心脏的奥秘之航空发动机尾喷管的进化史（四）

文/图 王腾

在之前的文章中，我们主要谈了喷口在设计师眼里需要是如何被分解成一个个技术模块，每个模块中又包含哪些常见的问题。然而出于篇幅和文章性质的原因，我们对大多数的技术问题只做了一个定性的介绍，有兴趣的读着可以自行查阅一些相关的文献资料。其实喷管虽然功能比较单一，往往也不引人注目，但是航空史上还是有很多的飞机由于其独树一格的排气系统设计而给人留下了深刻的印象。笔者挑选了几个著名案例与大家分享，看一看整个动力系统中最不起眼的部件是如何完成“逆袭”的。

按照时间顺序，首先出来抢镜的意大利斯蒂伯·卡普罗尼出品的一款验证机，于1932年由路易吉·斯蒂伯（1900-1992年）和卡普罗尼所研制。它的最大特点是空心的、酒桶形的机身与完全包裹在机身内的发动机，螺旋桨，整个机身就是一个涵道风扇。由于螺旋桨直径很大，整个机身十分硕壮，看上去更像是卡通画中的飞行器，这一外形也为它赢得了很高的人气。

这个“奇葩”的飞机核心在于给螺旋桨安装了一个排气装置，设计师斯蒂伯称之为“管内螺旋桨”（intubed propeller）——在机身内安装发动机和螺旋桨并且将机身设计成一个锥形管（文丘里管），应用伯努利原理，压缩螺旋桨的尾流和发动机的废气提高螺旋桨的排气速度，使得飞机的推进效率能够进一步的提高。斯蒂伯当时在意大利空军工程部工作，对这一种推进方式进行了深入的研究，其中对于管道形状，螺旋桨的匹配等方面的设计思想也启发了后世对航空燃气轮机的设计，无论从功能上还是形式上，这种为螺旋桨设计的排气装置与现代喷气式飞机的尾喷管非常相似。从另外层面上讲，名不见经传的“管内螺旋桨”在航空推进的历史长卷中的确写下了自己的故事，有些航空史学家认为，路易吉·斯蒂伯是“喷气推进”领域的开山鼻祖。这个故事比前文的P-47 更加有传奇色彩。

在1970年年中，美国空军开始了一项“先进中型短距起降运输计划”（Advanced Medium STOL Transport program）研究，美国战术飞机研究中心（TAI），与波音公司、麦道公司和其他公司一起寻找可能的战术运输机设计方案。在这之前，NASA 已经进行了一系列的“动力升降”的研究稍早一些时候，既包括外部吹襟翼，包括著名的“上表面吹气”（USB）方案。在USB 系统中的发动机布置在翼的上表面，发动机喷出的气体通过一个特殊的扁形喷口吹过襟翼。当襟翼被放下时，由于“柯恩达”效应（Coandă effect）,发动机气流朝向下弯曲。NASA在兰利12 英尺（3.7 米）的风洞进行实验的初步结果表明，这种通过对发动机喷出的气体做文章的增升方式比任何其他增升方案更为有效。

意大利Caproni_Stipa-1 技术验证机。

意大利Caproni_Stipa-2 技术验证机。

罗·罗为“鹞”式研制的“飞马”涡扇发动机。

1971年，波音公司推出了他们利用USB 系统设计的“先进中型短距起降运输计划”飞机——YC-14，其最显著的特点是安装在机翼上方的两台巨大的CF6-50D涡扇发动机。设计师们将发动机的尾喷管进行改造，通过一系列复杂的整流结构使其喷出的高速燃气流过机翼上表面向后喷出，喷口被设计成圆角等腰梯形，以尽可能扩大排气宽度并减少流动截面变化而导致的总压损失，机翼上巨大的襟翼能够高温燃气大角度偏转，并由于“科恩达”效应与引射效应带动机翼上表面其它范围的气体同时发生偏转，以提供非常可观的动力增升效果。

然而在之前的文章中我们也讨论过，发动机尾喷管内的气体非常不“面善”，高温、高速加之化学不稳定性使得喷管设计时必须把热防护和材料热寿命等进行通盘考虑，一个喷管尚且如此，利用机翼上表面对发动机喷出的燃气进行处理显然是一件非常困难的事情。即使YC-14 使用的是涡扇发动机，其排气温度也远远超过了普通航空用铝合金的正常工作温度，即安装发动机的机翼段必须进行热防护处理。更大的困难在于USB 方案将整个襟翼及其作动部件甚至与一部分机翼主梁都暴露在了发动机尾流的热区中，在厚度本身十分受限的机翼上做隔热处理效果和代价都难以让人满意。同时前文我们也提到过，对于高速燃气，任何流动结构设计不当所引起的损失都将被放大，在YC-14上也不例外，由于喷流掠过机翼上表面带来的推力损失以及机翼下洗效应带来的拉力方向变化，飞机的平飞经济性受到了很大的影响（风洞试验数据的平飞总阻力比设计预期高出7%），对于军用飞机而言，这种经济性将会影响其最重要的一个作战参数——航程。以上这两条几乎宣判了YC-14 的死刑，尽管作为一种新概念的设计，YC-14 实现了可观的重型飞机短距起降能力并且带给后世很多设计上的启发，美国战术飞机研究中心（TAI）依旧在1979年12月叫停了“先进中型短距起降运输计划”（Advanced Medium STOL Transport Program）计划，YC-14 的归宿也只能是停机坪。

美国YC-14 验证机。

然而她的故事却有一个有趣的尾声，1977年8月31日首飞，一架不寻常的飞机在“铁幕”另一侧的乌克兰完成了首飞——安东诺夫 安-72“运煤船”运输机。使用两台Lotarev D-36 涡扇发动机的安-72 与YC-14 俨然是失散多年的兄弟一般，同样的“先进中型短距起降运输机”目标，同样的USB 原理，同样的“科恩达”效应，但是毛熊血统赋予了其壮硕稳健的底盘和可碾碎一切的起落架，能够在沙摊、草原或其他野战机场顺利完成起降。然而“孪生兄弟”的命运却不尽相同，1999年“达喀尔“拉力赛，组委会还雇佣了四架安-72帮助运输物资。

说到喷管的设计，最被大伙儿们津津乐道的一定是矢量推力系统。然而由于矢量推力喷口本身设计难度与材料要求都很高，与其配套的飞行控制系统的设计也需要反复的实验与试飞的积累完成。因此在矢量推力系统出现之前，能够转动的喷口是以垂直起降飞机的形式亮相的，其中名气最大的莫过于英国的“鹞”式攻击机。

大名鼎鼎的罗·罗公司生产的“飞马”发动机赋予了鹞式垂直起降的能力，布里斯托尔·西德利公司的天才工程师们完成了航空发展史上里程碑的设计。这台发动机最显著的特点是4个可以旋转的喷口，这4个喷口布置在发动机尾部和前三分之一的地方，如同珀伽索斯强有力的四蹄为飞机提供106 千牛的推力。“飞马”矢量推力涡扇发动机采用双转子设计，三级低压压气机+8级高压压气机分别由一级低压涡轮和两级高压涡轮级分别驱动。值得注意的是，飞马发动机的高压轴与低压轴旋转方向相反，因此大大降低了陀螺进动效应对于低速垂直起降时飞机操控性的影响。该发动机采用了一个简单的推力矢量系统,由4个旋转喷嘴和中央控制器组成，能够为飞机提供推力，升力和向前的推进力，完成垂直起降、短距起降和水平飞行。

为了简化结构，飞马发动机的前两个喷口喷出的是外涵道冷气，即风扇后气流，排气温度450K；后面的两个喷口喷出的是内涵到热气，与常规涡喷发动机相同，排气温度高达950K。因此在飞马的喷口设计中，有两个关键问题需要解决——减少由于旋转喷口的复杂流动特点而导致的推力损失与对高温部件进行热防护。为了解决第一个问题，飞马的设计团队采用了在喷口中安装分隔片的方法，这种分隔片会被按照流线方向放入到喷口内，将喷口分割为很多的层次，减少了气体转弯过程当中的二次流与漩涡，能够大大降低总压损失；而在“鹞式”飞机上，飞马的后喷口覆盖范围内都安装了专门的隔热材料——保护飞机不受高温燃气的灼伤。这两点设计成功保证了飞马发动机独特的四旋转喷口方案能够发挥出应有的效果，从而完成布里斯托尔·西德利的天才设计。也正是由于这台“飞马”，人类航空的长卷中才汇出了从Kestrel FGA.1 到AV-8B的不朽经典。即使在矢量推力技术枝繁叶茂的今天，当我们再次去体会“飞马”发动机独特的喷管设计时，依然会感叹前辈们无穷的智慧。