心臟的奧秘之航空發(fā)動機尾噴管的進化史（四）

文/圖 王騰

在之前的文章中，我們主要談了噴口在設(shè)計師眼里需要是如何被分解成一個個技術(shù)模塊，每個模塊中又包含哪些常見的問題。然而出于篇幅和文章性質(zhì)的原因，我們對大多數(shù)的技術(shù)問題只做了一個定性的介紹，有興趣的讀著可以自行查閱一些相關(guān)的文獻資料。其實噴管雖然功能比較單一，往往也不引人注目，但是航空史上還是有很多的飛機由于其獨樹一格的排氣系統(tǒng)設(shè)計而給人留下了深刻的印象。筆者挑選了幾個著名案例與大家分享，看一看整個動力系統(tǒng)中最不起眼的部件是如何完成“逆襲”的。

按照時間順序，首先出來搶鏡的意大利斯蒂伯·卡普羅尼出品的一款驗證機，于1932年由路易吉·斯蒂伯（1900-1992年）和卡普羅尼所研制。它的最大特點是空心的、酒桶形的機身與完全包裹在機身內(nèi)的發(fā)動機，螺旋槳，整個機身就是一個涵道風扇。由于螺旋槳直徑很大，整個機身十分碩壯，看上去更像是卡通畫中的飛行器，這一外形也為它贏得了很高的人氣。

這個“奇葩”的飛機核心在于給螺旋槳安裝了一個排氣裝置，設(shè)計師斯蒂伯稱之為“管內(nèi)螺旋槳”（intubed propeller）——在機身內(nèi)安裝發(fā)動機和螺旋槳并且將機身設(shè)計成一個錐形管（文丘里管），應用伯努利原理，壓縮螺旋槳的尾流和發(fā)動機的廢氣提高螺旋槳的排氣速度，使得飛機的推進效率能夠進一步的提高。斯蒂伯當時在意大利空軍工程部工作，對這一種推進方式進行了深入的研究，其中對于管道形狀，螺旋槳的匹配等方面的設(shè)計思想也啟發(fā)了后世對航空燃氣輪機的設(shè)計，無論從功能上還是形式上，這種為螺旋槳設(shè)計的排氣裝置與現(xiàn)代噴氣式飛機的尾噴管非常相似。從另外層面上講，名不見經(jīng)傳的“管內(nèi)螺旋槳”在航空推進的歷史長卷中的確寫下了自己的故事，有些航空史學家認為，路易吉·斯蒂伯是“噴氣推進”領(lǐng)域的開山鼻祖。這個故事比前文的P-47 更加有傳奇色彩。

在1970年年中，美國空軍開始了一項“先進中型短距起降運輸計劃”（Advanced Medium STOL Transport program）研究，美國戰(zhàn)術(shù)飛機研究中心（TAI），與波音公司、麥道公司和其他公司一起尋找可能的戰(zhàn)術(shù)運輸機設(shè)計方案。在這之前，NASA 已經(jīng)進行了一系列的“動力升降”的研究稍早一些時候，既包括外部吹襟翼，包括著名的“上表面吹氣”（USB）方案。在USB 系統(tǒng)中的發(fā)動機布置在翼的上表面，發(fā)動機噴出的氣體通過一個特殊的扁形噴口吹過襟翼。當襟翼被放下時，由于“柯恩達”效應（Coand? effect）,發(fā)動機氣流朝向下彎曲。NASA在蘭利12 英尺（3.7 米）的風洞進行實驗的初步結(jié)果表明，這種通過對發(fā)動機噴出的氣體做文章的增升方式比任何其他增升方案更為有效。

意大利Caproni_Stipa-1 技術(shù)驗證機。

意大利Caproni_Stipa-2 技術(shù)驗證機。

羅·羅為“鷂”式研制的“飛馬”渦扇發(fā)動機。

1971年，波音公司推出了他們利用USB 系統(tǒng)設(shè)計的“先進中型短距起降運輸計劃”飛機——YC-14，其最顯著的特點是安裝在機翼上方的兩臺巨大的CF6-50D渦扇發(fā)動機。設(shè)計師們將發(fā)動機的尾噴管進行改造，通過一系列復雜的整流結(jié)構(gòu)使其噴出的高速燃氣流過機翼上表面向后噴出，噴口被設(shè)計成圓角等腰梯形，以盡可能擴大排氣寬度并減少流動截面變化而導致的總壓損失，機翼上巨大的襟翼能夠高溫燃氣大角度偏轉(zhuǎn)，并由于“科恩達”效應與引射效應帶動機翼上表面其它范圍的氣體同時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以提供非?？捎^的動力增升效果。

然而在之前的文章中我們也討論過，發(fā)動機尾噴管內(nèi)的氣體非常不“面善”，高溫、高速加之化學不穩(wěn)定性使得噴管設(shè)計時必須把熱防護和材料熱壽命等進行通盤考慮，一個噴管尚且如此，利用機翼上表面對發(fā)動機噴出的燃氣進行處理顯然是一件非常困難的事情。即使YC-14 使用的是渦扇發(fā)動機，其排氣溫度也遠遠超過了普通航空用鋁合金的正常工作溫度，即安裝發(fā)動機的機翼段必須進行熱防護處理。更大的困難在于USB 方案將整個襟翼及其作動部件甚至與一部分機翼主梁都暴露在了發(fā)動機尾流的熱區(qū)中，在厚度本身十分受限的機翼上做隔熱處理效果和代價都難以讓人滿意。同時前文我們也提到過，對于高速燃氣，任何流動結(jié)構(gòu)設(shè)計不當所引起的損失都將被放大，在YC-14上也不例外，由于噴流掠過機翼上表面帶來的推力損失以及機翼下洗效應帶來的拉力方向變化，飛機的平飛經(jīng)濟性受到了很大的影響（風洞試驗數(shù)據(jù)的平飛總阻力比設(shè)計預期高出7%），對于軍用飛機而言，這種經(jīng)濟性將會影響其最重要的一個作戰(zhàn)參數(shù)——航程。以上這兩條幾乎宣判了YC-14 的死刑，盡管作為一種新概念的設(shè)計，YC-14 實現(xiàn)了可觀的重型飛機短距起降能力并且?guī)Ыo后世很多設(shè)計上的啟發(fā)，美國戰(zhàn)術(shù)飛機研究中心（TAI）依舊在1979年12月叫停了“先進中型短距起降運輸計劃”（Advanced Medium STOL Transport Program）計劃，YC-14 的歸宿也只能是停機坪。

美國YC-14 驗證機。

然而她的故事卻有一個有趣的尾聲，1977年8月31日首飛，一架不尋常的飛機在“鐵幕”另一側(cè)的烏克蘭完成了首飛——安東諾夫 安-72“運煤船”運輸機。使用兩臺Lotarev D-36 渦扇發(fā)動機的安-72 與YC-14 儼然是失散多年的兄弟一般，同樣的“先進中型短距起降運輸機”目標，同樣的USB 原理，同樣的“科恩達”效應，但是毛熊血統(tǒng)賦予了其壯碩穩(wěn)健的底盤和可碾碎一切的起落架，能夠在沙攤、草原或其他野戰(zhàn)機場順利完成起降。然而“孿生兄弟”的命運卻不盡相同，1999年“達喀爾“拉力賽，組委會還雇傭了四架安-72幫助運輸物資。

說到噴管的設(shè)計，最被大伙兒們津津樂道的一定是矢量推力系統(tǒng)。然而由于矢量推力噴口本身設(shè)計難度與材料要求都很高，與其配套的飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計也需要反復的實驗與試飛的積累完成。因此在矢量推力系統(tǒng)出現(xiàn)之前，能夠轉(zhuǎn)動的噴口是以垂直起降飛機的形式亮相的，其中名氣最大的莫過于英國的“鷂”式攻擊機。

大名鼎鼎的羅·羅公司生產(chǎn)的“飛馬”發(fā)動機賦予了鷂式垂直起降的能力，布里斯托爾·西德利公司的天才工程師們完成了航空發(fā)展史上里程碑的設(shè)計。這臺發(fā)動機最顯著的特點是4個可以旋轉(zhuǎn)的噴口，這4個噴口布置在發(fā)動機尾部和前三分之一的地方，如同珀伽索斯強有力的四蹄為飛機提供106 千牛的推力?！帮w馬”矢量推力渦扇發(fā)動機采用雙轉(zhuǎn)子設(shè)計，三級低壓壓氣機+8級高壓壓氣機分別由一級低壓渦輪和兩級高壓渦輪級分別驅(qū)動。值得注意的是，飛馬發(fā)動機的高壓軸與低壓軸旋轉(zhuǎn)方向相反，因此大大降低了陀螺進動效應對于低速垂直起降時飛機操控性的影響。該發(fā)動機采用了一個簡單的推力矢量系統(tǒng),由4個旋轉(zhuǎn)噴嘴和中央控制器組成，能夠為飛機提供推力，升力和向前的推進力，完成垂直起降、短距起降和水平飛行。

為了簡化結(jié)構(gòu)，飛馬發(fā)動機的前兩個噴口噴出的是外涵道冷氣，即風扇后氣流，排氣溫度450K；后面的兩個噴口噴出的是內(nèi)涵到熱氣，與常規(guī)渦噴發(fā)動機相同，排氣溫度高達950K。因此在飛馬的噴口設(shè)計中，有兩個關(guān)鍵問題需要解決——減少由于旋轉(zhuǎn)噴口的復雜流動特點而導致的推力損失與對高溫部件進行熱防護。為了解決第一個問題，飛馬的設(shè)計團隊采用了在噴口中安裝分隔片的方法，這種分隔片會被按照流線方向放入到噴口內(nèi)，將噴口分割為很多的層次，減少了氣體轉(zhuǎn)彎過程當中的二次流與漩渦，能夠大大降低總壓損失；而在“鷂式”飛機上，飛馬的后噴口覆蓋范圍內(nèi)都安裝了專門的隔熱材料——保護飛機不受高溫燃氣的灼傷。這兩點設(shè)計成功保證了飛馬發(fā)動機獨特的四旋轉(zhuǎn)噴口方案能夠發(fā)揮出應有的效果，從而完成布里斯托爾·西德利的天才設(shè)計。也正是由于這臺“飛馬”，人類航空的長卷中才匯出了從Kestrel FGA.1 到AV-8B的不朽經(jīng)典。即使在矢量推力技術(shù)枝繁葉茂的今天，當我們再次去體會“飛馬”發(fā)動機獨特的噴管設(shè)計時，依然會感嘆前輩們無窮的智慧。