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第5代航发将取消加力燃烧室!(完整篇)

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二战末期出现了最早的实用化喷气发动机。最早用在了V1飞弹和部分战斗机上。喷气发动机刚一出现,就表现出来其先天适合大气层内飞行的技术潜力。对比传统的活塞螺旋桨发动机,喷气发动机可以做的功率更大;而迎风面积却更小。而且天然具备相对细长的流线外型,不像传统的螺旋桨发动机,就是一个大风扇。而风扇叶片尖端很难超音速旋转引发激波的先天劣势,决定了螺旋桨发动机的飞机几乎全部无法超音速飞行。而喷气发动机刚刚出现,人类的飞机和飞弹就已经可以达到高亚音速。当时不敢超音速是因为在科学和实践上不知道音速到底可以不可以超越。当时有种迷信认为,音速是不能超越的,就像光速不可超越一样。担心一旦大型物体达到音速,就会撞上无形的墙一样立即粉碎。不过在现实中可以观察到不少可超音速飞行的物体,


比如最普通的炮弹和子弹。因此在有了喷气发动机之后,没过几年,就实现了首次载人超音速飞行,终于知道大型飞行物如飞机,也是可以超音速甚至是几倍音速在高空安全飞行的。最早的喷气发动机其实都是涡喷发动机;也就是只有一个涵道。后来发现适当扩大前风扇的直径形成两个内外不同的涵道。这种发动机更加节油,而且因为空气流量的增大而导致推力更加强大。后来大多数亚音速飞行的民用客机,都采用了几倍甚至十几倍涵道比的大口径发动机。而战斗机上安装的军用涡扇虽然没有民用大涡扇的涵道比那么夸张,但是三代机及以后安装的涡扇的涵道比也在不断的变化中。对早期的第一代涡喷一直到第二代早期的涡扇喷气发动机来说,要想让配套的飞机超音速飞行,仍然都需要使用后燃器来为飞行加力。因此后燃器也叫加力后燃烧室。


那么为何超音速飞行在早期必须使用后燃器呢?这就在于不论涡喷喷气发动机还是涡扇发动机,它们仍然是燃油热机的一种。也就是是不断的吸收空气先压缩。然后让空气通过燃烧室。期间喷入燃油,发生燃烧膨胀。此后膨胀的高温高压燃气再推动高压和低压涡轮旋转。而高压和低压涡轮通过内轴带动发动机前面的低压和高压压气机包括风扇来继续吸收和压缩空气。这个过程,其实就是把过去活塞发动机的吸气、燃烧、膨胀和排气的4个冲程,变成一个连续的、不间断的自旋过程。从热力学原理来看。如果想让这种发动机的燃烧效率达到最理想状态,那么如果喷气发动机一开始从外界吸收的自然空气的温度是20摄氏度,那么如果从尾部喷出的燃烧后的尾气的温度还是20摄氏度,那么这种喷气发动机的燃油效率是最高的。不过这只是纯理论上的可能。


到目前为止,所有的航空发动机在吸收外界空气,其实是把空气作为推力介质的同时,也利用自然空气中的氧气作为燃料的阻燃剂来燃烧做功。而目前涡喷发动机即使不开加力。其喷出的尾气的自然温度仍然有650摄氏度以上。而现代涡扇发动机由于有外涵道空气作为混合冷却。喷流的温度则平均比涡喷低200度,平均在450摄氏度以上,这都是没开加力的情况的喷流温度。瀚海狼山(匈奴狼山)认为,也正是涡扇的喷流平均温度比涡喷低,因此涡扇的燃油效率更高、更加节油。那么有没有更加节油的下一代航空发动机呢?

(接上篇)

第一代涡喷的喷流温度在650摄氏度以上;到第二代的涡扇的喷流温度下降到了450摄氏度,比涡喷改善明显。但是两者的温度仍然都是过高的。温度过高的废气气流;等于把燃料加氧压缩燃烧产生的能量大部分都直接排放了,没有变成机械动力推动飞机更有效的飞行。因此凡是喷气式的发动机。除了航空发动机也包括船用甚至是陆地发电用的燃气轮机。到目前燃油利用的效率都不高。大部分热效率在20%到25%之间;具备余热回收系统的燃气轮机的热效率也很难超过30%。也就是70%到80%的燃油的热效率都没有被利用。而相对封闭的高压燃油锅炉的燃料利用效率可以达到60%以上,是大部分燃气轮机的2倍还多。这也是燃气轮机在舰船上一直被称为油老虎的根本原因。而油老虎的现象,在其作为航空发动机的时代就已经如此了。


并不是涡轮喷气机到了舰船上或者上陆发电以后才成了油老虎。只不过无论在飞机上还是在舰船上当主机。涡轮喷气发动机或者燃气轮机都有启动速度快、马力大,爆发力强的优势。有利于飞机的快速飞行和舰船的紧急加速。因此油耗大的缺点暂时忍着而已。大部分战斗机一年也就飞行200到300个小时。因此油耗大的问题相对还不算特别突出。但是燃气轮机一旦用到了舰船上,由于要长年累月的当主动力。燃气轮机的巨大油耗就算是超级大国海军都受不了。那么既然涡轮类动力的油耗始终降低不下来,燃烧效率上不去。那么为何在战机上,从早期到当今,仍然保留后燃器这个超级耗油大户呢?这也是没有办法的办法。涡喷和涡扇发动机的后燃器部分。其实其内部没有什么复杂的系统。而且一般是战斗机类的发动机专属。


相反,作为燃油经济性要求特别高的大部分民用客机,在本身也不需要飞超音速的情况下,干脆直接取消了后燃器系统。低压涡轮后面直接就是喷嘴,而大风扇的外涵道的气流直接通过。战斗机发动机上后燃器,就是在低压涡轮后面增加一套纯粹直接喷射燃油的系统。就像天然气灶的灶头。由于不论涡喷还是涡扇,其低压涡轮后面的气流的温度都在400摄氏度以上。因此此时在后燃器内部喷射航空煤油,会直接引发爆燃。而此时通过高压涡轮和低压涡轮的气流都是向后喷的;而且喷嘴方向是没有阻力的。因此后燃器直接燃烧的航空煤油产生的高温高压爆燃射流,会向后喷射得很远。这样其内压和气流分子的速度比正常喷流要高得多,因此带来更强的反冲推力。可以让涡喷或者涡扇发动机在短时间内的实际推力扩大接近一倍。


此前亚音速飞行的战斗机可以快速变为超音速飞行。而战斗机开加力。大多是相互接敌前后才开始。依靠更强的推力实现更好的空战占位。也可以靠更大的推力和高G变化进行狗斗和躲避来袭的导弹。不过开加力的负面作用也很大,首先是发动机的红外特征成指数级的提高。已经开加力的战机非常容易被红外制导导弹锁定和击中。另外一个最大的问题是油耗迅速加大,一般开加力与不开加力时的单位时间内的油耗会差距5到7倍。也就是过去飞行5到7分钟的燃油。在开加力后1分钟内就消耗掉了。或者说过去可飞500到700公里的燃油,开加力后只能飞100来公里。因此开加力对任何战机的航程和留空时间的削弱都再明显不过。那么负面作用如此之大,为何还要开加力呢?这就是在于第一代和第二代航发。一直到第三代航发。其涡轮前的温度和压力仍然普遍不够高。


如果不开加力,其喷气的速度和空气气流量都不足。很难让飞机本身不开加力就飞超音速。因此要飞超音速就必须要先开加力。而到了F119这类第4代先进发动机上,由于涡轮前的气流的温度和压力到了一个新高度,因此首次实现了不开加力就可以超音速巡航的要求。而到了同为第4代的F120变循环发动机上,甚至不开加力就可以飞到1.8马赫。这样加力燃烧室的存在就已经可以首次打一个问号了。到了第5代的新式变循环发动机时代,涡轮前温度可能超过2200K,此时不开加力的推力已经可以接近开加力的90%,不开加力下的最大飞行速度已经可以达到2.5马赫。加力后燃器存在已经显得多余。此时用3代机的同样的内油,航程已经可以直接翻番。也就是把1500公里的作战半径一次性扩大到2500到3000公里,战斗机具备了中型轰炸机的作战半径。而且红外特征小。更有利远程隐身作战。

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