DSI——戰鬥機進氣道可能的發展方向之一(組圖) | ||
文章來源: 豬鋼鬃 於 2010-02-09 14:01:07 | ||
無附麵層隔道超音速進氣道概念 洛•馬的工程師在 1990 年代早期就開始研究傳統超音速進氣道概念的替代方案。他們試圖取消和附麵層控製有關的複雜機構:附麵層隔離板、放氣係統、旁通係統。通過取消這些機構,設計人員可以從飛機上減輕大約 300 磅的重量。最後的研究結果就是如今的 DSI,或叫做鼓包式進氣道。在 DSI 上已經去掉了附麵層隔離板,進氣口也整合到前機身設計中。在進氣口前設計有一個三維的表麵(鼓包)。這個鼓包的功能是作為一個壓縮麵,同時增大壓力分布以將附麵層空氣“推離”進氣道。進氣道整流罩唇口的設計特點使得主要的附麵層氣流可以溢出流向後機身。整個 DSI 沒有可動部件,沒有附麵層隔離板,也沒有放氣係統或旁通係統。換句話說,DSI 實際是針對常規進氣道的進氣口部分進行的改進。精心設計的三維壓縮麵配合進氣口,不僅可以完成傳統附麵層隔道的功能,還可以提供氣流預壓縮,從而提高進氣道高速狀態下的效率,並減小阻力。隨著進氣道調節係統的取消,重量自然減輕。而對於未來作戰飛機更重要的一點是,取消了附麵層隔道以及壓縮斜板等部件後,飛機的 RCS 可能大幅減小,這顯然有利於提高飛機的隱身能力——F-22 的進氣道仍具有傳統的附麵層隔道,設計時免不了大費周章;而其采用固定式進氣道,考慮的因素中,隱身要求占了相當一部分。 DSI 是隨著計算流體力學(CFD)的進步,在洛•馬自己的計算機建模工具上開發並完善的。CFD 是一門研究流體控製方程的數字化解決方案的科學,並可以通過空間或時間對重要的流場加以描述並進一步改善解決方案。CFD 解決方案闡明了工程師們如何表現複雜的流場並對他們的設計進行性能評估。 1994 年末,洛•馬對飛機構形進行了研究——該構形後來成了他們的 JSF 原型機的構形方案。該項研究重在調查 DSI 相對於 F-22 或 F/A-18E/F 類型的後掠式進氣道的優勢。由於減少了重量(約 300 磅),DSI 可以使飛機具有更好的性能;同時 DSI 還減少了生產和操作費用——通過取消複雜部件,每架飛機可以節省 50 萬美元的費用,效益相當明顯。工程師們為了保持技術領先地位而在此期間申請了 2 項美國技術專利,並在 1998 年獲得批準。 全尺寸 F-16 飛行試驗 幾乎在 DSI 被洛•馬 JSF 設計采用的同時,工程師就明白它會被認為比 F-22 的後掠式進氣道具有更高的風險,為此他們改裝了 1 架 F-16 進行 DSI 驗證來降低技術風險。F-16 的模塊化進氣道設計使得它可以裝上 DSI 模塊而無需對前機身和中機身進行重大改造。根據現有的 F-16 進氣道設計,新的進氣道模塊將成為前機身的組成部分,從其前緣開始直到前機身與中機身接合部和原進氣道融合。壓縮麵被置於前機身座艙下方,不會影響前機身其它部分或舭線。擴壓段前部進行了重新設計,在新的進氣口和現有擴壓段之間形成一個過渡。
F-16 DSI 驗證機 F-16DSI 是在工作站上利用三維模型進行設計,其進氣道則利用了 CFD 的成果,采用了與 JSF 相同的設計方案。進氣道模塊在洛•馬的福特•沃斯航空工廠製造,安裝在 1 架生產型 F-16 上,並在該地進行了試飛。 當 DSI 安裝在 1 架 Block 30 批次的 F-16 上進行了高度成功的驗證試飛時,它才真正從概念成為了現實。試飛程序包括 12 次試飛,在 1996 年 12 月的 9 天內完成。首次試飛重在確定飛行包線和功能檢測。其它的試飛則重在驗證進氣道性能特點,包括在水平和機動飛行中快速移動油門位置以確定進氣道和發動機之間的相容性。
F-16 的進氣道改裝過程 飛行試驗覆蓋了 F-16 的整個飛行包線,並達到了最大速度 M2.0。改裝機的飛行品質在所有的迎角和側滑角條件下,都非常接近生產型 F-16。洛•馬試飛員進行了 2 次飛行中發動機重新啟動和 164 次加力點火,沒有發生故障。其中 52 次加力點火是在高難度機動中進行的。在整個試飛中沒有發生發動機失速和異常現象。 新的進氣道顯示其亞音速性能特別是剩餘功率方麵略優於生產型進氣道,證明取消附麵層隔道對整個係統是有益的。試飛員表示,軍用推力狀態和推力特性和安裝通用電氣 F110-GE-129 發動機的標準型 F-16 非常相似。考慮到整個試飛計劃的目的是驗證這種先進進氣道技術的生命力,這個結果是非常令人滿意的。 F-16 的試飛驗證了進氣道的氣動性能,而洛•馬的 JSF 原型機 X-35 也對此進行了驗證試飛。結果表明,根據 CFD 分析作出的性能分析和進氣道氣流穩定性預測與現實世界中的情況是吻合的。 DSI 在 JSF 設計中的應用 在 STOVL 型 JSF 上采用的軸驅動升力風扇要求使用分叉式進氣道。X-35 基本上原版照搬了 F-16 前機身下表麵的進氣道設計,隻是把它轉了 90 度移到機身兩側。進氣道整流罩相對於鼓包是中線對稱的。為了布置升力風扇,分叉式擴壓段明顯向外偏移。在原型機上,自升力風扇後到發動機進氣道導向葉片前有一塊隔板將左右側進氣道分隔。在升力風扇後的擴壓段則不再彎曲。根據 CFD 研究結果,在設計凍結之前,進氣道進行了改進設計。為此在阿諾德工程發展中心(AEDC)的 16 英尺超音速風洞中進行了高速吹風試驗,在模擬的發動機壓氣機平麵處測量其氣動特性。試驗馬赫數最大達到了 M1.5,取得了超過 16,000 個測試點數據。結果表明,所有的進氣道性能要求都已達到或超過。
這裏可以清楚地看到 F-35 的 DSI 進氣口,邊界層被鼓包從中間“破開”,被迫向鼓包的兩側分開,最後從後縮的進氣口唇口和機身連接處泄放 2000 年 10 月 X-35 開始進行試飛。常規起降構形(CTOL)的一個主要試飛目標是確定整個飛行包線內發動機/進氣道的相容性。 X-35 構形方案凍結後,工程師們將注意力轉向改進生產型構形。目標之一是減少這種構形的全重。於是設計人員開始研究縮短進氣道和取消左右進氣道之間的隔板。CFD 分析結果表麵,兩種方案都是可行的。於是進氣口後移了大約 2 英尺。與此同時,進氣道設計人員也開始研究改進進氣道唇口設計以改進大迎角性能。通過將整流罩唇口前移,並取消側唇口的頂尖(簡單的說就是把折線拉成直線),使得進氣口更適應不同迎角的氣流,改善了進氣效率。這種改進提高了性能,減小了不同迎角下氣流的畸變。 這是 F-35A 型戰鬥機的縮比仿真模型,從這個角度,我們可以很清楚地看到位於 F-35 戰鬥機鼻下方形狀獨特的光電跟蹤係統(EOTS)和外形經過優化的 DSI 進氣道,當然我們也可以看到飛機進氣道上狹窄的邊條 根據 X-35 進氣道構形,進行了一次三邊形 DSI 構形的高速風洞試驗。試驗於 1998 年春在 NASA 的格倫的 8×6 超音速風洞進行。在 156 小時試驗中采集了超過 12,000 個測試點數據。試驗馬赫數最大達到 M1.8。試驗數據表明,超過 10 度迎角後,三邊形進氣口相對原來的四邊形進氣口具有更高的總壓恢複。新的進氣道滿足所有的性能和畸變要求 。 JSF 最後的減小風險措施是飛行性能驗證。洛•馬的 X-35 試飛自 2000 年 10 月 24 日開始,DSI 在試飛過程中表現良好。現在 X-35 已成為 JSF 計劃的勝利者,並改稱 F-35。DSI 已成為其標誌性特征之一。 總之,洛•馬開發了一種革命性的發動機進氣道概念,具有出色的氣動性能,並取消了傳統超音速進氣道上的複雜結構,降低了生產和使用費用。DSI 是固定幾何形狀進氣道,取消了附麵層隔道、放氣係統和旁通係統,減少了 300 磅的結構重量,每架飛機節省了 50 萬美元的生產費用。在所有速度範圍包括高超音速條件下,DSI 都具有出色的性能,而在機動條件下,DSI 仍然非常可靠。在過去的 10 年裏,這項技術從醞釀走向成熟,其低風險已經被 F-35 所確認。 問題與未來 事實上目前 DSI 的公開資料相當有限,因此很難準確地判斷 DSI 的優缺點。筆者和朋友討論時曾提到如下問題:相對於固定式進氣道,DSI 有何優勢?相對於可調式超音速進氣道,DSI 又有何優勢? 對於 F-16 類型的正激波進氣道,DSI 的減重主要集中在附麵層隔道及其相應的結構加強的重量上;而對於具有雙後掠特征的固定式進氣道來說,要加上進氣口前部附麵層抽吸機構和結構的重量(對於 F-22 還有固定壓縮斜板的重量)。上文中提到的“減重 300 磅”其實是非常籠統的數據,因為並未提及具體比較對象。對於可調式超音速進氣道來說,除了前述部分外,DSI 還省去了複雜的進氣道斜板調節機構的重量。 在進氣性能方麵,目前隻能與進行 DSI 試飛的 F-16 進行比較。從試飛結果來看,試驗型 DSI 在超音速範圍內和 F-16 的正激波進氣道相當,亞音速範圍內略有優勢——公開資料特別強調了 SEP 優勢,這有可能是取消附麵層隔道導致飛機阻力減小的結果。但換個角度看,F-16 進氣道強調高亞音速性能,超音速性能較差,那麽試驗型 DSI 也具有同樣的特點——換句話說,試驗型 DSI 相對可調式超音速進氣道沒有性能優勢。雖然根據洛•馬的說法,DSI 的超音速性能也不錯,但目前沒有公開資料證實這一點。 就已知信息來看,現在的 DSI 在性能略由於固定式進氣道的基礎上,可以改善飛機的隱身特性,並有利於進氣道——機身一體化設計。而在超音速性能方麵,即使目前的 DSI 尚不盡如人意,但筆者以為並不足以嚴重影響 DSI 在戰鬥機設計中的應用。其理由是:在未來第四代戰鬥機服役期間,高超音速作戰仍不是強調的重點;發動機推力的增大,可以在相當程度上彌補進氣道的不足——這也是個發展的問題,如果給 40 年代的發動機配上今天的進氣道,其推力損失的相對比例恐怕大得嚇人;技術進步可以進一步改善 DSI,包括並未證實的超音速性能。 最近曝光的 J-10 最新改型也使用了 DSI 進氣道 |