航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管隱身修形設(shè)計(jì)技術(shù)分析

鄧洪偉，趙春生，賈東兵，唐正府

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

隱身技術(shù)能極大地提高軍用飛機(jī)的生存力和殺傷力,現(xiàn)已成為第5代戰(zhàn)斗機(jī)的重要特征之一，是當(dāng)代軍用飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì),并將對(duì)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的攻防形勢(shì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隱身能力的提高使得第5代戰(zhàn)斗機(jī)的綜合作戰(zhàn)性能較第4代戰(zhàn)機(jī)的有很大提升。隱身性能是飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)隱身一體化的綜合體現(xiàn)，隱身性能的提升是飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同開(kāi)展隱身設(shè)計(jì)的結(jié)果。噴管既是發(fā)動(dòng)機(jī)隱身設(shè)計(jì)的重要部件，也是飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化隱身設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件。噴管隱身修形設(shè)計(jì)能夠減小關(guān)鍵探測(cè)角度上的雷達(dá)散射截面（RCS），提高戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)隱身能力；噴管出口修形設(shè)計(jì)可以起到強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)噴流與冷卻氣流的摻混作用，有利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)噴流溫度，縮短核心流的長(zhǎng)度，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的紅外輻射。目前，噴管隱身修形設(shè)計(jì)技術(shù)被航空發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)上，如：B-2轟炸機(jī)、F-22A和F-35戰(zhàn)斗機(jī)、X-47B無(wú)人機(jī)等隱身飛機(jī)。因此，開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)噴管隱身修形設(shè)計(jì)技術(shù)分析具有重要意義。

本文主要對(duì)最為常用的鋸齒形修形設(shè)計(jì)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 噴管的作用和類型

在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)上，噴管的主要作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)排出的燃?xì)饫^續(xù)膨脹，將燃?xì)獾目捎霉D(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，燃?xì)庖愿咚俣葒姵?，使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反作用推力。此外，通過(guò)調(diào)整噴管喉道面積可以改變壓氣機(jī)和渦輪的共同工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)點(diǎn)的控制。因此，噴管的喉道面積可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)的1個(gè)調(diào)節(jié)量[1]。近些年來(lái)，隨著飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)隱身性能的提高，噴管還承擔(dān)著降低發(fā)動(dòng)機(jī)紅外輻射、減少發(fā)動(dòng)機(jī)雷達(dá)反射的任務(wù)。

按照對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)能力的不同，噴管可分為收斂噴管和收擴(kuò)噴管；按照噴管形狀不同，噴管可分為軸對(duì)稱噴管、二元噴管、S彎噴管、塞氏噴管和單邊膨脹噴管等；按照是否具有矢量推力能力，噴管可分為矢量噴管和常規(guī)噴管（非矢量）。此外，多種類型的噴管還可以組合取名，如軸對(duì)稱矢量噴管、二元矢量噴管、單邊膨脹二元矢量噴管等。

2 紅外及雷達(dá)隱身的基本原理

2.1 紅外輻射原理

發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外輻射包括波長(zhǎng)為3～5μm和8～14μm2部分。8～14μm的輻射所占比例較少，而3～5μm的輻射主要來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件及尾噴流，是紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的主要跟蹤目標(biāo)波段。因此，如何降低發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件及尾噴流的輻射強(qiáng)度是發(fā)動(dòng)機(jī)紅外隱身設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件具有連續(xù)的光譜輻射，而尾噴流的光譜輻射具有選擇性，即在燃?xì)廨椛涞哪骋徊ǘ斡幸欢ǖ妮椛淞?，在其他波段有很少或沒(méi)有輻射。

固體的輻射主要遵守普朗克定律，即

式中：λ為波長(zhǎng)；T為絕對(duì)溫度；c為光速；h為普朗克常數(shù)。

不同溫度下黑體光譜輻射出射度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 黑體光譜輻射出射度變化曲線

氣體輻射按氣體熱輻射傳輸方程計(jì)算，即

熱輻射傳輸方程物理意義如圖2所示。從圖2中可見(jiàn)，式（2）的物理意義是抵達(dá)C處的輻射強(qiáng)度，由2部分組成。公式右端第1項(xiàng)代表從A點(diǎn)發(fā)出的光譜輻射強(qiáng)度經(jīng)過(guò)AC長(zhǎng)度的衰減到達(dá)C處剩下的能量；公式右端第2項(xiàng)代表B處氣體的輻射加上整個(gè)空間入射引起B(yǎng)處在AC方向上的散射，經(jīng)過(guò)BC的距離到達(dá)C點(diǎn)處剩余的能量。在AC間增加無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)向C點(diǎn)的輻射進(jìn)行積分，就得到途中氣體吸收和向C點(diǎn)輻射的能量。2項(xiàng)之和為由A點(diǎn)經(jīng)過(guò)大氣的吸收、散射、輻射后到達(dá)C點(diǎn)的輻射強(qiáng)度。

圖2 熱輻射傳輸方程物理意義

鋸齒形裙邊隱身修形設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)外界氣流與發(fā)動(dòng)機(jī)噴流的摻混，降低噴流的核心溫度，即在一定程度上降低了噴流的紅外輻射強(qiáng)度。

2.2 雷達(dá)散射截面定義及影響因素

雷達(dá)散射截面（R C S）定義為

式中：R為目標(biāo)到雷達(dá)天線的距離；Si為目標(biāo)所在位置上天線輻射（入射到目標(biāo)）的功率密度，即空間單位面積上通過(guò)的輻射功率；Ss為天線所在位置上目標(biāo)散射的功率密度，即空間單位面積上通過(guò)的散射功率[3-4]。

發(fā)動(dòng)機(jī)雷達(dá)散射與噴管出口修形有很大關(guān)系，通過(guò)噴管出口的鋸齒修形設(shè)計(jì)能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)正后方的雷達(dá)波反射，減小其后向的雷達(dá)RCS數(shù)值。

3 噴管修形設(shè)計(jì)與隱身性的關(guān)系

采用噴管修形設(shè)計(jì)技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的隱身能力主要從紅外隱身和雷達(dá)隱身2方面實(shí)現(xiàn)。采用噴管修形設(shè)計(jì)技術(shù)使噴管出口邊界擴(kuò)大，從而增加了冷卻氣流與高溫燃?xì)獾膿交?，進(jìn)而降低噴流溫度[2]；還能夠減少噴流中壓縮膨脹波的規(guī)則聚集，從而減小噴流中馬赫盤的高溫區(qū)。均可降低噴流紅外輻射。噴管修形設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要作用是將雷達(dá)波反射到非關(guān)鍵角度，同時(shí)減少關(guān)鍵角度的雷達(dá)波的反射，從而減小航空發(fā)動(dòng)機(jī)后向雷達(dá)散射截面（RCS）。

根據(jù)飛機(jī)類型不同，噴管修形設(shè)計(jì)具有各自特點(diǎn)。

3.1 轟炸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管修形技術(shù)分析

轟炸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)多為中等涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，典型代表為B-2隱身轟炸機(jī)，如圖3所示。因其采用內(nèi)埋式的安裝方式，因此，噴管的修形設(shè)計(jì)通常體現(xiàn)在噴管與飛機(jī)的一體化修形設(shè)計(jì)上。B-2隱身轟炸機(jī)是美國(guó)諾斯羅普·格魯曼公司研制的按隱身要求設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略轟炸機(jī)，采用低RCS外形設(shè)計(jì)技術(shù)（如翼身融合技術(shù)和無(wú)立尾的飛翼布局），左、右翼后緣由4段呈梯形的直線構(gòu)成，每段直線均平行于同側(cè)或?qū)?cè)機(jī)翼前緣。此外，該機(jī)采用雷達(dá)吸波涂層材料技術(shù)，廣泛采用碳纖維復(fù)合材料和蜂窩狀結(jié)構(gòu)型吸波材料[5]。

圖3 B-2隱身轟炸機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)噴管隱身修形設(shè)計(jì)是B-2隱身轟炸機(jī)的一大特色，該飛機(jī)采用4臺(tái)F118-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)，其噴管采用彎曲的二元噴管，能夠遮擋內(nèi)部高溫部件的紅外輻射；發(fā)動(dòng)機(jī)噴管與飛機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，并在噴管出口處采用噴管修形設(shè)計(jì)，使冷氣與燃?xì)饧涌旎旌?，降低燃?xì)鉁囟?；噴管上邊緣與飛機(jī)后機(jī)身組成單邊膨脹的結(jié)構(gòu)，使燃?xì)饨?jīng)過(guò)機(jī)身時(shí)進(jìn)一步降溫，大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外輻射[6-8]。噴管隱身修形的角度經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，基本與飛機(jī)機(jī)翼夾角相同，保持噴管出口邊緣平行于飛機(jī)機(jī)翼的2個(gè)邊緣（如圖4所示），在前、方后方的雷達(dá)照射時(shí)，保證該飛機(jī)的雷達(dá)波瓣高峰值較小。由于噴管隱身修形設(shè)計(jì)與飛機(jī)保持高度一致，該飛機(jī)只具有較小的4波瓣雷達(dá)反射峰值。B-2隱身轟炸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管修形設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)隱身設(shè)計(jì)的1個(gè)成功典范，其思想影響了后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的隱身修形設(shè)計(jì)。

圖4 隱身轟炸機(jī)噴管出口與機(jī)翼邊緣平行

3.2 戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管修形技術(shù)分析

與轟炸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)不同，戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一般為小涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，很少采用內(nèi)埋式安裝方式，一般具有加力燃燒室，能夠超聲速巡航。目前，戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)發(fā)展到第5代，而隱身特性是第5代戰(zhàn)斗機(jī)的標(biāo)志之一。本文以美國(guó)F-22A戰(zhàn)斗機(jī)和F-35戰(zhàn)斗機(jī)為例，對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的隱身修形設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析。F-22A戰(zhàn)斗機(jī)貫徹了“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵射擊、先敵擊毀”提高生存力的設(shè)計(jì)思想，具有可探測(cè)性低的外形結(jié)構(gòu)，不開(kāi)加力可以在Ma=1.4～1.5下進(jìn)行超聲速巡航和機(jī)動(dòng)飛行，在隱身性和敏捷性之間進(jìn)行權(quán)衡，如圖5所示。該飛機(jī)采用2臺(tái)F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖6所示。

圖5 F-22A戰(zhàn)斗機(jī)

圖6 F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)

F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)P W公司研制[9]，采用大量紅外及雷達(dá)隱身技術(shù)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的隱身重點(diǎn)之一是其噴管，采用小寬高比的二元噴管，為了與飛機(jī)保持一致的隱身性，噴管采用相應(yīng)的邊緣導(dǎo)向設(shè)計(jì)。噴管的修形設(shè)計(jì)也考慮了紅外隱身的要求。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)噴流馬赫盤數(shù)目明顯減少且相對(duì)不夠清晰，同時(shí)噴流的核心流溫度區(qū)域明顯減小。軸對(duì)稱噴管與二元噴管噴流中馬赫盤的分布對(duì)比如圖7、8所示。

圖7 二元噴管對(duì)稱截面噴流溫度場(chǎng)分布

圖8 軸對(duì)稱噴管對(duì)稱截面溫度分布

F-35戰(zhàn)斗機(jī)是美國(guó)及其盟國(guó)正在研制的低成本、多用途戰(zhàn)術(shù)攻擊機(jī)，包括F-35A、F-35B和F-35C 3種類型，如圖9所示。F-35A戰(zhàn)斗機(jī)配裝的F135-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的鋸齒形裙邊噴管如圖10所示。本文對(duì)該型噴管進(jìn)行了流場(chǎng)的數(shù)值仿真計(jì)算。

圖9 F-35系列戰(zhàn)斗機(jī)

圖10 F135發(fā)動(dòng)機(jī)鋸齒形裙邊噴管

經(jīng)過(guò)計(jì)算比較后發(fā)現(xiàn)，有鋸齒形裙邊的噴管計(jì)算模型在噴管出口環(huán)形邊緣100mm內(nèi)噴管出口附近噴流的溫度普遍降低，如圖11、12所示。2圖分別取同位置、等距離的3個(gè)截面，提取中間截面上的溫度分布數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在射流核心區(qū)域，有/無(wú)鋸齒形裙邊噴管溫度場(chǎng)的計(jì)算溫度基本相同，但當(dāng)接近鋸齒形裙邊所在的徑向位置時(shí)，有鋸齒形裙邊噴管溫度場(chǎng)的計(jì)算溫度有所降低，平均約降低28K，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知紅外輻射強(qiáng)度降低最大的角度為30°左右，降低幅度接近10%。

圖11 有鋸齒形裙邊的噴管出口附近溫度場(chǎng)

圖12 無(wú)鋸齒形裙邊的噴管出口附近溫度場(chǎng)

3.3 無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管修形技術(shù)分析

隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，將在未來(lái)的信息戰(zhàn)、精確打擊戰(zhàn)、無(wú)人作戰(zhàn)和“海陸空天電”的5維一體化戰(zhàn)場(chǎng)中大顯身手，并將引發(fā)軍隊(duì)的作戰(zhàn)思想、作戰(zhàn)模式和組織編制等一系列變革。

紅外及雷達(dá)隱身能力是無(wú)人機(jī)最為重視的性能之一。其中無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的一體化隱身修形設(shè)計(jì)技術(shù)被廣泛采用，X-47B無(wú)人機(jī)噴管隱身修形設(shè)計(jì)如圖13所示。針對(duì)該飛機(jī)模型進(jìn)行的初步雷達(dá)RCS數(shù)值計(jì)算如圖14所示。從圖14中可見(jiàn)，該飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口修形設(shè)計(jì)借鑒了B-2隱身轟炸機(jī)的出口修形設(shè)計(jì)技術(shù)，具有較好的紅外及雷達(dá)隱身效果，且該發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的設(shè)計(jì)使氣后向雷達(dá)RCS數(shù)值較小。

圖1 X-47B無(wú)人機(jī)噴管隱身修形設(shè)計(jì)

圖1 4X-47B無(wú)人機(jī)在某頻率下的雷達(dá)RCS分布特性

4 結(jié)束語(yǔ)

初步論述了國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管隱身修形設(shè)計(jì)技術(shù)在轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)和無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用，闡述了噴管隱身修形設(shè)計(jì)技術(shù)的基本原理及其在實(shí)現(xiàn)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化紅外隱身和雷達(dá)隱身性能上的重要性。

（1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管隱身修形需要根據(jù)飛機(jī)類型、作戰(zhàn)目的等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)；

（2）無(wú)人機(jī)及轟炸機(jī)多數(shù)采用飛/發(fā)/噴管的一體化修形設(shè)計(jì)技術(shù)；

（3）戰(zhàn)斗機(jī)噴管修形設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)噴管類型進(jìn)行選擇，一般二元噴管選用偏大的鋸齒形結(jié)構(gòu)，軸對(duì)稱噴管選用偏小的鋸齒形裙邊結(jié)構(gòu)。

噴管修形設(shè)計(jì)技術(shù)將發(fā)展成為聯(lián)系飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)一體化隱身設(shè)計(jì)技術(shù)的紐帶[10]，將會(huì)發(fā)展出更多種類，以實(shí)現(xiàn)更好的隱身效果。

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