有人問「渦扇15到底是不是矢量的?」這件事雖然不能說和渦扇15一毛錢關係也沒有,也得說兩者並沒有多大關聯。
簡單的說一下:
我們現在看到的是一個渦扇發動機,但是如果真的深究下去,照片中也並不是一個渦扇發動機這麼簡單的事情。照片上的東西比「渦扇發動機」本身要多得多。
如果想真正的理解這件事情,你就需要至少有那麼一點點工程學的思維方式。我們如果研製一型發動機,這個型號的發動機需要在殲-20上使用,那麼如果再生產一個新的型號的其他飛機,我們是不是需要捨棄現在的型號,再從頭設計一款發動機給新型號的飛機使用呢?最好的做事方式的確是這樣的,但是這種方式就會拋棄掉成熟的構型、成熟的數據積累和數據模型、以及成熟的生產工藝和生產線。研製周期和試驗周期都會拉得很長。這種「最好的方式」就立刻變成了「最不好的方式」。
那麼工程學上是怎麼設計發動機的呢?設計完噴氣發動機的核心機後一切其他設計都是在這個核心機的能力範圍的基礎上向外擴展的。因此,一個渦輪噴氣式發動機就有了若干的部件。
這些部件可以按照統一規格的管徑接口規範像搭樂高積木一樣搭起來。
其主要的部件就是壓氣機、燃燒室、渦輪三個部分。
這些部分可以靠軸連接或者靠外圍的齒輪箱或者傳動組相互連接在核心部件的基礎上向外繼續擴展。
因此在相同的核心機基礎上向外擴展搭配不同的部件一台渦輪噴氣式發動機也就成了不同形態的產品。
那麼真正的渦扇15指什麼呢?其實只是指它的壓氣機、燃燒室和渦輪機。當然了,這是一個狹義上的定義。不好理解吧?咱們用生活中一個常見的事物來類比這個問題——電腦的CPU。
如果我們要配置一台新的電腦,很多人首先就會考慮購買一個i5或者i7的CPU,但是如果真的到電腦商城只說要購買一個i5的CPU那麼99.99%的概率會被坑得很慘。為什麼呢?你沒有明確要購買的CPU是多少代的,你就很可能在一個十三代CPU流行的時間段里購買了一個已經嚴重過時的七代i5。這時候有經驗的小夥伴就會和商家說「我要第十三代的i5 CPU」。這樣就不會被坑了嗎?
一樣會被坑的,或許大家不知道的是,即便是十三代的i5 也有33種型號:
如果仔細看上面的清單你就會發現同樣是13代i5,核心數量是不一樣的,頻率也是不一樣的,緩存還是不一樣大的,甚至帶不帶核心顯示模塊、核顯的型號也還是不一樣的……如果你手上有這份資料每個項目點進去看你還會發現功耗、發熱量、安全性等一系列的功能都有着或多或少的差異。
為什麼CPU廠商分了這麼多型號?一方面是良品率的問題,另一方面就是為了適應不同人的需求。這一點其實航空發動機也是一樣。
例如F/A-18的F414發動機。我們一直會認為是這樣的:
其實,真正的F414發動機是這樣子的:
前面增加了風扇,後面又增加了後燃器和噴管,就成了一個長筒型的樣子
其實嚴格意義上說,F-18所使用的發動機叫做F414-GE-400,有沒有CPU的的味道了?F414對應CPU的代次(製程),GE對應了CPU的系列(例如I5),400又代表了小型號。
F404/F414的發動機變體很多,都是在單一的核心機的架構上擴充出來的不同型號。
例如F414-EDE,這是個持久化的型號,改進了渦輪機匣內的設計,讓發動機壽命更持久
再如F414-EPE,增強性能版本,主要改了壓氣機的葉片和燃燒室的結構,讓這個型號的推力更大
還有F414M反向優化了一下,更省油,但是推力降低,主要用於教練機
這就完了嗎?其實CFM56的核心機也源於F404,只不過把前面的小涵道比風扇改成了大涵道比風扇,用在了客機和運輸機上。
更誇張的是 這個核心機(F404)還被用在LM1600上,
注意,上圖,進氣口的位置並沒有氣錐而是一個蘑菇頭。這是典型的船用燃氣輪機的設計。
所以說,渦輪噴氣式發動機這個東西就是搭積木,前面是什麼模塊、後面是什麼模塊都是可以隨意搭配的。
甚至你可以搭配出GE36這樣的渦槳發動機來。
那麼,「矢量噴管」是什麼呢?字面意思——就是一個噴管而已。如果拋棄掉噴氣輸出動力不提,實際上和你家汽車的排氣管是一個物件。有的人把車子的排氣管改了,但那是改了發動機嗎?
雖然改了排氣管的確是對發動機有影響,但真和發動機的關係不太大。
當然了,作為噴氣式發動機的動力輸出組件,發動機噴管要遠比汽車或者摩托車的發動機排氣管要更複雜。一方面在於噴氣式發動機噴管在眾所周知的惡劣條件下工作,需要耐高溫、耐振動、耐蠕變,材料就是關鍵的技術要點了。
另外發動機噴管並不一定是噴氣管道,在有的發動機噴管的設計中發動機噴管還是一個吸氣管道。這就是文丘里效應了,高速的氣流可以帶動周遭的氣流運動。因此很多的早期發動機或現在的經濟型發動機的核心機噴口是這樣的:
這種花瓣形狀的噴口噴出的氣流更容易帶動周圍的空氣一起向後運動。這樣做兩個好處,第一發動噴出的氣流可以額外的再多帶動一些空氣向後噴射以實現更大的推力;第二,噴管內混入一定量的外部空氣可以顯著的降低紅外線特徵。
現在很多追求大推力的戰鬥機發動機似乎看不到這樣的設計了,但其實設計的更加巧妙了而已,注意上圖發動機噴管邊緣的縫隙。
在這種設計中還是給外部的氣流一個穩定的通道的,只不過在飛機以更高速的速度飛行的時候這個通道被膨脹的噴嘴阻擋了而已。
到這裡咱們就得明白了,噴管就噴管,和發動機的關係已經不那麼密切了。所以我們在說F-22的時候往往會用「二元矢量噴管」而不是「矢量發動機」來描述F-22這一特性。
這裡又像是買CPU一樣了,帶不帶核顯其實是和CPU本身的運算性能沒有一毛錢關係的。
當然了,現在還有人對F-22的二元矢量噴管和SU-57的三元軸對稱矢量噴管誰好誰不好爭吵不休,其實這這兩種技術路線的「好」與「不好」本身和形式並沒有太大關係。
從控制角度來說更多的在於飛控系統的處理能力。
二元噴管結構簡單但是對飛控的要求更高,而三元噴管對於飛控的要求較低而結構相對複雜。這就是區別。和隱身不隱身的沒啥關係。
對於咱們來說,二元三元噴管其實都是通吃的。
而且相對於F-22的二元噴管,由於材料改進了,比F-22的更輕巧一些。
但是還得說一點,這個噴管套在「渦扇15」屁股後面「渦扇15」就是矢量的,套在「渦扇10」屁股後面「渦扇10」就是矢量的,它真心的和發動機本身沒一點關聯。