03.02 变循环航空发动机相比于传统涡扇发动机有多厉害?

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变循环航空发动机可以使发动机的热力循环发生变化,从而改变发动机内部流路的变化,这是因为飞机的飞行速度并不是匀速的,他是在不断调整变化的,为了让飞机在飞行时能发挥良好的性能,所以就需要一个可以适应不同飞行状态的发动机,以前的飞机一般是涡喷就只能是涡喷的模式,涡扇也只能用涡扇模式,这样会形成一种高油耗,白白浪费资源。



一开始的变循环技术主要是调整发动机的流量和涵道比,这主要是需要适应高速飞行和可续航的经济原因,后来经过现代科技,比如传感器和数字技术的发展,发动机的控制不再是机械计算元件的简单机械液压控制变成复杂精确的控制,而是通过涵道比的变化和对核心机流量的控制,完成发动机在涡轮风扇与涡轮喷气工作模式间的转换,使飞机在各种飞行状态下都有可以满足需要的性能。



涡扇发动机多用于现在飞行速度在400到1000公里的飞机上,这符合绝大多数的飞机飞行速度,涡扇发动机在是在涡喷发动机的基础上增加了风扇,一部分空气通过外函道向后推,另一部分空气进入压气机,两者形成高温高压喷气混合形成合成推力。

飞机发动机的技术核心是在于提高燃油的使用效率,能够提供更大的高速推力,提高飞机的超速巡航和拦射能力,减低中低空飞行和亚音速的耗油率。



变循环喷气发动机改变的是他的热力循环燃气涡轮发动机,只要改变了变循环的发动机循环参数如空气流量和含到底增压比等,就能让发动机适应各种飞机的飞行状态,比如在爬升和加速时,飞机需要一个强大的推力,这个行为如果有变循环喷气发动机完成的话,飞机就会有一个更加良好的运行状态,所以他就要满足高速飞行的要求,又要满足低速待机长行时间或者远程持久飞行的要求,同时还得节省资源。总结起来就一句话,“变相循环发动机是飞机拥有低油耗的经济能力和拥有高速推力的好东西”。


风云一点通


种花家的军事兔来回答。这个话题要从头说起。

二战后喷气式飞机的发动机经历了这么几个阶段。最开始是涡喷发动机。

但是涡喷发动机太废油了,一二代战斗机(旧美标)普遍使用涡喷发动机,结果就是单发的MIG-21航程最大1300km,重型的F-4挂上3个副油箱航程也才2600km。于是人们搞出了涡扇发动机。

涡扇发动机就是压气机前的风扇直径扩大,并设置外涵道,因为外涵道不烧油而且能提供一定的推力,所以涡扇发动机相对比较省油。

但是涡扇发动机并不是完美的,多出来的外涵道也增加了不少阻力。所以一般而言,涡扇发动机的优势区间是400-1000km/h之间,涡喷发动机则更擅长高空高速环境。对应的,涡扇发动机因为引入了外涵道,所以结构上也更加复杂。
从战斗机发展的角度看,涡扇发动机取代涡喷发动机几乎没有受到什么阻力,因为当时来看,战斗机还无法做到超音速巡航,所以0.4-0.5,0.5-0.7,0.7-0.9这三级涵道比的涡扇发动机带来的总体收益非常可观。
从原理上讲,涡喷发动机的优点和涡扇发动机的优点并不完全矛盾,通过调整发动机的机械结构,改变发动机部件的尺寸,外形,位置,理论上的确能够让一种发动机综合这两种结构的优点,于是就诞生了变循环发动机。

简单的说就是通过设置在各个涵道前端的调节板,关闭或者打开某个涵道。没有了外涵道的涡扇发动机就是涡喷发动机,涡喷发动机加个外涵道就是涡扇发动机。因为这种发动机的工作原理是可以改变的,所以就叫变循环发动机。

但是,在以超音速飞行时要调整飞机发动机的内部结构,虽然原理不复杂,但是从工程角度看还是相当困难的,特别是当要求发动机具备很好的可靠性时。
不过,变循环发动机确实也不是什么新鲜玩意了,1966年服役的SR-71就是使用变循环发动机的。另外,SR-71和U-2可以说世界上最早在设计时对飞机外形考虑综合隐身技术的飞机,一定程度上也降低了雷达反射面积。
不过当时的变循环发动机根本没有多大用,在SR-71上,实际上没多大作用。虽然有一种说法是因为SR-71是变循环发动机所以可以长时间以3M速度飞行,这是扯淡。因为变循环发动机本质上只是在涡扇与涡喷发动机之间切换,如果涡喷飞不了三马赫,那么变循环飞不了,除非你能把发动机工作模式变成冲压模式。(但是SR-71的J-58也只是在涡喷与涡扇中间切换)

美国人在SR-71上用变循环发动机多多少少有些实验的意味,而且SR-71的J-58变循环发动机性能并不怎么好。

接下来说说ATF计划(产物是F-22和YF-23)时期。当时实际上美国的变循环发动机还是比较成熟了,在试飞中YF-120也取得了不错的效果。但是,当时的YF-23和YF-22虽然在结构上,钛合金的比例增加了许多,但是仍然不能让它们飞到2.5M以上,这就无法完全体现变循环发动机的技术优势。(以铝合金为主要材料的飞机最多只能飞到2.5M,速度再往上因为温度的升高,高温下铝合金的飞机会迅速解体)
结果就是,以当时的眼光看,YF-120这样一款变循环发动机仍然没有取得对小涵道比涡扇发动机的绝对优势,因为以1.5-1.8M的速度超音速巡航,变循环发动机的技术优势不大,而且可靠性方面问题还很多。
总的来说就是在实际使用中,变循环发动机仍然有各种各样的限制,还是不如涡扇来的实在。
这是过去,让我们把眼光放到未来。
实际上美国人对于变循环发动机的发展从未停止过。
如今中美俄的第五代战斗机都服役或接近服役,本着服役一代,研制一代,预研一代的模式,中美俄对于下一代战斗机的研发绝对是提上日程的。
第六代战斗机必须要对第五代战斗机在性能上有碾压的效果,才能被称作是六代机,那么六代机的关键技术革新是哪些呢?
首先是变循环发动机。对于战斗机而言,速度和机动性的提高是不变的主题。当今第五代战斗机已经能做到超音速巡航,且最大飞行速度都接近2.5M。下一代战斗机的巡航速度或者最大飞行速度必须更高,同时还要满足的较大的作战半径,单纯的涡喷或者小涵道比涡扇发动机都无法满足这些需求,那么唯一的解决办法就是变循环发动机。
既然说到下一代战斗机,那么不妨谈谈目前公认的技术发展方向:1.碳-碳复合材料:传统的航空材料无法让飞机飞到超过2.5M的速度,钛合金太贵昂贵,下一代战斗机应该是以碳-碳复合材料和钛合金做主要材料的飞机。2.先进航电AI:如今Su-35S上已经装备了基于AI的“决斗系统”,可辅助飞行员作战,在未来AI还将取得长足的发展。3.变循环发动机:为了让战斗机飞的更远,飞的更快,一种兼具涡扇,涡喷发动机的新型发动机将被装备。4.先进IRST光电系统乃至量子雷达:在近20年来,飞机隐身技术没有取得什么进展,但是反隐身技术却发展迅速。

种花家的军事兔


这个问题,说起来简单,讲起来复杂,为了通俗易懂地讲解这个问题,我们姑且另辟蹊径从如下角度入手

我们知道,飞机是在天上飞的,汽车是在地上跑的!汽车的速度是车轮转速提供的,车轮对地静摩擦,车轮速度就等于汽车速度了

那么,飞机呢?飞机在天上飞的时候,飞机轮子不转啊!它的速度谁决定呢?估计大家都清楚,发动机的排气速度决定!如果排气速度是5米每秒,飞机绝对飞不到6米每秒,因为这相当于发动机喷口在以1米每秒速度往发动机里吸气,如此发动机在提供制动力,而不是动力,必然会从6米每秒减下来!

知道喷气速度决定飞机速度后,我们再来探讨同等发动机功率输出下,喷气速度,与喷气质量的关系,我们知道E=1/2MV²,发动机输入多少能量,就会让空气带有多大动能,排气质量M大,排气速度V就小,又F=Ma,M大,发动机推力就大,所以,给定发动机输出功率下,推力和排气量成正比,和排气速度成反比(这和汽车发动机是一样的,转速越高,可输出的扭矩越小,所以,起步,上坡,费劲的地方要低挡,小速度大力气)

我们还知道,飞机在天上飞,唯一的阻力是空气阻力,空气阻力和飞机速度成正比,那么,由此可知,飞机的速度越大,飞机在克服阻力上所消耗的能量就越多,这告诉我们,同等发动机功率输出下,同等距离上飞机飞得越快,飞机发动机浪费的功W=FS就越大,飞机越费油

到此为止,这个问题就有答案了,

在非作战状态下,把发动机加粗,增大进气量,从而减小排气速度,可以让飞机在较低速度下获得更大的推力和更远的航程,

在作战状态下,把发动机变细,让进气量减小,排气速度增大,让飞机获得更大的速度

什么是变循环呢?通俗理解,就是给发动机多加几个带开关排气口,通过控制开关实现排气口径的增大减小,根据作战状态需要,随时调整,同等航程下,大大省油,同等油量下,大大提高航程,


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变循環航空发动机相比传統涡扇发动机结構不同,从而改變热力循環发动机回路发生变化,这是因為飞機飞行速度并不是很快匀速,它在不断调整发生速度变化。为了这架飞機飞行时能发挥性能,就需要一個可以适應不同飞行状态发动机。



美國最早SR-71黑鸟装上J58变循環涡轮航空发动机,因為黑鸟高度很高飞行,飞行员身穿宇航服驾駛这架黑鸟侦察机高度很高速度飞行,空气稀薄,而起飞爬升,降落阶段,飞機飞行速度低,空气密大,只需要转少空气就可以,多余空气通過进入旁路流经发动机,不进入燃燒室相当於涡扇发动机。



变循環航空发动机适應不同高低空环境要求和不同速度,需要大量空气流量不同,现在涡扇发动机适应中低空就可以满足,飞行到高空进气道就会明现有效不足,发动机推力下降,甚至停車危險。变循環发动机主要为涡輪发动机低速和高速适应不同飞行差别,低速时工作发动机状态,高速时工作变成冲压发动机。变相循環发动机可成為经濟实用,臆未飞機发动机低耗油和拥有在变速循環发动机。


星诚军情


现在各种飞机使用的发动机主要是2种:1,涡喷发动机。2,涡扇发动机。

涡喷发动机拥有高空高速性能好的优点,而涡扇发动机的高空高速性能不及涡喷发动机,但是在巡航飞行时更加省油。

而变循环发动机,在理论上可以兼顾这两种发动机的优势。

变循环发动机的基本原理并不复杂。

这是涡喷发动机。

而涡扇发动机就是在涡喷发动机前面装一个风扇,外侧再多一层。

经过燃烧室的一层被称为内涵道,而没有经过燃烧室的则被称为外涵道。

聪明的人肯定已经发现了:如果涡扇发动机的外涵道关闭,那不就是个涡喷发动机了吗?这就是变循环发动机的基本原理:通过发动机内部机械结构的调整,使得发动机能够在不同的工作模式下切换。

通过各个涵道间的调节板,关闭或开启一部分涵道,切换工作模式,根据实际情况的不同,比如超音速飞行就变成涡喷,亚音速飞行就变成涡扇。

变循环发动机的优势不在推力,而在省油。

我举个例子,F-22为了超音速巡航,它的发动机涵道比只有0.3,涵道比越大越省油,对应阻力越大。那么很明显,0.3是一个折中的数字,它既要估计超音速飞行时的阻力,又要估计亚音速飞行时的油耗。

但是如果可以根据实际情况切换涵道比,比如超音速飞行时涵道比0,变成涡喷,亚音速飞行时涵道比0.6,变成涡扇,这样就能实现更远的飞行距离。

因为实际使用中,飞机会经常在各种速度间切换,以不同的速度飞行,很显然0.3涵道比的最优区间是很小的,而变循环发动机0-0.6可变涵道比可以适应更大的飞行区间。

另一方面,未来下一代战斗机的飞行速度还要提高,单纯的涡扇发动机或者涡喷发动机都不能完全满足需求。所以发展变循环发动机,是第六代战斗机的基础技术。


贞观防务


这种″厉害"体现于用当今最先进的四代机与未来的五代或六代机去较量性能,没有可比性!


可变循环发动机与当代涡扇发动机最大不同是,它除具备当今高性能涡扇发动机性能之外,还具备火箭发动机的特性,使战机飞出大气层外的临近空间,具备在空中和临近空间,以四代机的超声速或五代机的高超声速两种高度、两种速度的能力,两种性能可根据需要随时转换,这就是可变循环发动机之名称的由来。而装了这种发动机的战机才称得上是空天战机。

而空天战机的作战能力将是当今所有战机无法比拟,也就是说空天战机可以对四代以下战机随意戏虐,而它的飞行高度和速度对后者连其机载武器来说连望尘莫及的资格都没有,干脆就是没的玩了!除此而外,由于它的高速,使其携载的任何攻击或空战武器都具备了高超声速性能,使它无论对空、对地、对海打击作战中,其射程、精度、威力都会有大幅度提高,更重要的即使是一枚普通炸弹,凌空一击,对手也只能坐以待毙,无法拦截。



然而,在可预见的未来,这种战机还只能适用于有人和无人作战系统搭配投入使用,无法做到全部釆用有人机投入凌空战场。当然,这种方式也是未来作战方式的主流发展方向。


铁岭锋


说到发动机,不论是轮船、飞机、哪怕只是个摩托车,配置发动机的作用都是至关重要的。飞机的发动机有很多种,变循环航空发动机和涡扇发动机就是其中的两种。

涡扇发动机的优点在于加速度上的效率非常高,在提升飞机的速度上有很大的功劳。但是也只有在这种模式下才更能显现其意义。那么涡扇发动机在不需要这么大效率时候的模式能调节吗?人类的每一科技成果,几乎都是因为想要在现有的基础上打造更完美的结果。人们希望发动机能支持多种模式切换。比如飞机在作战时候,需要大量的能量支撑,所以涡扇发动机的作用比较显著,但是,输出大,耗能也大,在不作战模式下,如此的高耗能,既是一种能量浪费,续航也大大打折。此时与变循环航空发动机一对比,就弱很多了。变循环航空发动机的特点在于能随时切换模式。在作战模式下,可以切换成高效率输出,作战成果不熟涡扇发动机;而在非作战模式下,又能切换成节能模式,既节约了耗损,也续航。

变循环航空发动机其实很早就有,只是后来没有发展起来,有关专家认为没发展起来的原因有二:一是之前的技术不行,无法满足需求;二是当时的飞机的要求,配置涡扇发动机就可以了,也就没考虑在变循环航空发动机上大费周折的研究了。

新中国成立之初,很多高科技产品依赖进口,这些年的科学技术的飞速发展,慢慢也在很多领域摆脱了进口的情况。在不久的将来,中国必定能在发动机的领域有着更重大的突破!


利刃号


在人类航空动力第一次打开了喷气式发动机这个大门之后,空中飞的东西都如同发现了新大陆,速度和能量的权重一下占据了所有有关航空器设计的第一位置。对于航空动力的追求,人类一直都是以贪婪和完美的角度去拼搏。也正是这样科技的进步在工业领域,第一时间就会反映在航空发动机上。

在最早的离心式涡轮喷气发动机出现瓶颈之后,人们迅速设计了两种现在主流的航空动力,涡轮风扇发动机和涡轮喷气式发动机。有很多人认为涡喷和涡扇是父子关系,其实不然,这两种构型一开始就几乎是同时被提出的。然而因为涡扇发动机对于材料和加工以及各个重要部件的设计要求在当时是无法想象的,所以涡喷发动机首先被人们研制并且使用。

在结构上涡扇发动机只是比涡喷发动机多一个最前面的大风扇,然而正是这个风扇使得涡扇发动机能够有两个喷气通道,就是内外涵道。内外涵道的比值就叫涵道比,通常外涵道越大越省油,但是推重比小;涵道比越小,涡扇发动机爆发力越足但是更耗油,推重比更大。这样我们就可以发现,涡喷发动机就是涵道比为0的涡扇发动机。

涡扇发动机省油,可以让战斗机有很优秀的作战半径。而涡喷发动机推力足。那么有没有办法可以让涡扇发动机和涡喷发动机的优势结合起来又吧劣势弥补呢?变循环发动机或者叫可变涵道比发动机就出现了。顾名思义就是可以按照需求变化涵道比的发动机,在巡航的时候涵道比变大这样可以省油。在需要进入超音速跨过音障时把涵道比变小。

这样的技术到今天为止连美国人都还在费力的实验,目前为止并没有一款实用的变循环发动机问世,就是在实验室里的样品也还远远达不到能飞的地步。在70年代末和80年代就提出将变循环发动机作为下一代战机的主要动力,无异于是画大饼。


区域拒止


传统的涡扇发动机,具有很多良好的优点,比如耗油率低、推力大等等。但是这种传统的发动机有个致命的缺陷,就是环境适应度比较低,发动机一经制造出来热力循环特性就无法改变了。这使得传统的发动机模式单一,只能在特定的环境下发挥出最佳优势,且仅限于有限的飞行范围,不能够长时间处于最佳状态。

为了改变这一现状,也为了让发动机能够在各种各样的情况下保持最佳的状态,就开始进行了新式发动机研发,在经过一代代的验证机的更新与改良,世界上终于研发出了第一台经过飞行验证的新式发动机YF120,也就是现在的变循环发动机。

相较于传统发动机,新式发动机是一种多设计点发动机,不仅仅局限于单一的模式。并且新式发动机的各类热力循环参数并不固定,能够根据不同情况调节,以达到任何情况都具有最佳状态。总而言之,新式发动机的总体性能远超老一代发动机。


楠竹一


变循环涡轮发动机通过改变发动机结构,进而改变发动机空气流量和涵道比,从而实现发动机在高空和低空都能工作在最佳状态。

最早的实用变循环发动机是美国战略侦察机SR-71黑鸟上安装的J58。因为黑鸟飞行高度很高,空气稀薄,需要大量空气。而在起飞爬升、降落阶段,飞机速度低,空气密度大,只需要较少的空气就可以满足。多余的空气就要通过旁路流经发动机,不进入燃烧室,相当于涡扇发动机。

变循环发动机主要是为了适应高低空的环境和不同的速度要求,需要的空气流量不同。现在的涡扇发动机在中低空还可以满足,到了高空就会有效进气不足,发动机推力大幅度下降,甚至停车。

还有的变循环是在涡轮发动机和冲压发动机之间变换工作状态。这是为了适应低速和高速之间的差别。低速时工作在涡轮发动机状态,高速时变成冲压发动机。


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