空袭?航空动力的重要一极:“小”而尖的头发 600332股吧

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原标题:空袭?航空动力的重要一极:“小”而尖的头发

2月25日,美军对叙利亚东部发动空袭,摧毁了许多设施...到目前为止,美国军方仍然拥有最强大的军事力量,能够在全球范围内发动空袭。

显然,在美国建立航空军事霸权的过程中,拥有完整血统的先进航空发动机为其提供了不可或缺的坚实基础。

空中力量不仅取决于有人驾驶的战斗机

然而,人们的注意力往往被那些发动机的“明星”型号所吸引,如为超音速中型和重型战斗机提供动力的大推力军用发动机,以及将中型和大型运输机推向天空的大涵道比涡轮风扇发动机。

而那些体积小,推力只有几吨甚至几百公斤的小型飞行器,很容易被人们忽视。很多人认为,只要集中资源,下大力气造一个大发动机,转个弯,造几个小发动机,是理所当然的事。

但是,判断美国空军航空发展的谱系,研究航空发展的设计和试验原则,仔细梳理美国航空工业的发展历史,必然会得出完全不同的结论:

1.在美军装备体系中,小型航空发动机不仅仅是地位低下的辅助机型。相反,小发动机、中大型战斗机发动机和大涵道比发动机是美国空袭力量的三大支柱。

2.小型航空发展与大型航空发展的关系,并不类似于“简化、低层次”与“完整、高层次”的递进层次关系,而是不同类型的产品,在设计思路和结构特点上有很大的差异。小型航空发展做得好但做得不好的例子在历史上很常见。

战斧等中远程巡航导弹的载荷和射程性能几乎完全由小型涡扇发动机决定

从小毛的重要性来说,至少有两个飞行员的教练机不一定非要用小毛;但是绝大多数无人机,以及各种巡航导弹,都必须以小型发动机为主要动力。

在美国战斧导弹袭击叙利亚之前,59架战斧中的58架击中了44个目标。如果这样的打击使用弹道导弹,代价是不可接受的

对于任何一个国家来说,中远程导弹在数量意义上的主力攻击力永远不可能是弹道导弹,尤其是主流的固体燃料火箭发动机型号。因为它同时涉及到很多因素:高马赫数下的高速、高温、高压,大直径固体燃料的铸造;这就决定了弹道导弹的成本很高,对于弹头的携带效率极低,无法用于打击战场上的大部分目标。

现代中程巡航导弹可以规划出非常复杂的导航轨迹,从而隐藏发射平台的方向和位置,不断搜索预定的特殊地形地标以准确定位和消除飞行误差,并借助峡谷等地形覆盖绕过对手的防空火力点。

只有巡航导弹,尤其是亚音速飞行的巡航导弹,才能以最便宜、最轻便的结构打击非常远的目标,并能以较小的体积和重量携带足够的弹头。在巡航导弹的布局上,受到空气动力学和结构的极大限制,各国的设计风格高度趋同,导弹的大部分载荷和航程能力取决于小型发动机的性能。

战斧导弹使用的F107-WR-103发动机也是隐形高机动性无人机X-36的动力

自海湾战争以来,巡航导弹在美国军事行动中发挥了非常重要的作用。所以,巡航导弹对于现代军事大国的重要性不亚于小型导弹应有的重要性,而且这种重要性还在上升。

另外,在不久的将来,有人机指挥无人机进行空战已经成为必然趋势。载人飞机会逐渐从一线杀手的定位转变为二线指挥官;而无人机则必然会利用其无人化的特点和通信指挥技术的快速发展,朝着“小而多”的集群攻击/杀伤方向发展。

这意味着在未来的空战和攻击中,很大比例的飞机会使用小型无人机,而且比例会越来越高。小型发动机的性能差距对战场态势的影响,将几乎等同于今天载人战斗机的性能差距。

美国XQ-58A无人隐形战斗机也使用小毛发

大毛和小毛的区别不仅在于大小

从设计和制造的角度来看,小发和大发虽然分享了很大比例的产业基础,比如先进的材料和制造工艺,但是他们的设计差异也很大。

所以,“虽然我今天不关注小法,但是大法做的很好;明天关注了小法之后,带着做大发的团队和设计技术去做小法,立刻小法也做出了大发的先进水平。”这个假设显然不存在

我做不到,因为这是两种截然不同的产品;大发的设计团队必须设计小发,至少要克服三个完全不同的技术障碍:

1.速度差是三到五倍

受材料强度特性的限制,叶片尺寸越大,在相同转速下叶尖速度越高,所能承受的转速越低。

所以,只要大发和小发共享同一个产业基础,大发的速度永远远低于小发;比如F15战斗机的F100高压压气机,最大转速只有13450转/分——如果像黑鹰直升机的T700发动机那样以44770转/分的转速旋转,叶片会在几秒钟内塌陷,发动机会解体。

小型涡轮航空发动机设计的精髓之一是将大型发动机难以承受的高速换成效率,从而在足够小的体积和重量的限制下获得最大的功率,并将油耗控制在可接受的水平。只是速度的不同决定了大法不可能照搬轴系、润滑、传动的设计。

传统轴流式叶片

中法联合研制的16号涡轴压缩机采用两级离心叶片设计

2.发动机的核心叶片类型不同

大中型发动机的航空发动机叶片将选择多级轴流,使发动机到喷嘴的总流路最短,效率最高。但这种设计不适合小毛:

当发动机的尺寸减小到一定程度后,轴流叶片的效率会迅速降低,由于空气本身的粘性,气动损失会急剧增加。这有很多原因:

比如刀片和外壳之间总有间隙,防止划伤,不能继续收缩;这时叶片越小,间隙的面积比就会越大——压缩空气时的“漏气”现象越严重。而且叶根转速低,是低效率区。在规模不断缩小后,这种低工作、低效率的区域比例开始增加。

另外,叶片变得过短过薄后,自身的强度和刚度无法保证,导致制造难度迅速增加,进一步显著降低了轴流叶片设计的性价比。

F124就是一个典型的例子。在原有的基本框架上,通过更换离心式高压压缩机和匹配燃烧室,实现了跨代性能突破

因此,现代小毛的一个核心技术突破方向是利用自身的高速特性,用离心叶片代替轴流叶片;一流的新型离心式压缩机,压缩空气的能力相当于几级轴流压缩机……然而常年做着大工作的团队,却没有开发离心式叶片的经验,这是完全不同特性的部件。

中型和大型发动机的主流设计类似于一根延伸到末端的管子

3.发动机结构布局和核心燃烧室设计之间往往存在显著差异

传统大中型发动机的整体布局类似于一根贯穿到底的管子。但在小型发动机中,为了更好地匹配离心叶片,加强发动机的整体刚度,保证燃料的高效燃烧(燃烧室可以获得足够的气体流动长度),很多小型发动机往往采用环形回流等特殊设计。

PW100发动机结构。这种缠绕是高级发的重要特征之一。这台机器的高低压转子旋转方向相反。注意蓝色和红色喷漆部分,分别代表燃烧产生的空气和燃气。离心叶片将气流高速抛来抛去,所以发动机的气体流动路径变得非常曲折。很多地方都有90度甚至180度转弯的燃烧室,以及由它们决定的发动机结构布局,这在传统的大中型发动机中是没有的,大法的设计套路也不能直接使用

综上所述,以上总结的三个关键区别都决定了高性能小型发动机的发展,这就需要一个与中大型发动机具有同等专业水平的团队。在长期的模型开发和使用过程中,有可能逐步完成技术突破,积累研发能力。

迫切需要自主研发,其重要性突出

所以,从设计角度来说,小发并不是大法的简化低质版,而是在尺寸限制下,只有选择完全不同的设计方向,才是性能最佳的特殊产品。其实即使在西方国家,小毛的发展也是极其独立的;有的机型来自专门做小毛开发的公司,有的来自大型航空开发集团的独立部门。

比如劳斯莱斯公司的小毛部是60年代后期专门成立的;普惠的小R&D能力实际上是在20世纪70年代后收购前加拿大联合飞机公司后实现的。通用可以同时研发大法和小法,但这是从60年代开始,经过10年几亿美元的单位投资才取得的突破。

现在远程打击已经成为战场的核心手段,无人空中力量即将到来,小毛的重要性和紧迫性已经不容忽视。

对于美国以外的后发展国家来说,关注小毛的特殊性,正视小毛的技术难点,在全行业形成深刻而普遍的共识,只有小毛的水平赶上了,才能真正有一个可行的基础。

排版:蓝风

文案:侯志坚

编辑:陈武

制片人:王兰

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