前两天发了一个洛马的新战斗机,有粉丝回复:
这里咱们得说一下了,机背进气的战斗机设计虽然不多见,但是并不是不可能的事情。
其实,世界上第二型量产的喷气式战斗机就是机背进气的。而且就目前而言,机背进气是很多战斗机设计团队所追求的目标。
二战末期,纳粹德国生产了世界上第一型喷气式战斗机,也就是大家熟悉的梅塞施密特Me-262战斗机了。
这型飞机利用两台涡轮喷气式引擎提供动力,是德国二战末期生产的三型喷气式战斗机之一。这个设计也被当时同为轴心国的日本拿到了,生产了“橘花攻击机”:
当时最早的喷气式战斗机的设计都是在机翼下挂发动机吊舱,机身采用一个整体结构的设计思路。从日本的“橘花”大家能看出什么问题呢?是不是发动机的高度太低了,整体上进气道距离地面的距离只到人的腰部高度(况且还是二战的日本人)。这种设计在铺设很好的跑道上是没有问题的,但是在战场上的临时跑道上就会有吸入异物的风险。在起飞和降落的时候飞机发动机会因为跑道上的沙石等问题损坏造成事故。
ME-262一共生产了1433架,其中有将近300架在起飞、降落的时候出现故障被损失掉了。二战结束后,ME-262的生产线被引入了捷克斯洛伐克他们生产的Avia S-92实际上就是ME-262的简化版。
同样也因为发动机离地太近导致了大量损失。
德国人在生产ME-262早期就已经意识到了这个问题,于是就很极端的把喷气式发动机改在了飞机的背部。这也就是HE-162
采用单发背部驮装的方式安装喷气式发动机。
HE-162生产了320架,成本不到ME262的1/4,可谓是物美价廉。只不过研制成功已经接近德国投降了,在历史上就没有太多的存在感。
如果看HE-262的气动布局设计,我们很容易想到德国在二战期间的另一款飞行器——V-1巡航导弹。这也是在背部驮了一台喷气式发动机的设计。只不过这是一次性的巡航导弹,而非有人驾驶的战斗机。
首先,我们来说一下喷气式引擎在机背设计的好处:
第一,喷气式引擎在机背设置或者进气道在机背设置飞机的机腹机身气动曲线就更加完整,更有利于飞机的气动外形设计。
第二、底部平坦,无开口和突出物也会降低飞机飞行时候的雷达信号,要知道在很多地面的搜索雷达对于飞机是仰视的角度射出雷达波,平底会让雷达波返回的可能性最小。在这一点上B-2的设计就很说明问题了。
在B-2的底部完全是平滑的,这样在飞行中的B-2被雷达有效探测的可能性就相当的低了。
第三、异物吸入的可能性最小。由于进气道在机背,远离地面,在起降的时候飞机进气道吸入跑道上杂物的可能性极低。在有一些机腹进气的前线战斗机上实际上也采用了机背进气通道的设计。例如米格-29轻型战斗机,这是一款短距双发战斗机。通常会在简陋的前线机场部署。
它的进气道是在飞机的腹部,这就导致Mig-29在起飞的时候非常容易吸入跑道上的异物,所以你如果看上面这张米格-29起飞时候的进气道照片你会发现,进气道内有一个挡板将进气道遮盖起来。真正在起飞的时候米格-29是依靠其边条上的进气格栅来为发动机供气的。
实际上,采用这样进气的飞机也并不是米格-29这么一个,F-117也是有相似的设计,只不过F-117是因为进气道上有大片的雷达反射板,在起飞的时候发动机进气量不足,因此F-117在起飞的时候也会打开机背上的舱门让发动机获得足够的空气流量。
上图就是一架打开进气道舱门在滑行状态下的F-117。
机背的辅助进气功能在战斗机上有了吧?那么有没有专门设计的用机背进气的战斗机呢?也还是有的。例如:当年美国海军的YF-2。这就是一架机背进气的战斗机。
注意一下这架飞机的起落架,你会发现它是雪橇型起落架。当时美国海军需要一种可以直接在水面上起降的喷气式战斗机。于是理所应当的就将发动机的进气道设置在了飞机的机背上。这个位置基本上不会受到飞机起降的时候溅起来的水花影响。于是就干脆在机背上开了一个进气道。
同样的例子还有F-107A“终极佩刀”,采用的也是机背进气的方案。
为什么它要这样做?注意这架F-107机腹的白色位置。这是一枚战术核弹。F-107的设计理念是高速飞抵对方上空,利用核武器进行打击。
当时的核武器并没有完全小型化,而无论从机头和两侧进气都会大幅度的挤占内部武器舱的尺寸,使内部武器舱无法容纳过大的弹药。因此北美航空在设计F-107的时候就用到了机背进气,让进气道为飞机内部的弹仓空间让路。
这就引申出了另一个机背进气的好处——为机内腾出大量空间。皮薄馅大是很多飞机设计师所追求的最高设计指标。
而F-107就做到这一点了。唯一的改动就是将进气道放在了机背上。
说进气道造在机背上不好的地方吧。很多人认为飞机要大迎角飞行的时候背部进气道会影响进气。其实这是错误的观点。在真正飞行的时候恰恰是造在机背上的进气道才不会受到飞机的机动产生的进气影响。
这是为什么呢?真正的大迎角飞行是这样的飞行姿态:
但是在战斗机的实际飞行中这样的姿态很少见,只有在极端极限的情况下这种大迎角飞行姿态才会短暂的出现。这种十几秒的短暂出现的气流偏差并不会让发动机出现熄火等故障。
而大家所觉得的大迎角飞行是这样的:
这个时候飞机的进气方向和运动方向是一致的,进气道并不会因为飞机机身整个迎着风而被阻挡。仍然是畅快的吸着开口前面的空气,并不会有影响。
而飞机在做机动的时候,还会出现一个“人”的因素。在进行大角度旋转的时候,一般的情况下都是向腿部方向施加G力。例如高速飞行的战斗机要下降高度,并不是直接向前推操纵杆的,而是先转成倒飞的姿态,然后向后拉杆。或者是要大角度转弯的时候也是要进行倾斜的。
这时候你会发现,进气道实际上是在运动的反方向上。本来机腹进气的就变成了机背进气。按照“挡着气流会导致发动机进气不够”的说法,实际上是打脸了所有机腹进气的战斗机了。
那么为什么现在机背进气的战斗机那么少?
主要的原因是维护不方便。如果一架战斗的发动机在机背,那么发动机舱势必也会相当高。这就导致本来可以在地面完成的检修工作都需要到机背完成了。而且原来机背上的电子设备检修舱口也会在进气道的阻碍下无法打开,失去了操作路由。这对战斗机的维护是一个很大的缺陷。
例如F-117的一些设备检修舱被设置到了进气道内。维修人员通过进气道上舱进入后才可以接触到这些检修舱。
这就导致了F-117本身的维护性相当的差。机背进气虽然好,但是弊端也让机背进气的优势被抹平。因此,世界上机背进气的战斗机才很少(并不是没有)。
但是,现代隐身战机的研发又开新一轮赛季了,对内置大弹舱、下部隐身的需求越来越大,大到一定程度,机背进气的优势大于弊端的时候就会出现大量的机背进气的战斗机。想想为什么YF-2和F-107被设计成机背进气,道理也是一样的。