'五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?'

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

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目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

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附面層

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附面層

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機翼附面層分離產生的湍流

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附面層

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機翼附面層分離產生的湍流

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附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

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附面層

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隔板進氣道

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五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

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附面層

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F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

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DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

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附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

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機翼附面層分離產生的湍流

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附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

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五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

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五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

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目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

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五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

機翼附面層分離產生的湍流

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道

不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],與F-4D上的矩形進氣道相當了;同樣使用斜切矩形進氣道的F-14在2.0馬赫也要比DSI進氣道好得多。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的總壓恢復係數才可保證達到0.9以上,與二元進氣道差別不大。

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

機翼附面層分離產生的湍流

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道

不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],與F-4D上的矩形進氣道相當了;同樣使用斜切矩形進氣道的F-14在2.0馬赫也要比DSI進氣道好得多。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的總壓恢復係數才可保證達到0.9以上,與二元進氣道差別不大。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

斜切矩形進氣道形狀[3]

目前除殲20外,其他的幾款DSI進氣道的飛機:F-35,梟龍,殲10B/C,FC-31,最大速度均在1.8馬赫以下。而殲20的出現,意味著DSI進氣道技術得到了進一步發展,因為殲20可以做到帶彈以2.5馬赫戰鬥巡航,這樣的速度意味著殲20的DSI進氣道克服了2.0馬赫以上時總壓恢復係數過低的問題,或者至少有所改善。至於是用的何等技術,筆者無從得知,只能待進一步解密了。但是可以肯定的是網上有種殲20用了Bump形狀可變的技術,這肯定是天方夜譚了。因為這個鼓包的曲面面積是一定的,在不改變總面積的情況下,鼓包要進行連續平滑的變化,變形後還要依然能夠做到進氣適配,而且這個蒙皮的材料還要能滿足高馬赫數下的氣流壓力,顯然不是這個時代能做到的事情。

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

機翼附面層分離產生的湍流

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道

不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],與F-4D上的矩形進氣道相當了;同樣使用斜切矩形進氣道的F-14在2.0馬赫也要比DSI進氣道好得多。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的總壓恢復係數才可保證達到0.9以上,與二元進氣道差別不大。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

斜切矩形進氣道形狀[3]

目前除殲20外,其他的幾款DSI進氣道的飛機:F-35,梟龍,殲10B/C,FC-31,最大速度均在1.8馬赫以下。而殲20的出現,意味著DSI進氣道技術得到了進一步發展,因為殲20可以做到帶彈以2.5馬赫戰鬥巡航,這樣的速度意味著殲20的DSI進氣道克服了2.0馬赫以上時總壓恢復係數過低的問題,或者至少有所改善。至於是用的何等技術,筆者無從得知,只能待進一步解密了。但是可以肯定的是網上有種殲20用了Bump形狀可變的技術,這肯定是天方夜譚了。因為這個鼓包的曲面面積是一定的,在不改變總面積的情況下,鼓包要進行連續平滑的變化,變形後還要依然能夠做到進氣適配,而且這個蒙皮的材料還要能滿足高馬赫數下的氣流壓力,顯然不是這個時代能做到的事情。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-35的DSI

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

機翼附面層分離產生的湍流

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道

不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],與F-4D上的矩形進氣道相當了;同樣使用斜切矩形進氣道的F-14在2.0馬赫也要比DSI進氣道好得多。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的總壓恢復係數才可保證達到0.9以上,與二元進氣道差別不大。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

斜切矩形進氣道形狀[3]

目前除殲20外,其他的幾款DSI進氣道的飛機:F-35,梟龍,殲10B/C,FC-31,最大速度均在1.8馬赫以下。而殲20的出現,意味著DSI進氣道技術得到了進一步發展,因為殲20可以做到帶彈以2.5馬赫戰鬥巡航,這樣的速度意味著殲20的DSI進氣道克服了2.0馬赫以上時總壓恢復係數過低的問題,或者至少有所改善。至於是用的何等技術,筆者無從得知,只能待進一步解密了。但是可以肯定的是網上有種殲20用了Bump形狀可變的技術,這肯定是天方夜譚了。因為這個鼓包的曲面面積是一定的,在不改變總面積的情況下,鼓包要進行連續平滑的變化,變形後還要依然能夠做到進氣適配,而且這個蒙皮的材料還要能滿足高馬赫數下的氣流壓力,顯然不是這個時代能做到的事情。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-35的DSI

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

梟龍戰鬥機的DSI

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

機翼附面層分離產生的湍流

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道

不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],與F-4D上的矩形進氣道相當了;同樣使用斜切矩形進氣道的F-14在2.0馬赫也要比DSI進氣道好得多。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的總壓恢復係數才可保證達到0.9以上,與二元進氣道差別不大。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

斜切矩形進氣道形狀[3]

目前除殲20外,其他的幾款DSI進氣道的飛機:F-35,梟龍,殲10B/C,FC-31,最大速度均在1.8馬赫以下。而殲20的出現,意味著DSI進氣道技術得到了進一步發展,因為殲20可以做到帶彈以2.5馬赫戰鬥巡航,這樣的速度意味著殲20的DSI進氣道克服了2.0馬赫以上時總壓恢復係數過低的問題,或者至少有所改善。至於是用的何等技術,筆者無從得知,只能待進一步解密了。但是可以肯定的是網上有種殲20用了Bump形狀可變的技術,這肯定是天方夜譚了。因為這個鼓包的曲面面積是一定的,在不改變總面積的情況下,鼓包要進行連續平滑的變化,變形後還要依然能夠做到進氣適配,而且這個蒙皮的材料還要能滿足高馬赫數下的氣流壓力,顯然不是這個時代能做到的事情。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-35的DSI

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

梟龍戰鬥機的DSI

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

殲10B/C的DSI

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

機翼附面層分離產生的湍流

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道

不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],與F-4D上的矩形進氣道相當了;同樣使用斜切矩形進氣道的F-14在2.0馬赫也要比DSI進氣道好得多。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的總壓恢復係數才可保證達到0.9以上,與二元進氣道差別不大。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

斜切矩形進氣道形狀[3]

目前除殲20外,其他的幾款DSI進氣道的飛機:F-35,梟龍,殲10B/C,FC-31,最大速度均在1.8馬赫以下。而殲20的出現,意味著DSI進氣道技術得到了進一步發展,因為殲20可以做到帶彈以2.5馬赫戰鬥巡航,這樣的速度意味著殲20的DSI進氣道克服了2.0馬赫以上時總壓恢復係數過低的問題,或者至少有所改善。至於是用的何等技術,筆者無從得知,只能待進一步解密了。但是可以肯定的是網上有種殲20用了Bump形狀可變的技術,這肯定是天方夜譚了。因為這個鼓包的曲面面積是一定的,在不改變總面積的情況下,鼓包要進行連續平滑的變化,變形後還要依然能夠做到進氣適配,而且這個蒙皮的材料還要能滿足高馬赫數下的氣流壓力,顯然不是這個時代能做到的事情。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-35的DSI

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

梟龍戰鬥機的DSI

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

殲10B/C的DSI

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

FC-31的DSI

如果說DSI進氣道作為戰鬥機的進氣道還能勉強堪當大任的話,那麼3倍馬赫以上的衝壓發動機的導彈,5倍馬赫以上的超燃衝壓發動機的高超音速武器,DSI已經無法適配。此時必須採用多個折角的幾何結構,通過產生多個激波並在進氣口反射形成更多激波,對來流進行減速壓縮。所以還是經典的軸對稱激波錐進氣道,或者是設置了二級甚至三級斜板的斜切矩形的進氣道[4]更加適合了。

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

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目前中美是唯二使用DSI進氣道的國家

附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

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機翼附面層分離產生的湍流

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道

不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],與F-4D上的矩形進氣道相當了;同樣使用斜切矩形進氣道的F-14在2.0馬赫也要比DSI進氣道好得多。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的總壓恢復係數才可保證達到0.9以上,與二元進氣道差別不大。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

斜切矩形進氣道形狀[3]

目前除殲20外,其他的幾款DSI進氣道的飛機:F-35,梟龍,殲10B/C,FC-31,最大速度均在1.8馬赫以下。而殲20的出現,意味著DSI進氣道技術得到了進一步發展,因為殲20可以做到帶彈以2.5馬赫戰鬥巡航,這樣的速度意味著殲20的DSI進氣道克服了2.0馬赫以上時總壓恢復係數過低的問題,或者至少有所改善。至於是用的何等技術,筆者無從得知,只能待進一步解密了。但是可以肯定的是網上有種殲20用了Bump形狀可變的技術,這肯定是天方夜譚了。因為這個鼓包的曲面面積是一定的,在不改變總面積的情況下,鼓包要進行連續平滑的變化,變形後還要依然能夠做到進氣適配,而且這個蒙皮的材料還要能滿足高馬赫數下的氣流壓力,顯然不是這個時代能做到的事情。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-35的DSI

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梟龍戰鬥機的DSI

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殲10B/C的DSI

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FC-31的DSI

如果說DSI進氣道作為戰鬥機的進氣道還能勉強堪當大任的話,那麼3倍馬赫以上的衝壓發動機的導彈,5倍馬赫以上的超燃衝壓發動機的高超音速武器,DSI已經無法適配。此時必須採用多個折角的幾何結構,通過產生多個激波並在進氣口反射形成更多激波,對來流進行減速壓縮。所以還是經典的軸對稱激波錐進氣道,或者是設置了二級甚至三級斜板的斜切矩形的進氣道[4]更加適合了。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

二代機上常見的激波錐進氣道,總壓恢復係數最高,但大迎角下進氣效率差

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為了說清楚DSI的優缺點,需要連帶將隔板進氣道原理也進行簡略介紹,請讀者耐心看完。

DSI進氣道是一種沒有隔板的超音速進氣道,全稱Diverterless supersonic inlet,即無附面層隔板超音速進氣道。其實這個詞表達的意思不太完善,因為DSI進氣道既是Diverterless的,也是Bleedless的,也就是說即無隔板,也無斜板,所以叫DBSI更加精確一些。這種進氣道需要非凡的空氣動力學基礎研究能力,用超級計算機模擬和實際風洞測試,設計十分複雜;但優點就是無可活動件,結構簡單,重量輕,而且對渦扇發動機的扇葉有一定遮擋能力,隱身效果較好。

這種進氣道也叫Bump,是在進氣口前面有一個鼓包形狀的凸起,類似蚌殼,在我國也被稱為蚌式進氣道。它是通過一個經過精確計算和模擬的固定形狀的鼓包,代替之前的進氣道內的可調隔板。它主要實現了兩個功能,第一個是這種形狀可以作為一個壓縮面,對空氣進行減速、壓縮後提供給進氣道;第二個是將有害的附面層用鼓包“吹走”,防止其吸入發動機造成進氣失配。

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附面層

這裡面多說一下附面層。附面層也叫邊界層,這種層流的成因,是高雷諾數下,流體靠近固體表面時,由於流體本身的粘度而貼在表面進行流動而形成一個邊界層。邊界層法向方向上速度衰減非常快,貼近表面的層流速度為0,而在遠離邊界的垂直方向上速度的變化非常大。附面層有兩個危害,一個是它貼近機身表面那一層速度太慢了,和發動機進氣速度根本不匹配;第二個是附面層極易發生氣流分離,產生湍流;湍流則會將本來要進入發動機的空氣帶走,造成進氣量不足,發動機將發生推力下降,喘震甚至空中停車。這是災難性的。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

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五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

附面層表面的速度梯度非常大

隔板進氣道

所以附面層這個東西,不管是DSI進氣道、F-22的加萊特進氣道還是之前的三代機普遍使用的矩形、斜切矩形的隔板進氣道,都是必須要避免吸入的。隔板(Diverter)進氣道的思路是,利用隔板也可以將附面層產生的湍流隔開,但是前提是進氣道必須與進氣道有一段距離。所以這種進氣道必須與機身有一定距離,也就是我們看到的縫隙。這種隔板進氣道通常還有一個可調斜板(Bleed),通過斜板前方產生的一道斜激波面,對超音速來流進行減速、壓縮。通過斜板的角度調整,用來調整不同馬赫數下的進氣量和進氣匹配。有些進氣道附面層隔板和調整進氣的斜板是分開的,比如F-15,它的斜板在上表面,而隔板是進氣道的立面;有些隔板和斜板是二合一的,比如F-4“鬼怪”戰鬥機。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-15採用斜切矩形的可調隔板進氣道,進氣道與機身有一定縫隙,以避開附面層

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

還是F-15。可以看到,左右兩個進氣道是不對稱的,這是因為兩個斜板的偏轉角度不同

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F-4戰機進氣道外側的可調隔板,同時起到進氣斜板的作用。

DSI的原理

費了好大勁,把隔板進氣道的原理終於說完了,我們再來看看DSI進氣道的原理吧。從下面這張計算機。模擬圖上可以看到,DSI不需要任何可以活動的斜板部件,也不需要給進氣道用隔板將附面層隔開。只是利用這個凸起的鼓包,將附面層大部分直接吹出進氣道,讓附面層沿著機身上下表面流走。這種進氣設計顯然結構更加簡單,而且不包含可動部件和相關控制軟件。而且由於進氣道與機身沒有縫隙,也減少了一定的誘導阻力。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

DSI進氣道,紅色線條表徵附面層的流動,可見DSI進氣道的鼓包可以將大部分附面層吹出進氣道

不過DSI的優點也是它的缺點,那就是:不可調。要知道戰機的飛行速度可是一個相當寬的速度範圍,亞音速,1馬赫,1.5馬赫,2馬赫。。。而飛行器設計一個固有的難題就是,沒有一種固定的進氣道能夠適配所有進氣情況。比如在亞音速狀態下總壓恢復係數達到0.94-0.98的進氣道,到了超音速總壓恢復係數掉到0.9以下是完全可能的。這也是為啥各國的航空設計師要搞出可調矩形進氣道出來。用可調的斜板來進行調整,使戰機在不同速度下總壓恢復係數都能有比較好的表現;比如F-15的二元四波系的斜切矩形進氣道,在2.0馬赫時總壓恢復係數還能達到0.92左右[1],而DSI進氣道此時只有0.87[2],與F-4D上的矩形進氣道相當了;同樣使用斜切矩形進氣道的F-14在2.0馬赫也要比DSI進氣道好得多。只有速度小於1.8馬赫時,DSI的總壓恢復係數才可保證達到0.9以上,與二元進氣道差別不大。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

斜切矩形進氣道形狀[3]

目前除殲20外,其他的幾款DSI進氣道的飛機:F-35,梟龍,殲10B/C,FC-31,最大速度均在1.8馬赫以下。而殲20的出現,意味著DSI進氣道技術得到了進一步發展,因為殲20可以做到帶彈以2.5馬赫戰鬥巡航,這樣的速度意味著殲20的DSI進氣道克服了2.0馬赫以上時總壓恢復係數過低的問題,或者至少有所改善。至於是用的何等技術,筆者無從得知,只能待進一步解密了。但是可以肯定的是網上有種殲20用了Bump形狀可變的技術,這肯定是天方夜譚了。因為這個鼓包的曲面面積是一定的,在不改變總面積的情況下,鼓包要進行連續平滑的變化,變形後還要依然能夠做到進氣適配,而且這個蒙皮的材料還要能滿足高馬赫數下的氣流壓力,顯然不是這個時代能做到的事情。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

F-35的DSI

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五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

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五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

FC-31的DSI

如果說DSI進氣道作為戰鬥機的進氣道還能勉強堪當大任的話,那麼3倍馬赫以上的衝壓發動機的導彈,5倍馬赫以上的超燃衝壓發動機的高超音速武器,DSI已經無法適配。此時必須採用多個折角的幾何結構,通過產生多個激波並在進氣口反射形成更多激波,對來流進行減速壓縮。所以還是經典的軸對稱激波錐進氣道,或者是設置了二級甚至三級斜板的斜切矩形的進氣道[4]更加適合了。

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

二代機上常見的激波錐進氣道,總壓恢復係數最高,但大迎角下進氣效率差

五代機喜歡用的DSI進氣道,有什麼優點和缺點?

好了,以上就是DSI進氣道的優缺點和特點的簡單介紹。寫文不易,如果觀眾老爺認可請給個讚賞喲!歡迎轉發!

參考文獻:

[1]鍾易成等,凸包(Bump)進氣道/DSI模型設計及氣動特性研究,航空動力學報,2005-10,第20卷第5期,Page740-745.

[2]Aircraft Engine Design,Volume1

[3]John W. Slater*,SUPIN: A Computational Tool for Supersonic Inlet Design,AIAA SciTech 2016; January 04, 2016 - January 08, 2016; San Diego, CA; United States.

[4]徐珊珊,寬馬赫數變幾何進氣道性能快速計算方法,MORDERN DEFENSE TECHNOLOGY,2017-04,Vol.45 No.2,Page74-79.

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