科普戰鬥機發動機關鍵知識：高速性能是咋回事，咋才能超巡？

說發動機，先就要明確啥叫發動機推力，很多寫發動機，寫超巡的，其實壓根就搞不清啥叫推力。

先說一個基本的物理學概念，動量守恆定律，如果一個系統不受外力或所受外力的矢量和為零，那麼這個系統的總動量保持不變，這個結論叫做動量守恆定律。在現階段的物理世界裡觀測到的宏觀物體，都是遵守這個定律的，飛機也不例外。

那我們說這個，跟推力有啥關係?關係大了，噴氣式發動機的基本原理就是動量守恆，發動機的噴流向後運動，這噴流本身是有速度和重量的，這就產生了一個向後的動量，而跟這個向後動量守恆的就是飛機向前增加的動量，而這個動量就是一般所說的推力了。或者說，推力就等於發動機噴流的動量減去發動機進氣的動量。

空氣噴氣式發動機剖面圖

先搞清楚這個原理了，就知道推力是怎麼來的，怎麼才能有更大的推力了。無非就是增加噴流的質量，或者增加噴流的速度，又或者兩者都增加。比如說渦輪風扇發動機，就是通過外涵道大量吸入空氣來增大發動機的進氣流量。如果一個噴流，流量是100千克，速度是100米每秒，他的動量是10000，而另外一個噴流，流量是1000，速度是10米每秒，那他的動量同樣是10000

這裡又牽涉到另外一個概念，叫做能量守恆，發動機向後噴氣產生推力，消耗的都是燃料的化學能，而動量公式是P=MV，也就是說動量是跟速度和重量都成正比，而動能則相反，是E=（1/2）Mv^2，也就是動能跟重量成正比，跟速度的平方成正比。這樣的話，流量100，速度100的，他的噴流的動能需要有50萬焦，而流量1000，速度10的，他的噴流動能就只有5萬焦了，只有前者的十分之一，也就是說同樣的推力（這裡是個簡單模型，不考慮飛機運動速度，只算靜止台架推力），後者消耗的燃料只有前者的十分之一。

前面說到這是個靜止的簡單模型，實際上就是沒有考慮到飛機進氣速度增加的問題，一個發動機，在台架狀態，他的進氣速度是0，而在2倍音速，他的進氣速度則要超過600米，一個發動機如果噴流速度只有600米，那他在2馬赫速度下，進氣速度和排氣速度就相當了，推力就等於0.也就是說，在同等飛行速度下，噴流速度越大的，高速性能越好

上面是解釋一些基本概念，只要這些概念搞清楚了，發動機的高速性能其實就很清楚了。

渦輪風扇發動機

發動機有兩個重要參數，一個是渦輪前溫度，一個是噴流溫度，渦輪前溫度和噴流溫度的區別，就是噴流從燃燒室出來，經過了渦輪，推動渦輪做功以驅動壓氣機（包括風扇），然後在噴出噴管之前，如果發動機有外涵道的話，高溫高壓空氣還要跟外涵道出來的低溫低壓空氣混合，熱力學就不需要複習了，這些必然都會導致噴流溫度低於渦輪前溫度。、發動機的高速能力，實際上就取決於噴流溫度的高低，噴流溫度越高，在同等進氣速度下能產生的單位噴流重量推力就越大。而渦輪做功驅動壓氣機，壓氣機的增壓比越高，渦輪需要輸出給壓氣機的功率也就越大，噴流損耗在渦輪上的功率也就越大。

要提高飛機的高速性能那要求的是什麼？就是在同一飛行速度下，噴流的速度越高越好，對應的也就是說，渦輪前溫度高，在渦輪部分的消耗小，混入的低溫氣體少。這也就是為什麼說渦輪噴氣發動機比渦扇發動機高速性能好的原因了，渦輪發動機的增壓比一般都低於15，與渦扇發動機動不動就是超過20，甚至30的比，其渦輪消耗的功率小得多，而其外涵道的低溫空氣流量小（部分渦輪發動機也有連續放氣活門，把一部分空氣不經過燃燒室直接排入噴管），使得其在同樣的渦輪前溫度下，噴流速度遠超過渦扇發動機。

比如說經典的高速用渦噴發動機，J58的增壓比只有8點幾，R15更低，這就是他們實現高速的底氣所在，雖然渦輪前溫度只有1000攝氏度左右，但是大部分1400攝氏度渦輪前溫度的渦扇發動機，他們的噴流經過渦輪做功減速再跟外涵道空氣混合後，排氣溫度都比這些渦噴低得多，這也就是為什麼渦噴的高速好的原因了。

而加力燃燒室，他的溫度一般達到了1800攝氏度級別，後面也沒有渦輪來降低噴流速度，這產生的噴流就比發動機本體出來的噴流高得多，所以傳統飛機超音速主要就是靠加力燃燒室了。

國產渦噴-7渦輪噴氣式發動機剖面圖

而高速性能好的渦扇，比如F119，他的渦輪前溫度達到了1700攝氏度，而壓比跟1399攝氏度的F100基本一樣，也就是說他過了渦輪後剩餘的排氣溫度也比F100差不多要高個300攝氏度了，外涵道的涵道比又很小，混合損失也低，所以高速性能遠遠超過F100這樣的典型三代渦扇發動機。

但是，前面過，消耗的能量是基於動能定理的，產生的推力則是基於動量守恆，也就是說噴流速度越快，油耗同比就越高，而且渦輪前溫度=燃料燃燒增加的溫升+空氣本身的溫度，增壓比越高的發動機他進入燃燒室的空氣壓縮率越高，也就是說空氣溫度高，達到同樣的渦輪前溫度需要燃料提供的能量更少。因此F119這樣的發動機，壓比低，涵道比低，溫度又特別高，所以其油耗基本也達到了渦噴的水平。

從上面我們就能看出來，什麼叫高速性能好的發動機？就是噴流速度高的發動機，而噴流速度怎麼看？看流量就知道了，就是你的推力/你吸進去空氣的流量，這個數值越大的，說明他的噴流速度越大，反之則是越小，比如典型三代的戰鬥機發動機，空氣流量120千克，推力120千牛，而民航發動機，則是流量400千克，推力150千牛，這兩者的高速性能就不用對比了，天差地別。

F119渦扇發動機

從這裡也能看出來，發動機的絕對推力，其實跟高速性能沒多大關係，不是說發動機推力大，這飛機就能超巡的。而是要求噴流速度高，或者說單位空氣流量的推力大，高速性能才好。所以新一代的軍用渦扇發動機，加強高速能力，最終達到F119這樣的超巡能力，靠的就是低壓比，高溫度，小涵道比。把這三條拿去跟發動機對比一下，就知道其能不能實現超巡了。看到什麼吹9500發動機推力比RD33大很多，RD33都能超音速，9500裝上去就超巡了之類的昏話，你一口濃痰吐他臉上絕對沒錯的。

624所和606所的論文，都反覆提到過，飛機要實現超巡，渦輪前溫度至少要1500攝氏度以上，就是依靠這個高的渦輪前溫度來實現高的噴流速度，為此犧牲油耗也是必須的。YF120之所以牛逼，就在於它亞音速狀態是涵道比較大的渦扇，到了高速狀態，減少外涵道流量變成了一台漏氣渦噴，能同時兼顧高速低速下的航程。

註：本文所有圖片均來源於網路。

本文為築壘地域創作，主編原廓，作者北朝論壇國之柱石數王振。任何媒體或者公眾號未經書面授權不得轉載，違者將追究法律責任。更多精彩一戰、二戰內容請關注微信公眾號築壘地域：zhulei1941

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