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嘉莱特式进气道的优点是什么?为什么隐身战斗机只有f22用它?

作者:机械网
文章来源:本站

  除了F-22和超级大黄蜂,苏-57也是用加莱特进气道

  加莱特进气道(CARET),正式名称为“双斜切乘波进气道”,属于超音速进气道的一种,与DSI进气道一样同属于更复杂的三维乘波体系进气道一种。他明显特征就是进气口外形为类似平行四边形的斜型,美国的F-22最先采用这种进气道模式,此外F/A-18E/F 超级大黄蜂战斗机和俄罗斯的苏-57也是采用加莱特式进气道。

  F-22是最早采用加莱特进气道的战机

  F/A-18E/F 是第二个采用加莱特进气道布局的战斗机

  加莱特进气道最大优点在于利用双斜激波来控制进气道内的总压和空气流速,对进气道气流控制能力最强。战斗机飞行时,发动机桨叶运行速度不能超过音速,否则产生的激波会导致发送机发生喘振,甚至有可能导致桨叶断裂。所以需要在进气口设置措施对入口的气流进行控制,利用进气口产生的激波,以及进气道内类似河道一样的缩小再扩大的变化,产生气压变化,延缓流速。加莱特式进气道发展自二维可调挡板式进气道,他采用两道斜激波作用效果更强,因而加莱特式进气道更利于高超音速飞行,其在2马赫速度时,控制效果在目前各种进气道中最好。二维可调挡板式进气道利用进气道各挡板来控制气流走向

  另一个优点在于加莱特进气道与S型进气道布局配合效果较好,更利于隐身设计。因为加莱特式的斜面挡板对于自身内上角的部位遮蔽效果最好,所以战斗机在设计S型双弯进气道时,把发动机布置在对应进气道内上方,就可以取得非常好的遮蔽效果。苏-57发动机舱正面对应的大致位置,其主要是利用加莱特进气道的挡板来实现隐身生产线进气道结构,弯曲线还是比较明显,这点还是不能冤枉他

  当然加莱特式进气道也有缺点,那就是结构过于复杂,重量代价很大。斜激波进气口附面层粘性气流效果很大,所以采用双斜激波的加莱特式进气道很依赖放气装置,需要设置进气道收集附面层气流和放气孔。再加上进气口的斜面挡板运动和控制装置,导致整个加莱特进气道重量代价相当大,轻型和中型战斗机选择相当不利。

  在两种三维乘波体系进气道,加莱特式和DSI之间对比的话,两者互为优缺点。加莱特式调整能力强,但是重量大、结构复杂。DSI进气道调整能力差,但是重量小,结构简单。相比较来说加莱特进气道在2倍音速以上优势较为明显,而DSI进气道在1.2~1.8马赫区间性价比优势最为突出。

  加莱特(CARET)进气道的优点是结构简单、隐身性能好、机动性好。例如加莱特进气道的压力恢复对迎角和侧滑角的敏感性比常规要小,且在高超音速下可以采用所有压缩面都具后掠前缘的几何形状,这能让气动加热速率较低。加莱特进气道首先出现在F/A-18E/F上,后来美国隐身/超音速和敏捷性验证机X-36也采用类似设计,随后隐身战斗机F-22也采用此设计。然而加莱特进气道会随着飞机最大飞行速度的增加,进口设计的复杂程度也增大,这也带来一些无法避免的问题。

  加莱特进气道的中文意思是“后掠双斜面超音速进气道”,它在进口的上侧和内侧均有前缘后掠的压缩斜板,在设计上借鉴了乘波机概念。考虑到隐身因素,进气道的唇缘会设计成后掠或前掠呈锯齿状,这能降低前视雷达的散射。加莱特进气道跟利于进行进口平面的调整,它可以使设计的进气道、检查口盖和工作舱门的前后缘与机翼平行,还能减少飞机尖峰信号数量。调整后,可以把进气道反射的尖峰信号调整到机翼前缘相同的反射位置上,这自然降低了飞机的雷达截面积。

  美国X-36验证机就有较低的前视可视性,它为了保持更好的进气道入口流场特性,采用了圆弧唇口,但是仅采用了28%的缩比,参考价值不大。然而加莱特进气道在起飞、亚音速和超音速阶段都有各自的设计问题,进气道进口面积和压缩斜板角度是影响超音速性能的关键参数。

  总而言之,加莱特进气道具有气动、结构简单和隐身等方面的优势,这也成为美国第五代隐身战机F-22的选择。加莱特进气道的应用开创了进气道设计的天地,有望扛起“进气道每十年出现大突破”的旗帜。

  在飞机大马赫数飞行时,激波会贴附在进气口边缘,通过激波加压后的气流会加速进入进气道,而加莱特进气道的设计,会使气流经过激波后减速,再进入进气道,而经过激波减速后的气流是均匀的,这部分气流可以有效的提高进气道内部的气流性能,适合发动机的进气需要,不需要安装复杂的进气调节控制系统。

  不过据我所知,并不是只有F22使用了该进气道,使用该进气道的战机还有美海军的F/A-18E/F超级大黄蜂,和俄罗斯空军的苏-57。

  优点是调节范围宽,进气量大,隐身战斗机除了F22还有苏57也使用这种进气道,F35和中国的歼20使用的是更为先进的DSI进气道。

  毫无疑问,CARET进气道是一种落后的进气方式,F22使用这种进气方式是因为在F22研制时DSI技术的研究还不深入(20世纪80年代)不成熟,从避免风险考虑。

  随着DSI技术的成熟(20世纪90年代),DSI逐步取代了CARET进气道,F16、F35、歼10、歼20都用上了DSI进气道。

  DSI进气道虽然看起来就是进气道唇口区域的一个三维鼓包,却蕴含着精妙的奥义,需要极高的空气动力学造诣才能设计出来,需要强大的风洞群才能进行验证,到现在为止,中国和美国研究的比较透,欧洲和俄罗斯还没见到应用成果。

  进气道技术的发展大概经历了:机头锥形进气道——矩形进气道——CARET——DSI这几个阶段,DSI是CARET的升级版。

  CARET进气道主要解决的问题,采用隔离的办法将粘滞在机体表面低速、紊乱的附面层隔离开,不让这一部分气流进入进气道,从而保证供给发动机进气气流的高速、稳定。加之当时的涡扇发动机尚采用的还是调节精度不高的机械液压调节方式,未应用数字电调技术,为了保证发动机的稳定工作和减小喘振,CARET进气道采用了调节斜板来匹配发动机工作状态和进气道进气量,这些都是行之有效的措施。

  DSI进气道是无隔道进气道,对附面层的处理方式是让流进进气道的气体把附面层吹除,同时精心设计的三维结构可以在不同速度条件下自动调节进气量的大小,与发动机工作状态匹配。

  优势:

  最大的优势是减重。取消了CARET进气道的一系列机械、液压调节机构,至少可以减重200公斤,这是一个相当可观的数字,差不多就这一条就够了,任何战斗机的设计师都无法拒绝减重200公斤的措施。

  第二,安全。取消了机械、液压调节机构就会避免由于调节机构实效带来的风险,符合“剃刀原则”。战斗机飞行过程中如果发生“进气道不调节”危险程度甚至超过“发动机停车”。

  关于隐身:这部分争议比较大。实际情况是CARET进气道会与飞机机体产生空腔,空腔是一个强的RCS散射源,而且CARET进气道空腔不能进行遮蔽,这部分散射贡献了很大一份前向RCS。相比较而言,DSI的三维鼓包可以有很多处理措施,透波+吸波就能处理掉大部分RCS,F35机身这么多鼓包RCS控制的还不错,DSI技术功不可没!

  DSI的不足:进气量稍小,有一个三维鼓包,进气量多少有点影响。还有就是大迎角时会产生气流震荡,对发动机调节是个考验。歼10B的眼镜蛇对发动机考验更大,这也是前一阵子航展歼10B眼镜蛇机动的高超之处,不过大家都把注意集中到强大的飞控上了,发动机强大的电调能力倒没人在意。

  好了,基本就是这样,DSI是大势所趋。

  相对DSI它的优点是可调节好,可以在不同速度下始终保持最佳进气,高速性尤佳。缺点是相对复杂笨重。DSI优点是轻(减重很明显)、简单可靠,缺点是只能在某一个速度区段保持最佳性能,所以部分放弃高速性,但这个缺点不算突出,只要精心设计,就可以保证在关键速度区段获取最佳进气效率。所以总的来说还是DSI进气道代表未来发展趋势,F-22不用是因为它服役较早,DSI还没成熟就设计已经定型,变更DSI进气道代价较大。而由于美国发动机技术先进,推力富裕,加莱特进气道相对笨重的缺点也就不明显。之后的四代机大多用DSI,是因为DSI性价比更高。这里边苏57是个另类,他的进气道介于二者之间,外观看是加莱特,但含有DSI成分。

  进气道是关系飞行的重要支撑,没有他再牛

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