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渦噴發(fā)動機徹底過時了嗎?

2019-03-29 21:55 作者:瀚海狼山  | 我要投稿



現(xiàn)代飛機發(fā)明以后,最早的發(fā)動機是氣缸帶動的螺旋槳,動力采用和汽車差不多的汽油,其原理基本等于把汽車的動力軸上面裝上一個螺旋槳。很多當今的全球知名汽車品牌,在二戰(zhàn)前本來就是造飛機為主的。雖然早年螺旋槳飛機更多的是采用星型氣缸發(fā)動機,但是和汽車發(fā)動機差距并不大。氣缸發(fā)動機最大的弱點就是能量輸出有限。不能以一到兩噸的自重,輸出上千馬力以上的動力。到二戰(zhàn)期間,戰(zhàn)斗機的最高時速已經(jīng)接近音速,這就需要新式發(fā)動機來代替。于是二戰(zhàn)末期,軸流式渦噴發(fā)動機登上了戰(zhàn)場。軸流式渦噴發(fā)動機獲得動力的物理原理非常簡單,就是作用力等于反作用力。渦噴發(fā)動機先吸收空氣,再壓縮摻入燃油燃燒,最后把燃燒后的高溫高壓氣流以很高的速度排出噴管,相應地獲得一個向前的推力。渦扇航空發(fā)動機的出現(xiàn)比渦噴要晚。而且渦扇明顯比渦噴推力大而且省油,這是什么原理呢?

渦噴發(fā)動機的推力是由噴管排氣直接產(chǎn)生,但是尾部排出的這股氣流還有很高的速度、溫度和壓力。當氣流噴出噴管后,其中殘余的熱能、動能和壓力能就不能對發(fā)動機總推力有任何貢獻,所以浪費了燃油,而且這種浪費是十分驚人的。任何噴氣發(fā)動機如果不燃燒燃油,他們肯定沒有任何推力。無論渦噴、渦扇還是沖壓發(fā)動機,他們獲得的推力能量,說到底,都是本身攜帶的燃油和發(fā)動機中壓縮的氧氣混合燃燒做功產(chǎn)生的動力。不用說噴氣發(fā)動機,就是普通的公路鐵路內(nèi)燃機也是一樣的原理。原則上來說,空氣在被吸入所有的發(fā)動機以前,都是自然溫度,也就是大約在-60攝氏度(高空)到+50攝氏度之間,這是大氣層在不同高度的自然溫度。這些空氣在被吸入各類發(fā)動機,被壓縮燃燒后,噴出的氣流若和被吸入時的溫差越小,那么這種氣流用來動力做功的效率越高。


也就是說,若氣流被發(fā)動機吸入時的自然溫度是20攝氏度,若被再次噴出來做功時,他的溫度仍然是20攝氏度,那么這種發(fā)動機的性能理論上是最強的。但是目前人類的發(fā)動機都無法做到這一點,現(xiàn)在噴出的氣流的溫度,都比空氣被吸入時溫度高的多。被噴出時氣流溫度越高,就說明這種發(fā)動機燃料的利用效率越低。目前渦噴發(fā)動機即使不開加力,噴氣溫度也在550到650攝氏度。而渦扇發(fā)動機不開加力,噴氣溫度大多在350攝氏度,從這點上看,就知道渦噴的工作效率遠遠不如渦扇,燃料消耗率也高的多。

渦扇發(fā)動機之所以有明顯的優(yōu)點,在于其技術進步,有效地利用了渦輪排氣中的殘余能量。首先,在發(fā)動機前部設置風扇,利用風扇排氣產(chǎn)生推力。這個風扇需要由后邊的渦輪驅(qū)動,當燃氣沖擊渦輪,驅(qū)動前部風扇的時候,由于其對渦輪做功,氣流的溫度、速度和壓力都有所下降,這就降低了排氣的能量損失。其次,在軍用渦扇發(fā)動機上,外涵道來流,即風扇排氣,在加力燃燒室與高溫燃氣混合,被其加熱、加速、增壓,混合后排氣的總體溫度、速度和壓力進一步下降,但此時的總排氣質(zhì)量上升,大幅度增加了總推力的同時降低了油耗。只要設計上需要,渦噴發(fā)動機能達到的技術指標,渦扇發(fā)動機幾乎都能達到,由于耗油率顯著降低,在航程上又具有渦噴發(fā)動機無法比擬的巨大優(yōu)勢。


但是渦噴發(fā)動機仍然有固有優(yōu)點:一方面,由于其迎風面積小,故總體阻力較小,雷達反射面積也相應減少,適合應用于主要在地面引導下遂行國土防空任務的高空高速截擊機上。另一方面,隨著超視距空戰(zhàn)的發(fā)展,對戰(zhàn)斗機高速巡航性能的重視又有所回升,而阻力較小的渦噴飛機可以較容易地實現(xiàn)超音速巡航。F22A的F119發(fā)動機雖然屬于渦扇發(fā)動機,但是其涵道比幾乎和渦噴差不多,其性能甚至可以歸于一種特殊的渦噴。另外,渦噴發(fā)動機的由于部件相對渦扇少的多,因此某方在這方面已經(jīng)研發(fā)到了技術的極致。渦噴發(fā)動機雖然整體壽命相對短而且油耗加高,但是作戰(zhàn)時可靠性極高,可以大規(guī)模迅速生產(chǎn),面對大規(guī)模戰(zhàn)爭仍然有不可替代的保障能力。這也是高檔渦噴發(fā)動機至今還在生產(chǎn)的根本原因。


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