跨入新纪元,竞争超声速 苏俄第二代主要涡喷发动机发展史及杂谈(试制版)

       随着1949年在米什瓦克核试验场的一枚核武器爆炸,世界出现了第二个拥核国家—苏联,并且同时期以其远程航空兵的力量,成为对敌对国家核力量遏制的先锋

        但苏联使用核武力的目标国家,已经不是已经千疮百孔的德国,而是美国。在二战同为同盟国在二战结束后的几年内,苏美两个国家,迅速成为意识对立的两个大国,且各自主导的军事集团对立了四十多年的时间。在这期间,苏/美追求快速、高效、长距离的核投放能力和自身空天防卫核打击能力,双方在航空燃气涡轮发动机下的“赌注”越来越大,而燃气涡轮发动机也因为两个大国的积极进攻的对外政策,发展到一个前所未有的高度。至此,在二十世纪五十年代,苏美在搭载燃气涡轮发动机的飞行器上,首次得到了以往螺旋桨时代无法实现的飞行—超声速飞行

在1952年6月25,试飞员塞多夫驾驶I-360在平飞中达到1192千米/时(马赫数为1.04),这是苏联飞机第一次在平飞中达到超声速。图为米高扬的l-360试验机

危险的超声速飞行

        随着二战的临近结束,活塞发动机的开发潜力已经在二战这个“黄金时代”中消失殆尽。但各国空军也意识到,不管是搭载同时期什么型号的活塞发动机飞机,随着飞行速度越来越接近声速,就会有一道几乎跨不过去的“坎”,对飞行中的螺旋桨飞机造成了极大的阻力。如果敢于突破这层看不见的“坎”,就会使螺旋桨飞机瞬间解体,犹如撞上了一堵“看不见的石头墙”

         当时人们并不理解这个现象是为何?也自然而然不会把莫名其妙的失事和声障连接起来(事实上,当时飞机本身并未撞上声障,而是螺旋桨的桨叶和机翼率先撞上了声障。如果当时如果螺旋桨飞行器想跨越声障,那么声障对于当时候的螺旋桨飞行器无疑是一个毁灭性的屏障,无法跨越。那么,什么是声障呢?

 米高扬的速度

         米格这个名字在二战初期后并未有什么过多的表现。在1942年组装完最后五十架米格-3,米高扬设计局便把工作重点转向了试验机 l-250。这是一架设计比较特别的试验机,由活塞的压缩作用,将一部分空气压缩进一个辅助进气道进行燃烧,产生额外动力。而这种独特的混合动力,可以使l-250达到相当高的速度

       1945年5月23日,试飞员达伊耶夫驾驶l-250,冲破了800千米/时的速度记录,为此米高扬特意奖励了一辆小汽车给达伊耶夫,只不过,这辆车的主人并没能在下一次试飞后继续驾驶它

在米高扬的设计局内,立着一块试飞员纪念碑。但也正是米高扬设计局及其试飞员相较于其它设计局率先开始搭载喷气发动机的飞机进行实验,米高扬设计局才在喷气式战机上积累了相当多的经验,为日后叱咤共产天空五十多年之久的米格时代奠定基础

       同时期和其它世界上先进国家的航空设计机构一样,米高扬设计局也对声障和空气的可压缩性不甚了解,实际上,l-250失事时正是撞上了声障。随着飞行速度越来越接近声速,空气的可压缩问题,突然成为一道几乎跨不过去的坎。由于这个现象发生在声速,所以人们称之为声障。在通常情况下,空气的压力波以声速传导,推开更远前方的空气。而达到声速后,空气的压力波不再悬挂于物体运动的前方,而是紧贴在运动物体表面的鼻子尖上形成一道强烈的锥形波,这就是激波。而声爆,便是人们能直观感受飞机为了克服激波带来的巨大阻力传递到空气的能量


飞行速度达到声速时,空气的压力波再也无法像在亚声速飞行时推开前方的空气,一层层的抛物线波纹叠在一起,空气密度急剧增加,形成激波,造成极大的阻力(百度百科上的描述可能更加易懂)

         不过声速是一道坎,跨过去了,超声速阻力反而下降,就拿马和羊举例。骑马的牧羊人,赶着一定速度的羊走在跟前,而这批羊的速度则是声速。当马以声速的速度去赶羊时,羊无法来得及散开,就像上图一样,层层叠加,形成一股阻力极大的屏障。可当马最终冲破羊群时,跑到羊群的前面,没有羊群的阻挡,阻力反而更小

         而超越声速所需的动力,正是苏美第二代涡喷发动机的主要发展方向。此时,时间从1945年到了1951年,米库林自主研发设计的AM-5,已经进入实践阶段。而它将搭载在米高扬设计局的l-360上,实现苏联航空史上飞机第一次在平飞中达到超声速


突破声障


AM-5

        AM-5涡喷发动机,于1953年通过国家试车,并在车尔尼雪夫机械制造厂批生产至1961年,型号定为AM-5A。起飞状态下推力为19.6千牛;压气机为8级轴流式;装备在雅克-25上,并飞出了当时量产机最快的飞行速度,为1045千米/时

雅克-25(目测携带的为K-5空空导弹)

        得益于AM-5是同时期世界上最轻的涡喷发动机(仅重445千克),直径小(67厘米),可将两台AM-5装进I-360,且小发动机自带优势在于转动惯量小,油门响应和加速快。在1952年的夏天,I-360完成了俯冲和平飞都达到超过了声速。而在1955年8月31日,定型后的I-360也改称为米格-19

AM—5发动机

        可AM-5的光芒并不长久。实际上,I-360采用AM-5也是在留里卡的AL-5发动机可靠性问题并未解决时而采用的后备方案。但其继任者,则具有划时代的意义。作为苏联第一种大批量生产,带超声速压气机级的涡喷发动机,其改型也在中国一直持续到80年代末都是主力发动机之一,是我国史上生产数量最多的涡喷发动机。它就是RD-9

RD-9

        1952年到1954年,米库林设计局利用AM-5单元体部件结构研制经验,设计研制了单轴加力式涡喷发动机AM-9。加力状态下推力为32.34千牛,寿命为100小时,但并没有进行批生产。但在1954年,I-360换装了AM-9后,试飞员赛多夫驾驶I-360飞出了1452千米/时(1.33马赫)的平飞速度。经过多次试飞后,在I-360的设计进一步的完善下,I-360于1955年8月31号定型,改名为米格-19。后续的米格19改型换装加大推力的图曼斯基RD-9B及其改型,如加力改型的RD-9BF/9V/9D/9F(9D加力推力为31.85千牛,配装雅克-140),非加力改型的RD-9A/9BK/BP等。

        图曼斯基原为米库林手下的大将,上面所提及的AM-5也是他主导设计。但在米库林失宠后,1955年图曼斯基接手了米库林发动机设计局,设计局也改名为了图曼斯基设计局(现为“联盟”航空发动机科技联合体),AM-9也改名为RD-9,并于1956年转移到了乌法发动机制造厂进行后续调试和改型工作,后研制RD-9B投入批生

涡喷6B为RD-9BF-11在中国生产的型号,由沈阳黎明机械厂从1958年开始生产,配装六爷。而经过陆孝彭设计师的大胆改造的歼六设计出的的强五,至今在役。发动机可通用(图片来自百度)

        作为第一种大批量生产的带超声速压气机级的苏联国产发动机,他采用牺牲耗油率,采用无进口导流叶片设计,追求高推重比的设计方式。与西方同时期的发动机相比,推力增大百分之二十以上,其在乌法研制RD-9B后生产将近三十年的时间(1956年~1986年)

         RD-9B的压气机为九级轴流式,第一级采用超声速设计;喷管为可调收敛式喷管;涡轮为两级轴流式;起飞推力为32.34千牛,推重比为4.7;主要配装在米格-19上。在这里,需要花些时间谈一下,米格-19后期试验机SM-12和航空发动机部分部件原理和结构

超声速进气道

         米格-19作为配装苏联军队的第一种超声速战斗机,其重要性无可厚非,但更高更快的米格-21很快就取代其进入生产线。但米格-19的后期实验性SM-12,在某些方面验证了将应用在米格21的新技术,比如采用调节锥产生斜激波改善超声速进气情况

        进气道的工作原理,既以最小的流动损失,将足够量的空气气流理顺,使气流均匀地到达发动机正面。进气流场要保证压气机和燃烧室正常工作,而由于压气机和燃烧室(即发动机工况)工作处于亚声速状态,进气道另外一个作用即在超声速飞行时使进气速度降低到亚声速,这是通过控制进气道里的激波实现的。而SM-12,利用可前后调节的锥体产生斜激波,来实现气流的减速扩压


当飞行速度为0.85马赫时,机翼已经出现超声速现象(机翼上方气流速度较机翼下方快)。超声速在经过激波的锋面之后,减速扩压,气流速度重新降低到亚声速(up比较懒,顺手拿机翼上的激波图做个原理演示(( ̄▽ ̄) )。而涡轮喷气发动机压气机进口流速的马赫数约为0.4

       

超声速气流先在收敛型通道内减速扩压,直到最小截面处,即进气道“喉部”。气流在“喉部”产生正激波,气流经过正激波后速度减少,压力增大,之后进入扩张通道,进一步减速扩压。激波系中的激波数目越多,则在同样的飞行马赫数下总压损失越小。图中则是这种三道斜激波加上一到正激波的激波系,且中间锥体可调节,改变“喉部”位置。由于发动机最优工况有一定范围,进气速度过低对发动机并不好。进气口可调,可以在进气道中调节激波位置,使发动机一直处于最优工况下(图中并非SM-12的锥体,只是课件演示用图)


SM-12的机头进气调节锥,与米格-21上的类似。相比较米格-19,SM-12除开进气口并无差别,但超声速性能有较大改善。实际上,在超音速飞行时,进气道的增压作用超过压气机,所以改善超音速进气道对于提高飞行性能有重大作用。至于为什么要把进气气流速度从声速降为压声速,因为常规的燃烧以低于声速的速度传播,超过声速便是我们时常说的爆炸了

        不过米格-19的主战场并不在苏联。事实上,米格-19只生产了两年,便让步生产线于米格-21,但米格-19在中国的舞台却一直持续到八十年代末。在1959年拿到米格-19的生产许可后,1964年便交付第一批米格-19s,并定名为歼六,并迅速成为当时共和国头上的主力机型。在改型歼6II上,也有类似于上文提到的SM-12的进气锥设计

         歼六在1965年便证明了它的价值。在3月18日,高长吉飞行员驾驶他的歼六,将国民党空军的RF-101侦察机击落,这也是世界上登记最早的在超声速状态下击落敌机的记录。只不过,歼六和米格-19一样,只能算是跨声速战斗机。而真正的超声速战斗机,在1953年就已经进入实验阶段了。只不过,苏联就是苏联,不同于美国的“世纪”战机系列,苏联径直向两倍音速的世界进发。而此时,苏霍伊设计局,这个在今天代表俄罗斯航空的新时代战斗机,也即将让欧美等国家认识它的名字

 

高空,高速

再次重逢的世界

        1942年7月8日,一架德国特种飞机在莫斯科市中心反复飞过,但保卫莫斯科的防空歼击兵第六军却束手无措,进行拦截共11批次的歼击机均无功而返。14年后,时间到了1956年7月5日,同样是莫斯科上空,第一防空集团军所属的歼击机,刚装备不久的S-25防空导弹,高炮都无法拦截美国的新式飞机。而1942年面对刚在东线登场的JU-86R特种高空侦察机,苏军本土防空主力的米格-3升限仅能达到9000米,但其拦截目标容克-86R得益于新型Jumo207B-3发动机,实用升限能达到14400米。在1956年,同样是服役不久的U-2,在首次入侵苏联的第二天,莫斯科上空的米格-17面对升限相差3000米以上差距的U-2同样束手无措。

U-2高空侦察机,图片来自百度百科

        但刚下线不久的米格-19同样无法有效达到20000米以上高空进行拦截,特别改进型的CB型升限也只在20000米左右。后来在苏联外交压力和得知新型S-75进入值班状态下,U-2的活动日渐减少。可苏联的情报机构明白,U-2的出现只不过是为美国空军战略司令部新开通的北极航线探路,苏联迫切需要一款专门的高空截击机而非米格-19这一类前线战斗机。在1943年,以对付JU-86R等德军高空机型为己任,伊尔设计出了I-221。而这次在空中与U-2较量,则是苏霍伊

        不过,专门为高空截击所设计的战斗机并未在1953年立项,但在以激进著称的苏联航空界,在试验中的苏霍伊新型前线战斗机有能力拦截美国正在进行的侦查袭扰。得益于新的大推力涡喷发动机AL-7即将下线,两万米/两马赫的世界在五六十年代迎来了另一位玩家

AL-7

       1953年,留里卡发动机设计局研制了新一代的单轴涡喷发动机,并登记在名为AL-7。第一台的AL-7寿命只有25小时,8级高压比轴流式压气机,压比为7。而后续版本压气机增加了超声速级,最终研制出了单轴带超声速级的9级压气机,压比到达10,。而在当时,世界上还并未出现类似的压气机。1955年8月,试飞型AL-7-1发动机通过了100h的国家实验

AL-7型发动机

        主要应用AL-7系列发动机的机型,大多使用其改型,后续改型某些级的叶片采用钛合金生产,AL-7F-1推重比达到4.58。其主要改型参数以及配套机型如下

AL-7F-1发动机外形图
AL-7F-2发动机外形图
图-128M重型远程截击机。该型号飞机比较特殊,是上世纪五六十年代苏联远程拦截航空系统的主要组成部分,也是目前世界上记载最大的战斗机。他与米格-25的设计思路有些类似,即放了导弹就跑

        AL-7F系列发动机的涡轮进口温度达到1200k左右,均带有第一级超声速压气机级设计,63-100千牛的推力也使其飞行速度能达到2500千米/时。得益于AL系列发动机,搭载其发动机的苏霍伊飞机一贯拥有其多面手性质。只不过,这是苏霍伊第一次在冷战中的舞台登场

重出江湖

        从今天来看,苏-7的技术指标依然不错,速度达到2170千米/时,实用升限达到19000米。尽管其加力油耗大,航程不足,可在苏霍伊设计局的历史上,它是当今苏霍伊战术飞机的基础

        斯大林的逝世让苏霍伊有机会从政治弃儿的地位摆脱出来(苏霍伊在二战中一直没有设计出一架大批量生产的飞机,再加上其战后产品与纳粹德国的末日产品十分相似),并且重组了自己的设计局。尽管苏-7与米格-21一样,是作为前线战斗机而设计的,但整个六十年代,苏-7和苏-9成为唯一有能力拦截美国U-2的飞机。在刚研制苏-7前身S-1的时候,苏霍伊面对的是一个全新的世界。他旗下并没有跨声速的产品,却在挑战两倍声速的领域,技术难度可想而知

但苏-7十分成功,这一点毋庸置疑。在苏联冷战早期的飞机上,一个飞机只有一个主人。米格的主人是空军,而苏霍伊的主人自然是国土防空军

       不过,苏霍伊不是一个轻言放弃的人。在克服进气锥与发动机的匹配、液压助力工作不可靠、尾翼、喘振等问题后,由S-1发展而来的苏-7在1956年7月的土希诺航空展上的出现引起了人们的极大关注。而在三个月前,S-1成为苏联第一架达到两倍声速的飞机

       尽管苏-7用途十分广泛,战斗轰炸机、截击机都是其身份,但正如前面所提到,其设计初即与米格-21一样,以前线战斗机为主要设计目标。苏联真正告别简单,轻巧的前线战斗机设计思想还需从米格-23上说起(以后会和第二代一样,重新再写一次第一代和第三代的)

1960年5月于斯维尔德洛夫上空爆发的拦截美国U-2的作战中,国土防空军萨伏洛诺夫驾驶的米格-19多次拦截无果,还因为动作过猛导致失速,机毁人亡,米格战斗机的缺陷完全暴露出来。随后苏联发现前线战斗机设计思想越来越不符合实际情况,促使米格设计局研制出设备完善但相对复杂的米格-23

       但米格-23的上一任前辈米格-21,至今仍是世界上一线服役产量最大,品种最多,生产延续时间最长的战斗机。在越南战场上,越南飞行员利用搭载米格-21高空高速的特点,高速俯冲,打了就跑,弄得美军十分苦恼。而作为第一代可以飞两倍声速的战斗机,米格-21同样离不开他的心脏-R11-300型发动机

R-11

      与上文提到的AM-9一样,R-11原名AM-11,在1953年由米库林设计师领头下研制,为苏联第一台带有超声速压气机级的双轴涡喷发动机,1958年通过国家试车台试验。最大推力为36.74千牛,加力状态推力为49.98千牛。后来AM-11发动机更名为R11-300

        R11-300后续工作及其改型在图曼斯基的领导下进行,其改型一共生产近20000台。压气机为六级轴流式,三级低速压气机全部采用超声速设计;涡轮为两级轴流式,第一级导流叶片为空心气冷式,效率0.89;燃烧室采用环管式设计,热效率0.97;喷管为全状态可调式 

图为环管式燃烧室,多用于轴流式压气机的发动机上。但环形燃烧室更加常见,热效率更高

      与AL-7一样,应用R11-300系列发动机的机型,大多使用其改型。主要改型参数以及配套机型如下


章末杂谈



闲谈

        由于文章是UP主找资料整理编写,某些错误和错别字是难免的(第一篇就有这种事了)。所以该版为试制版,以后有时间会加以修订和补充一些未提到的发展史。不过up主并没有多少时间会更新(一年一更差不多)。虽然手上有设计航发专业的书,但专业性十分高也并非一接触就能明白,更多的是参考大学里的教案与一些教学视频,结合一块理解,以后冷端部件和热端部件可能会和从属于冷端部件的进气道一样,分开来讲。

        当然,和以前一样,写作的专栏不打算投稿到其它地方,也没参加任何活动,依旧作为一个爱好而去写作。点个赞,有浏览量就好。如果大家发现专栏有误,麻烦在评论区下方回复,或者添加我的QQ:1632167045  提供意见,非常感谢!


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