Hxiam
近幾年來隨著我國航空技術的進步和發展,我軍大量裝備了各種類型的先進戰機,從單發的殲10系列到最先進的殲20戰機,同時在這幾款戰機中也出現了一個越來越常見的設計發展方向,這就是已經在我國新設計的戰機中開花結果的---DSI蚌式進氣道。DSI進氣道全稱---無附面層隔道超音速進氣道,從外型上看相比我們見過的很多進氣道而言,DSI進氣道外形看起來就是一個簡單的鼓包罷了,但是這個鼓包卻成為了五代隱身戰機越來越採用的一種主流進氣道,而且這個看似簡單的進氣道研製難度卻極高,以至於目前僅有我國和美國將這種看似簡單鼓包的進氣道正式量產到戰機身上。那這種越來越流行的DSI進氣道真的這麼好嗎?就沒有什麼缺點嗎?
魑魅涅磐
紙上的宣仔,為您解答。
為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。
DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。
這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。
目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家
附面層
這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。
流體流過小球時在尾巴產生的湍流
機翼附面層分離產生的湍流
附面層表面的速度梯度非常大
隔板進氣道
所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。
F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層
還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同
F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。
DSI的原理
費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。
DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道
不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。比如我們的殲20,可以在攜帶武器的情況下進行2.5馬赫的戰鬥巡航。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],僅與F-4D上的矩形進氣道相當;同樣適用斜切矩形進氣道的F-14的表現也超過的DSI。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的表現才算比較好,總壓恢復係數可以達到0.9以上。所以由此可知DSI在超過1.8馬赫時,總壓恢復係數表現不如可調矩形進氣道中表現最好的。當然了,這也只能代表目前DSI的發展水平,並不是說DSI已經沒有發展潛力了。
參考文獻:
[1]鍾易成等,凸包(Bump)進氣道/DSI模型設計及氣動特性研究,航空動力學報,2005-10,第20卷第5期,740-745.
[2]Aircraft Engine Design,Volume1
紙上的宣仔
DSI進氣道,中文稱“無附面層隔道超音速進氣道”,它採用一個固定的鼓包來模擬常規進氣道中的一、二級可調斜板,並能夠達到對氣流的壓縮,以及簡化結構、隱形的目的。DSI進氣道具有結構簡單、重量輕、阻力小、隱形等特點。——引用至百度百科!
↑圖為F35的DSI進氣道
據說DSI鼓包最大的難度不在於製造,主要還是精確的計算和大量的試驗。這個鼓包看似簡單,卻要考慮戰機的不同姿態、不同速度、不同俯仰、偏轉角度等情況下附面層氣流影響,以及進氣效率等等問題,這些都要經過最精確的計算機進行計算模擬,還需要大量的風洞試驗驗證,這代表了空氣流體力學的最高造詣,正好世界排行前5的超級計算機都在中美,世界最大最先進的風洞試驗系統也在中美兩國,這也是為何只有中美使用DSI進氣道的原因所在吧!
當美國2000年第一次在F35試驗機上展示DSI進氣道鼓包後,給人感覺這就是一項黑科技,但中國很快讓“高富帥技術”變成了爛大街的“白菜”。中國三代戰機發展較晚,到2004年殲10A才服役,而2006年中國便在梟龍04上第一次採用了DSI技術,這讓整個世界都感到了意外,更讓人意外的是,之後DSI技術在後續戰鬥機上遍地開花,比如殲10B/C、殲20、殲31,甚至連JL-9山鷹都使用了,廠家更是涉及成飛、沈飛、貴飛等等,從這一點來說,DSI真不是什麼高科技,關鍵還是要有最強悍的超級計算機支持,要有最先進的風洞試驗系統,解決了這兩個問題,DSI技術應該就不會太難!美國之所以只有F35使用,完全因為他的三代機發展太早了,已經非常完備,沒有再發展的餘地了!
上面說的都是DSI進氣道的優點,下面說說缺點!
DSI進氣道對比傳統三代機肯定是全面超越,但如果和F22、蘇57採用的加萊特進氣道對比呢?公認的定論:DSI進氣道無論在隱身性能,還是進氣效率,都不及加萊特進氣道,這就是缺點了!
戰鬥機在超音速後會形成激波,加萊特進氣道的設計更有利於將激波兜住,使進氣道內的氣壓增壓以提供更高的發動機效率,而且通過進氣道口的可變截面擋板使激波更加受控,更好的配合發動機的進氣量需求,更好的提高發動機的工作效率。
DSI進氣道在這方面則差很多,從上面的DSI馬赫數仿真中,可以看出其進氣道很難兜住激波,如果進氣口採用加萊特一樣的向後斜切效果還會更差,因此我們看到,所有采用DSI進氣道的戰鬥機,無論是三代機的殲10B/C、梟龍,還是四代機的F35、殲20的進氣道外緣都向前突出,這其實就是解決這個問題的無奈之舉!
狼煙火燎
自動擋,賽車比賽影響最終高速。