有人问“涡扇15到底是不是矢量的?”这件事虽然不能说和涡扇15一毛钱关系也没有,也得说两者并没有多大关联。
简单的说一下:
我们现在看到的是一个涡扇发动机,但是如果真的深究下去,照片中也并不是一个涡扇发动机这么简单的事情。照片上的东西比“涡扇发动机”本身要多得多。
如果想真正的理解这件事情,你就需要至少有那么一点点工程学的思维方式。我们如果研制一型发动机,这个型号的发动机需要在歼-20上使用,那么如果再生产一个新的型号的其他飞机,我们是不是需要舍弃现在的型号,再从头设计一款发动机给新型号的飞机使用呢?最好的做事方式的确是这样的,但是这种方式就会抛弃掉成熟的构型、成熟的数据积累和数据模型、以及成熟的生产工艺和生产线。研制周期和试验周期都会拉得很长。这种“最好的方式”就立刻变成了“最不好的方式”。
那么工程学上是怎么设计发动机的呢?设计完喷气发动机的核心机后一切其他设计都是在这个核心机的能力范围的基础上向外扩展的。因此,一个涡轮喷气式发动机就有了若干的部件。
这些部件可以按照统一规格的管径接口规范像搭乐高积木一样搭起来。
其主要的部件就是压气机、燃烧室、涡轮三个部分。
这些部分可以靠轴连接或者靠外围的齿轮箱或者传动组相互连接在核心部件的基础上向外继续扩展。
因此在相同的核心机基础上向外扩展搭配不同的部件一台涡轮喷气式发动机也就成了不同形态的产品。
那么真正的涡扇15指什么呢?其实只是指它的压气机、燃烧室和涡轮机。当然了,这是一个狭义上的定义。不好理解吧?咱们用生活中一个常见的事物来类比这个问题——电脑的CPU。
如果我们要配置一台新的电脑,很多人首先就会考虑购买一个i5或者i7的CPU,但是如果真的到电脑商城只说要购买一个i5的CPU那么99.99%的概率会被坑得很惨。为什么呢?你没有明确要购买的CPU是多少代的,你就很可能在一个十三代CPU流行的时间段里购买了一个已经严重过时的七代i5。这时候有经验的小伙伴就会和商家说“我要第十三代的i5 CPU”。这样就不会被坑了吗?
一样会被坑的,或许大家不知道的是,即便是十三代的i5 也有33种型号:
如果仔细看上面的清单你就会发现同样是13代i5,核心数量是不一样的,频率也是不一样的,缓存还是不一样大的,甚至带不带核心显示模块、核显的型号也还是不一样的……如果你手上有这份资料每个项目点进去看你还会发现功耗、发热量、安全性等一系列的功能都有着或多或少的差异。
为什么CPU厂商分了这么多型号?一方面是良品率的问题,另一方面就是为了适应不同人的需求。这一点其实航空发动机也是一样。
例如F/A-18的F414发动机。我们一直会认为是这样的:
其实,真正的F414发动机是这样子的:
前面增加了风扇,后面又增加了后燃器和喷管,就成了一个长筒型的样子
其实严格意义上说,F-18所使用的发动机叫做F414-GE-400,有没有CPU的的味道了?F414对应CPU的代次(制程),GE对应了CPU的系列(例如I5),400又代表了小型号。
F404/F414的发动机变体很多,都是在单一的核心机的架构上扩充出来的不同型号。
例如F414-EDE,这是个持久化的型号,改进了涡轮机匣内的设计,让发动机寿命更持久
再如F414-EPE,增强性能版本,主要改了压气机的叶片和燃烧室的结构,让这个型号的推力更大
还有F414M反向优化了一下,更省油,但是推力降低,主要用于教练机
这就完了吗?其实CFM56的核心机也源于F404,只不过把前面的小涵道比风扇改成了大涵道比风扇,用在了客机和运输机上。
更夸张的是 这个核心机(F404)还被用在LM1600上,
注意,上图,进气口的位置并没有气锥而是一个蘑菇头。这是典型的船用燃气轮机的设计。
所以说,涡轮喷气式发动机这个东西就是搭积木,前面是什么模块、后面是什么模块都是可以随意搭配的。
甚至你可以搭配出GE36这样的涡桨发动机来。
那么,“矢量喷管”是什么呢?字面意思——就是一个喷管而已。如果抛弃掉喷气输出动力不提,实际上和你家汽车的排气管是一个物件。有的人把车子的排气管改了,但那是改了发动机吗?
虽然改了排气管的确是对发动机有影响,但真和发动机的关系不太大。
当然了,作为喷气式发动机的动力输出组件,发动机喷管要远比汽车或者摩托车的发动机排气管要更复杂。一方面在于喷气式发动机喷管在众所周知的恶劣条件下工作,需要耐高温、耐振动、耐蠕变,材料就是关键的技术要点了。
另外发动机喷管并不一定是喷气管道,在有的发动机喷管的设计中发动机喷管还是一个吸气管道。这就是文丘里效应了,高速的气流可以带动周遭的气流运动。因此很多的早期发动机或现在的经济型发动机的核心机喷口是这样的:
这种花瓣形状的喷口喷出的气流更容易带动周围的空气一起向后运动。这样做两个好处,第一发动喷出的气流可以额外的再多带动一些空气向后喷射以实现更大的推力;第二,喷管内混入一定量的外部空气可以显著的降低红外线特征。
现在很多追求大推力的战斗机发动机似乎看不到这样的设计了,但其实设计的更加巧妙了而已,注意上图发动机喷管边缘的缝隙。
在这种设计中还是给外部的气流一个稳定的通道的,只不过在飞机以更高速的速度飞行的时候这个通道被膨胀的喷嘴阻挡了而已。
到这里咱们就得明白了,喷管就喷管,和发动机的关系已经不那么密切了。所以我们在说F-22的时候往往会用“二元矢量喷管”而不是“矢量发动机”来描述F-22这一特性。
这里又像是买CPU一样了,带不带核显其实是和CPU本身的运算性能没有一毛钱关系的。
当然了,现在还有人对F-22的二元矢量喷管和SU-57的三元轴对称矢量喷管谁好谁不好争吵不休,其实这这两种技术路线的“好”与“不好”本身和形式并没有太大关系。
从控制角度来说更多的在于飞控系统的处理能力。
二元喷管结构简单但是对飞控的要求更高,而三元喷管对于飞控的要求较低而结构相对复杂。这就是区别。和隐身不隐身的没啥关系。
对于咱们来说,二元三元喷管其实都是通吃的。
而且相对于F-22的二元喷管,由于材料改进了,比F-22的更轻巧一些。
但是还得说一点,这个喷管套在“涡扇15”屁股后面“涡扇15”就是矢量的,套在“涡扇10”屁股后面“涡扇10”就是矢量的,它真心的和发动机本身没一点关联。
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