為什麼螺旋槳飛機無法超音速飛行噴氣發動機葉片卻能超音速旋轉？

2020-08-28 魑魅涅磐

可能很多人都知道雖然早在1903年萊特兄弟就造出了飛機，實現了人類飛行的夢想。並且在此後經歷了螺旋槳、噴氣式兩個重要的時代，特別是螺旋槳時代更是統治了整個一二次世界大戰。但是大家也都知道螺旋槳飛機是無法實現超音速飛行能力的，原因就在於隨著飛行速度的增加，螺旋槳槳葉葉尖位置的氣流速度增快後，會逐漸從葉尖位置產生失速，並逐漸擴展到葉根位置導致整架飛機失速。但是同樣有葉片旋轉推動高速氣流的渦扇發動機內部的壓氣機，每分鐘轉速十幾萬轉，但是卻能超音速旋轉而不失速。

首先從螺旋槳飛機葉尖失速說起，螺旋槳飛機是通過槳葉轉動划過氣流，繼而對空氣形成一個預壓縮的過程來實現氣流加速的，並最終通過多個槳葉的配合產生更大的拉力或者推力帶動飛機上天飛行的。對於螺旋槳飛機而言，飛行速度的高低主要取決於槳葉的旋轉速度和槳距的大小這兩個關鍵參數，槳距更大一些槳葉效率更高，但是伴隨著槳葉划過氣流預壓縮的效率的反比降低，所以槳葉的槳距一般都會根據槳葉數量的多少控制在一個合理的範圍內，就算是某些可以調節槳距大小的飛機，通過調節槳距也只是在高速飛行和、巡航速度、經濟性之間做一個平衡。

那麼在槳距一定範圍下，想要繼續提升螺旋槳飛機的最大飛行速度就只能提升槳葉的旋轉速度了，但是這個時候又遇到另外一個問題，就是隨著槳葉旋轉速度的提升，槳葉對空氣預壓縮的效率會反比降低，繼而造成槳葉線速度最快的槳尖位置空氣預壓縮效率不足以完成空氣預壓縮過程，那麼這個時候槳葉槳尖位置反而會產生更大的空氣阻力，繼而逐漸從槳尖位置轉向槳葉根部位置，造成整個螺旋槳對空氣的預壓縮效率為零的同時，高速旋轉的槳葉隨著飛行速度的提升下，槳葉自身也會對空氣有一個衡量的預壓縮過程，那麼這個時候就算槳葉不旋轉也會成為一個巨大的空氣屏障，拉低飛機的飛行速度，繼而造成飛機失速墜毀。同時隨著飛行速度的提升，槳葉產生的巨大橫截面積不光會產生更大的飛行阻力，而且隨著飛行速度的提升之後，槳葉自身產生的飛行阻力在提升的同時，更大的飛行阻力也會對槳葉自身的結構造成更大的衝擊，特別是更接近音速的時候，巨大的空氣阻力會直接摧毀槳葉結構，再加上螺旋槳飛機的發動機動力輸出往往不太夠，所以這也就是螺旋槳飛機為什麼最大飛行速度難以超過音速的原因所在。

但是噴氣發動機內部的渦輪葉片旋轉速度那麼高卻不會失速呢？而且噴氣式發動機在超音速飛行狀態下進入發動機內的空氣可都是速度達到超音速的氣流。其實對於直接進入發動機的超音速氣流，如果發動機內部取消渦輪風扇，直接讓超音速氣流和燃料混合再以更高的速度噴出的話，這就是衝壓發動機結構了。

F22超音速戰機

衝壓發動機結構

但是對於依然擁有包括高低壓壓氣機、高低壓渦輪結構的噴氣式渦噴或者渦扇發動機而言，發動機內部的壓氣機同樣存在一個速度過高后，壓氣機上的渦輪葉片喘震和失速的問題。首先為了避免進入發動機內部的氣流遇到渦輪葉片後產生喘振和爆震的問題，就要想辦法讓進入發動機工作的超音速氣流「提前減速」。而這就涉及到發動機進氣道結構設計上了，簡單來說就是通過進氣道口的結構設計，讓進入發動機內工作的的超音速氣流減速到亞音速狀態，這樣進入發動機內部的空氣減速後不會對渦輪葉片產生衝擊形成喘震的同時，負責將超音速氣流減速的氣錐結構也能適當的調節進去發動機的空氣流量，繼而保證發動機燃燒效率的同時，不會因為氣流過大或過小導致富油燃燒冒黑煙和爆震的問題。

渦扇發動機結構圖

蘇聯第一代噴氣式戰機

而這個負責將超音速氣流減速到亞音速氣流的氣錐，就是我們之前在很多戰機上見到的外壓式進氣錐。比如我國的殲7、法國的幻影2000、美國的SR71這幾款能夠實現超音速飛行的戰機都使用了外壓式進氣錐來完成空氣減速的作用。到後面三代機時代開始，為了提升進氣量和簡化進氣道結構、以及隨著發動機推力提升後對於空氣流量的需求增加後，傳統的外壓式進氣錐顯然不能滿足大流量進氣需求，所以開始藉助進氣道結構來實現進氣量的調節，同時在這個時候進去發動機工作的氣流速度已經在逐漸提升。

比如蘇27和F15這種斜切矩形進氣道就是藉助進氣道口的減速板完成空氣預壓縮和減速作用的，F22的加萊特進氣道、F16的皮托管、殲10A的二元矩形進氣道也都是可以完成空氣整流和預壓縮減速功能的。到了殲10C和殲20以及美國的F35戰機時代後，一方面為了實現隱身需求、另外一方面為了滿足不同飛行狀態下的進氣效率最大化需求，同時使用複合材料製造的減重效果更明顯的DSI進氣道開始出現並成為主流。

殲11B斜切進氣道

F-16皮托管進氣道

殲10C DSI進氣道

其次對於噴氣發動機而言，要想增加發動機推力就要想辦法提升渦輪前溫度和增加壓氣機壓比，渦輪前溫度的高低受限於材料的性能表現，但是對於採用軸流式結構的噴氣式發動機而言，壓氣機的壓比高低則主要由壓氣機的轉速決定，所以對於噴氣發動機內部的渦輪葉片而言，既要保證每分鐘十幾萬轉的極高轉速下更大的壓比產生，同時也要讓線速度早已處於超音速狀態的渦輪葉片不會產生失速，所以就需要在葉片結構上做文章。

其實解決的方法就是讓處於超音速狀態下的渦輪葉片在高速狀態下不會斷裂，也就是提高渦輪葉片的結構強度。比如現代渦輪葉片基本使用了單晶生成的方式產生，這樣讓這個葉片由一整塊單晶體結構形成，那麼面對超音速氣流的衝擊和更大的離心力狀態下，渦輪葉片仍能處於安全穩定運轉的狀態，同時渦輪葉片體積普遍很小且處於高壓密封狀態，所以更高速度的氣流對於葉片的衝擊也會小一些。

渦扇發動機高壓壓氣機葉片

渦輪葉片不同材料下的結構強度

也就是說噴氣式發動機內部的渦輪葉片葉尖速度早已超過了音速，但是因為採用了結構強度更高的單晶葉片，所以仍能夠保證其在超音速氣流的衝擊下不會斷裂的同時，也因為整個葉片長度很短且處於高壓密封狀態下，所以葉片仍能夠在超音速狀態下不失速。

同時對於很多大型客機和運輸機使用的高涵道比渦扇發動機而言，雖然這些客機、大型運輸機的最大飛行速度沒有超過音速，但是由於發動機葉片直徑的增加，也使得這些發動機直徑較大的高涵道比渦扇發動機前端的渦輪風扇葉尖線速度超過音速。而且為了降低油耗增加推力這類發動機的葉片都比較細長，所以如何保障其結構強度仍能夠安全運行很關鍵。

C141軍用運輸機

B-747-100大型客機

早期的大涵道比渦扇發動機前端的渦輪葉片受限於材料的限制，葉片長度無法更長使得涵道比較低，也限制了推力的提升和油耗的降低。所以那個時候為了保障前端的渦輪葉片在高速旋轉狀態下仍能夠正常運轉，會通過在葉片中間位置設計突肩，讓相鄰葉片突肩緊扣的方式讓所有葉片聯成一個整體，這樣既保證了結構強度又增加了涵道比，繼而提升了推力和降低了油耗。

通過設計突肩讓發動機前端的渦輪葉片練成一個整體雖然能夠提升葉片的結構強度，滿足葉片葉尖超音速狀態下的結構需求。但是突肩的產生既不利於減重需求，同樣會形成較大的空氣阻力，而且隨著涵道比的增加單個突肩的結構強度也在不斷下降。所以隨著技術的發展，大涵道比渦扇發動機最前端的渦輪葉片生產技術也在提升之中，最大的變化就是整個葉片翼型更符合空氣動力學設計，同時葉片中間位置前掠和葉尖大幅後掠也能提升密封性降低後的風扇葉片喘震和延遲葉尖失速的時間。而且整個葉片的製造技術也在不斷提升之中，除了採用金屬夾心結構來保證葉片輕量化和結構強度同時滿足外，採用複合材質的葉片也在不斷商用之中。

通用電氣公司GE9X新型商用渦扇發動機

羅羅WXB新型商用發動機

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