现代发动机仍无法匹敌：普惠J58如何在飞行中物理膨胀6英寸

在洛克希德SR-71黑鸟超音速侦察机的工程设计中，最让人感兴趣的几个方面之一，是它是如何应对热膨胀以及持续高马赫飞行所带来的极端温度的。SR-71属于那个年代——工程师们主要靠创新材料和机械设计来应对极端气动加热，而不是像今天这样依赖大量的计算机建模和仿真。

热膨胀是SR-71最重要的设计因素之一，尽管这并非它独有的问题。热膨胀是北美X-15火箭飞机设计中的首要考量因素，该机至今仍是唯一一款达到高超音速（6.7马赫）的有翼载人飞机。热膨胀对北美XB-70轰炸机（专为3.0马赫巡航而设计）和协和式超音速客机（专为持续2.0马赫速度而设计）的设计也非常重要。

SR-71的普惠J58涡轮喷气发动机

洛克希德SR-71黑鸟是20世纪50年代和60年代工程技术的奇迹，也充分体现了当时美国工程师的实力。但它也是一种如今已有60多年历史的设计，有些工程设计也暴露出了它的年代局限。SR-71由普惠J58涡轮喷气发动机提供动力。这些发动机最初是为其前身机型洛克希德A-12和YF-12打造的。这台发动机最特别的地方在于，它有一套独特的压气机放气引至加力燃烧室的机制，让它在高速飞行时能获得更大的推力。

这架飞机有两种工作模式，既能在地面静止状态下运转，也能在超过3马赫的速度下正常工作。航空航天博物馆解释道，

“旁通阀打开后，会从第四级压气机引出空气，六条管道让这些空气绕过压气机后级、燃烧室和涡轮。这些引出的空气在加力燃烧室前端重新进入涡轮排气中，用来增加推力并进行冷却。”

J58 发动机于 20 世纪 50 年代末研制成功，是第一台设计用来长时间开着加力燃烧室工作的发动机。它也是美国空军第一台通过马赫 3 飞行认证的发动机。英法联合研制的协和式飞机，则是为了能持续以马赫 2 的速度飞行而造的。虽然不太清楚它的罗尔斯·罗伊斯/斯奈克玛奥林匹斯 593 发动机到底膨胀了多少，但大家都知道，协和式飞机的机身长度会增加大约 6 到 10 英寸（15 到 25 厘米）。

J58 发动机为何膨胀 6 英寸

很多材料（比如金属）都有一个基本特性：热了会膨胀，冷了会收缩。所以工程师设计桥梁时，都会留出随温度膨胀和收缩的空间。当它以马赫 3.2 以上的巡航速度、在约 80,000 英尺的高度飞行时，J58 发动机就会承受强烈的气动加热。压气机进口的温度可能超过 400°C（750°F）。

进入发动机和短舱的空气，在某些区域温度能到 300°C（570°F）以上。在这些极端条件下，黑鸟的发动机被设计成：相比地面冷态时，长度会膨胀大约 6 英寸（15 厘米）。能膨胀，就是工程师应对热膨胀的办法。

不只是发动机。整架飞机都会大幅升温，所以整架飞机都得围绕热膨胀来设计。这一点甚至连那些经过特殊处理的轮胎也不例外——它们就是靠这个才能承受高温的。这就导致它们在低温下表现很差，因为停在地上的飞机重量全压在上面。

6英寸热膨胀带来的问题

如前所述，发动机在最低和最高工作温度之间的膨胀幅度可能达到六英寸。由于发动机膨胀幅度如此之大，臭鼬工厂没法把它硬邦邦地直接固定在机体上。相反，这些发动机是用一套复杂的滚轮和摆动连杆来安装的，形成了一种浮动式安装。

发动机的前端被牢牢固定住，但发动机其余部分可以自由地向后膨胀，伸入排气喷射器组件中。虽然这个工程设计确实厉害，但说到底是为了应对热膨胀而做的妥协，也因此带来了一些问题。由于铝会软化得太厉害，这架飞机采用了特殊的钛合金。它还使用了耐热镍铁合金（如哈氏合金-X）。

这架飞机最有意思的特点之一，可能就是它停在地面上时以“故意设计成漏油”而出名。它漏油是因为其面板设计有用于热膨胀的间隙。这些间隙只有在飞机飞行中受热膨胀后才会合拢，这意味着当机体冷却时，它就会漏油。这听起来可能挺有意思，但从工程角度来说并不理想。

为什么现代发动机不再“匹配”它

发动机这种极端的热膨胀，是20世纪50年代工程师为了满足当时空军的要求而想出的一个变通办法。从那时起，现代发动机，比如普惠F119（F-22猛禽）或F135（F-35闪电II），已经先进了好几代，而且设计用途也不一样。

SR-71是在卫星广泛使用之前的时代开发的，是为了能持续高速飞行而造的。现代有人驾驶战斗机，比如F-22猛禽，讲究的是效率、机动性，而且把隐身放在第一位。黑鸟走的路子是“你藏不住，但你能跑”。而今天的F-22和F-35隐形飞机走的是反过来的路子：“你跑不掉，但你能藏”。

现代战斗机发动机通常能让飞机飞到1.6到2.5马赫之间。它们只适合短距离开加力冲刺，平时则是亚音速巡航。即便如此，所有现代战斗机发动机在变热时都会膨胀，只是没有那些专门为持续高马赫飞行设计的发动机膨胀得那么厉害。

卫星飞得更高、更快

SR-71干的那些活儿，后来被各种平台接手了。1998年退役后，也没有一个直接接班的。它的一部分任务由卫星、空中侦察力量、人力情报、隐形间谍无人机（比如RQ-170）、信号情报等接管。虽然大家记住SR-71，是因为它飞得高、速度快，是工程上的奇迹，但很少有人会想到卫星。

SR-71当年是从80,000英尺（24,400米）高空拍图像的，但卫星就不一样了——低地球轨道在100到1,240英里（160到2,000公里），中地球轨道在1,240到22,230英里（2,000到35,780公里），地球静止轨道则在22,300英里（35,786公里）以上，都能拍。虽然卫星没法在某个目标上空一直盯着（不像无人机或有人间谍飞机），但它们几个小时内就能拍到几乎任何地方。值得一提的是，重访时间越来越短了。以前可能要等好几天。现在通常几小时甚至几分钟就行，当然天气好坏也会影响拍摄效果。

在绝对速度方面，卫星也远远超过SR-71。典型的近地轨道卫星以大约7.8公里/秒（约28，000公里/小时）的速度飞行，大约90分钟即可绕地球一圈。地球同步卫星的飞行速度则慢一些，约为3.1公里/秒，但相对于地球表面保持固定不变。近地轨道卫星通常以22到23马赫的速度飞行（以海平面音速为参考），中轨道卫星则以9到12马赫的速度飞行。话虽如此，由于它们处于太空中，马赫数在物理上并不像在空气中传播时那样有实际意义。

SR-71的独特性如何反成其劣势

没有其他发动机能匹敌J58涡轮喷气发动机的巨大膨胀比，原因是它们根本不需要。SR-71的任务在很大程度上已被其他平台所吸收。SR-71诞生于工程技术的巅峰时代，当时空军打造了一架庞大的机械变形金刚来承受高温环境。虽然SR-71是冷战早期工程的精美之作，但其复杂、独特且昂贵的设计最终也成了它的致命伤。

随着新平台的建造接管了它的许多角色，以及冷战结束后地缘政治气候的缓和，空军越来越觉得SR-71是一架成本极高、回报却越来越少的飞机。最终，空军将该机退役（1989年首次退役，1998年永久退役），却保留了更老旧、更简单、飞得更低、亚音速的洛克希德U-2“蛟龙夫人”侦察机继续服役。

“蛟龙夫人”早在1960年就可能首次被苏联地对空导弹击落，而“黑鸟”则可能甩掉了4，000枚敌方拦截导弹。然而，到了1990年代、2000年代、2010年代和2020年代，恰恰是“蛟龙夫人”凭借其较低的运营成本和高滞空时间，成为低威胁环境中更具吸引力的情报、监视与侦察（ISR）平台。如今，美国空军不愿将有人驾驶平台深入敌方领土执行ISR任务。这类行动可能带来严重的政治后果。一般来说，派颗卫星或派架无人机要简单得多。