什么是真正的超音速巡航?

“2014珠海航展”刚刚落下帷幕,很多人在看报道的时候,难免会听到“超音速巡航”、“开加力”、“涡喷发动机”“涡扇发动机”等这样的专业术语。今天我们就来了解一下,什么是真正的超音速巡航,以及某些航空发动机。

伪超音速巡航

超音速,是指飞行器的飞行速度超过环境中的声速,比如在海平面高度,20℃空气中的音速大约是343米每秒,或1235千米每小时。这个都很好理解。然而,飞行器在飞行过程中,单位距离上消耗燃料最少的速度,才能称为巡航速度。

如果把超音速和巡航速度两个条件加在一起,严格来说,现在的很多战机,在介绍的时候说它具有超音速巡航能力,是不怎么准确的。这些战机确实能超音速飞行,但却是在开启“加力燃烧室”的情况下实现的,而开启加力燃烧室,就有点毕其功于一役的感觉了。那什么又是加力燃烧室呢?

加力燃烧室

要了解加力燃烧室,我们得先来了解一下喷气发动机的一般原理。

如上图,空气从进气道进入发动机后,会首先被高速运转的压气机狠劲压缩,之所以要压缩,是因为外界空气中的含氧量不足于支撑里面的剧烈燃烧。

高密度高压气体进入燃烧室,与燃油混合后,剧烈燃烧,继而产生温度更高压力更大的喷流,涡轮机被喷流冲击,高速旋转,通过轴,从而带动前面的压气机旋转,最后一步,喷流从喷口高速离开,产生强大的反推力,驱使飞机高速飞行。

实际上,喷气发动机很复杂,种类也很多,上面介绍的这种就属于“轴流式涡轮喷气发动机”,简称“涡喷发动机”,它一般用在早期的战斗机上,比如第一代和第二代战斗机就以这种发动机作为主要动力,它的特点是高速飞行时,效率高,但低速飞行时性能很差,现在处在淘汰的边缘。

而用在客机和现代战机上的,一般是“涡轮风扇发动机”。简称“涡扇发动机”。

从上图可以看出,“涡扇发动机”的原理与“涡喷发动机”基本类似,最大的不同点是,它在压气机的前面安装有巨大的进气风扇,这个大风扇除了可以协助压缩空气外,还能当作螺旋桨使用。

更直观清晰的涡扇发动机如下图:

从上图我们容易看出,涡扇发动机有两个空气通道,中心的那个叫做内涵道,外面的叫做外涵道。发动机在运转时,外涵道与内涵道空气流量的比值叫做涵道比。

涵道比越大越省油,经济性越好,高涵道比的发动机在亚音速时有非常好的能效,通常用于客机、运输机等。

虽然涡扇发动机的耗油低、噪音小,但是,高涵道比(比值目前大都在8以上)的涡扇发动机比较适合用在亚音速的客机上,战斗机如果使用,那么在超音速时,这样的巨大风扇无疑将带来致命的阻力。

因此,战斗机一般都采用低涵道比(比值小于1)的涡扇发动机,以此带来更小的阻力和更大的推力,可就算这样,要想实现超音速飞行,也不是一件容易的事,为了得到更高的推力,就必须进一步提高燃烧室的温度,然而,由于材料的限制,涡轮一般很难承受这样的高温。

怎么办呢?这就得靠“加力燃烧室”来解决了。

加力燃烧室位于涡轮的后方,因为那里没有旋转的部件,所以可以承受更高的温度。

当发动机开启加力时,推力瞬间可提高1.5倍左右,这样大的推力一般用在战斗机在航母上起飞,突破音障作超音速飞行、或者是正与敌机缠斗等情况下使用。

开启加力虽然能快速提高推力,但是,因为加力燃烧室里面的空气是已经被前面的燃烧室使用过一遍的,里面的含氧量不高,在这种情况下注入燃料进行燃烧,效率很低,耗油量非常巨大,一般战斗机在加力全开下,大多数不到十分钟就会耗尽所有油料。

真正的超音速巡航

鉴于很多战机的超音速巡航是在开启加力的情况下得到的,所以,这样的巡航不是真正意义上的超音速巡航,只能说,战机可以超音速飞行。

那么目前,真正意义上超音速巡航战机有哪些呢?别的先不说,我们先来了解一下F-35战斗机。据洛克希德-马丁公司副总裁证实,F-35战斗机不是一款能超巡的飞机,不过,其在打开加力,突破音障,到达1.2倍音速后,接着关闭加力,这样能维持1.2音速下冲刺241千米。

瞧,连大名鼎鼎的F-35战机都不能说自己百分之百就是一款超音速巡航战机,又何论其他。

超音速巡航作为第五代战机的一个标准,不是简单地,或者刚刚好过了音速就可以,要这样说的话,半个多世纪前,英国的“闪电”截击机也要归类到这里面,“闪电”截击机在不开加力的情况下也能达到1.01音速。

目前,在超音速巡航方面做得最好的是第五代隐形战斗机F-22,这是公认的一款超音速战机,在不开启加力的情况下,其巡航速度为1.82倍音速,这种高超音速巡行的性能,目前无机可比。

曾经,F22在和 F-15、F-16 的多次对比试飞中,每次都是要不了多久,F22就能把这两款战机远远地甩在后面,并且,当这两款飞机的油料频频告急的时候,F22油箱仍然剩下很多油,这就是高超音速巡航的优势。而另一个显而易见的优势是,在高超音速巡航状态下发射导弹时,导弹将具有更大的初速,射程会更远,有时甚至能提高50%的射程。这很好理解,因为导弹一离开机身,这屁股还没点燃呢,就已经拥有了飞机的超音速。如此说来,对于导弹来说,出身,也很重要。