,附面层即使不分离也不能进入发动机,否则高低能气流混合会导致气流紊乱进而引起压气机喘振,简而言之就是发动机呛到了,人呛一下子还挺难受的,何况发动机。一般是通过设计一个贴着机身的隔板来将附面层分离出来,鼓包把原先的二维流隔离变成了三维流,将进气道完美的融合到了前机身设计当中,避开了附面层隔板带来的突兀感,恰好迎合了四代机的隐形需要,解决了进气道凹腔隐形这个最大的难题。

蕴含巨大创新空间——歼20的鼓包式进气道

F22的附面层隔道很宽,因其需长期高速飞行,附面层堆积得很厚。

鼓包的第二个功能是在进气道唇口的配合下为气流减速,因为飞机虽然可以超音速飞行,但发动机的燃烧室却只能进行亚音速燃烧,必需将来流减速发动机才能使用,一般而言0.4倍音速的气流最适合发动机,超音速气流通过激波减速,斜激波的阻力比正激波小,传统的进气道通过形成数道斜激波实现气流减速,有几道激波称为几个波系,如歼10A为三波系进气道,F15为四波系进气道,而DSl是三维压力面,它形成的激波已经不能用“个”来度量了,DSl看似简单,实际是简约而不简单,是由高超的理论、先进的设备和海量的试验堆出来的。

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DSl的第三个功能是对来流进行预压缩,其实减速的过程就是压缩的过程,经减速空气的动能转化成了压力能,间接提高了发动机压气机的压比,衡量进气道设计水平的一个重要指标是总压恢复系数,它反映了气流经过进气道以后动能的损失情况,这个数值越高表明以热量形式流失的动能越小。

另外,DSl进气道还省掉了复杂的机械压缩系统和因取消隔道节约的机体加强的重量,单是取消附面层隔道就可直接或间接减重数百公斤。

DSl进气道也不是没有缺点,它的形状毕竟是固定的,只能针对较狭窄的包线进行优化,适应范围较小。但我国在借鉴F35进行道的基础上进行了创新,显著拓宽了DSI进气道的最佳工作区间。

F35是以对地攻击为主的多用途战机,其最大速度只有1.7马赫,我国从枭龙04号原型机的两肋进气道开始DSl的尝试,先易后难,循序渐进,后经歼10B/C的腹下式,歼10B通过唇口激波及前机身的预压缩,极大提高了总压恢复系数,在2.0马赫时,总压恢复系数达到0.89,与一般的三波系进气道相当,歼20和歼31的两侧式,已发展到第三代,这些战机无一例外都是以空优为主的,我国通过长期摸索,解决了DSl在飞行包线右端总压恢复低的问题,可见中美两国的DSl技术走了两条不同的路线,两种进气道只是形似,抄袭之说纯属无稽之谈。

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F16曾有过带DSl的验证机,不过线条不如歼10B流畅,有些堆砌感

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机头边条向上唇口延伸,又加了一道斜激波

尤其是歼20的DSl,按超音速巡航优化,需要长时间高速飞行,而且是世界上唯一一款能适应超过两马赫气流的DSl,要解决附面层堆积和激波扰动的一系列问题,必须祭出附面层吸除孔这个大杀器,因为附面层会随速度的提高而变厚,鼓包的压气面可能无法及时将附面层完全推离,而且歼20进气道的前掠式上下唇口,大后掠角的机头边条(不同于主翼向前延伸的边条),后掠式的侧唇口也形成了一个复杂的波系,可以说歼20的DSI在歼10B的基础上更上一层楼,更加完善。

蕴含巨大创新空间——歼20的鼓包式进气道

歼20的鼓包形状更尖锐,在超音速状态下,可形成角度很大的斜激波对来流进行减速增压,同时鼓包在进气口偏上位置,而且鼓包的下方边缘线较上方边缘线更加倾斜,形成了激波的压力差,较好的利用了激波锋面形成的乘波体效应,增加了超音速升力,可谓匠心独运。

DSl进气道是计算机流体力学高度发展的结果,需要超音速风洞测试和超级计算机来模拟进气道复杂的流场,其对鼓包的位置、形状、大小,唇口倾斜的角度、厚度的要求都很高,可谓失之毫厘,就会缪之千里,要么造成压气机失速,要么导致超音速有很大的溢流阻力,对工艺要求则更高,因此能够大规模应用DSl的,至今只有中美两家。

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由上图可见,歼20的鼓包跟雷达罩一个颜色,很可能又加装了两部辅助的有源相控阵雷达,因为存在极细小的附面层吸除孔,在鼓包这里无法设置油箱,但正好可以布置雷达天线,吸除孔正好兼作雷达天线的冷却空气入口,热量随着附面层一并泄放,鼓包雷达可能与俄罗斯苏57的襟翼雷达同为L波段,这个波段大气衰减小,不需要很大的功率就能有可观的探测距离,所以风冷即可满足需要,同时L波段对隐形目标的探测能力远强于X波段雷达,空警2000预警机的雷达频率就是L波段,鼓包雷达能为机头的X波段火控雷达指示目标,减少了歼20对预警机和数据链的依赖,进一步增强了其电磁隐身能力。

鼓包雷达是拥有DSl进气道的战机独享的优势,因为在现代战斗机堪称寸金之地的内部空间里,已经没有第二部雷达的容身之地,苏57只能把它放到襟翼里,虽然理念不错,但作用有限,而DSl鼓包“凭空”多出来的空间是意外的惊喜,只有用来装雷达或红外探测器才不会辜负老天的美意,有了鼓包雷达再加上机头下方镶有钻石形外罩的大功率红外器件,歼20的探测能力都抵得上半架预警机了。

蕴含巨大创新空间——歼20的鼓包式进气道

总之,歼20的DSI进气道使得其拥有了独特的优势,我国不但将DSl技术彻底摸透了,而且青出于蓝,取得了很大成功。

图片与数据来自网络


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