世界航空強國不少,但流體力學太難,DSI進氣道只有中美2國可造

2020-12-16 騰訊網

任何一種發動機在工作的時候,有一個最基本的要求,就是進入發動機的空氣必須是均勻和穩定的。

航空發動機在這方面也不例外。

●空氣是可壓縮流體,運動方式分成兩大類,一類叫做層流,一類叫做紊流。

層流是一種在整個流體斷面上均勻穩定的流體,流體運動質點瞬時速度方向的連線(流線)光滑且連續。

紊流在整個流體斷面上不穩定不均勻,質點的運動軌跡無規律,流線會纏繞成卷。

》空氣進入發動機進氣口之前,需要層流狀態。

這樣進入發動機的空氣才是連續可調的。

如果進入航空發動機進氣口前的氣流是紊流,那麼進入的空氣流量就一會兒大、一會兒小。發動機就會像人得了哮喘一樣不停的喘,會發生震動。

●運輸機、客機,發動機採取吊倉方式布置,遠離紊流擾動區。

少數幾種對地攻擊機,比如A10「尤豬」,發動機也採取吊倉方式布置。

絕大部分的作戰飛機,發動機採用緊湊布置方式,和機身是連在一起的。

●上單翼布局的米格31、f15等,進氣道的位置都在機身兩側。

空氣進入發動機進氣口之前,會先流過機身前半部。

流體是有粘性的,空氣也不例外。碰到機身外表蒙皮的時候,就會由層流狀態轉換成紊流狀態。

》進氣口離開機身表面蒙皮一定的距離,把紊流狀態的附面層流體隔開。

這個裝置叫做「附面層流體隔離結構」,非常簡單,也非常實用。

只要不是機頭進氣的高空高速戰鬥機,F22、F15、su27、殲10早期型號等等,全部都會採用「附面層流體隔離結構」。

●颱風戰鬥機EF-2000發動機進氣口的附面層流體隔離結構。

這個裝置有一個問題,就是會產生額外的結構重量。

》飛機對於重量的控制非常嚴格。

在飛機製造之前就會有一個設計重量,造出來以後往往會超重,然後採取各種措施減重。

隱身戰鬥機,所有的武器全部都要收納進機身的內部,武器艙的艙門啟閉機構都是額外的重量。

●F35戰鬥機艙門上的各種動作機構,非隱身戰鬥機上都沒有。

隱身飛機既要滿足低電磁波反射率的要求,又要滿足武器內置的要求,還要滿足空氣動力學的要求,結構必須反覆優化,機體重量控制更加嚴格。

●F35戰鬥機要垂直起降,為此需要在飛機的中部增加一個升力風扇,以及其他部位額外的吹氣口。

這個些裝置只在起降的時候用到一小會,大部分情況下都是一團死重。

所以,f35對於重量控制的要求,是嚴格之上再加嚴格。為了減輕結構重量,就把進氣口附面層隔離裝置替換成了DSI裝置。

DSI進氣道的正式名稱是無附面隔層進氣道,比有附面隔層的進氣道重量減輕了。

●F35戰鬥機是世界上第1個採用DSI進氣道的飛機。

》DSI進氣道的流場計算非常困難。

所以很晚才出現,連f22上面都沒有用到。

DSI裝置出來以後,中國的專家看了一眼,立刻就復刻出來了。

中國人的計算流體力學功夫是非常非常厲害的。已故著名科學家錢學森、美籍華人科學家林家翹,都是這方面的大拿。

像銀河系這樣的星系,為什麼會有懸臂這樣的結構?如果這個結構是固定,隨著星系的旋轉會越纏越緊。

後來才搞明白,這是由於星際物質密度變化、恆星密度變化,形成的疏密相間的不固定結構,被稱為「密度波」。這個計算需要用到流體力學,是由林家翹完成的。

●太陽系在銀河系的獵戶座懸臂內側。

只要時間足夠長,太陽系會運動到獵戶座旋臂、人馬座旋臂之間。

恆星的演化,星系的演化,很多都需要流體力學計算。

設計DSI進氣道,既要有數學模型,還要依靠海量的數值運算。

流體力學的複雜性,決定了每一個單獨的結構都要獨立建立數學模型。這些數學模型往往要從「最小作用量原理」這樣的第一原理開始推導。

現在健在的國內流體力學專家有高歌教授。

國內攻克DSI進氣道的理論計算團隊,應該是世界上最優秀的。

》DSI進氣道是美國第1個發明,遍地開花卻是在中國。

已經服役的殲20,正在研製中的殲30,都使用了dsI進氣道。

●最新殲10從有附面隔層的進氣道,改成DSI。

這說明DSI在國內已經進入了自由設計狀態。

流體力學是物理學裡最難的領域。

錢學森的老師馮卡門說:我死了以後去見上帝,要問上帝兩個問題:第1個問題是,紊流到底是怎麼回事。第2個問題是,粒子為什麼有波動性。第1個問題估計上帝也回答不出來。

所以,能設計DSI進氣道的全球只有中國和美國,連俄羅斯都不行。

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