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为什么米格-21战斗机前方有个凸出的锥体?

作者:Anita 发布时间: 2022-01-16 13:56:16

简介:】这个锥形体主要用来调整不同速度下的进气量,在超音速状态下对空气进行减速、压缩,使进气道的空气流速与发动机工作状态相匹配,从而使飞行器能够在高空以较高的马赫数飞行。

这个锥形体主要用来调整不同速度下的进气量,在超音速状态下对空气进行减速、压缩,使进气道的空气流速与发动机工作状态相匹配,从而使飞行器能够在高空以较高的马赫数飞行。

调节锥的结构,可以看到通过动作筒实现向前或向后的运动

锥形进气道是可调隔板进气道出现之前,各航空大国普遍应用在战斗机上的设计,并非是苏制飞机的专利。除苏-7,Mig-21外,美国的F-104,SR-71,法国的幻影-1,幻影-2000,幻影4000等多款战斗机都采用了锥形进气道,只不过由于这些飞机采用两侧进气,锥体并不在机头部。

幻影4000,幻影2000,SR-71,F-104等多款西方阵营的飞机同样采用锥形进气道,应用非常广泛

那么进气道为啥要有一个锥体?这要引入一个重要概念,激波(shock wave)。

如图是飞机在不同速度下机械波(声音)的传播。在飞机<1马赫时,飞机头部队空气的扰动产生的震动传播大于飞机速度,此时波的传播方向是朝向四面八方的;而当飞机的飞行速度超过音速,此时扰动波传播速度小于飞机速度,先产生的扰动波将与后续产生的扰动波叠加,对空气产生强烈的压缩,将形成激波。当飞机马赫数大于1时,扰动波的波阵面相对于飞机是一个圆锥形的形状。

高速照相机拍摄到子弹产生的激波

由于涡轮发动机有严格的工况,要求进气速度必须降到亚音速状态,而超音速状态下由于空气的速度非常快,极易与发动机进气涡轮失配造成空中停车。锥形进气道正是利用了这一原理,在锥尖开始产生斜激波,波阵面与空气运动方向不垂直,使空气能够沿着锥面向后运动,而在第二个锥面产生正激波,波阵面垂直空气运动方向,对空气进行压缩和减速。在涡轮风扇发动机成熟之前,这个锥体有效充当了压气机的角色,飞机飞行速度越快,压气效率越高,因此这样的冲压涡轮发动机非常适合用于高空高速飞行的飞行器上,比较有代表性的就是美国的SR-71黑鸟——一种可以以3倍音速飞行的飞机。

而米格-21采用此技术后,飞行速度也轻松突破了2倍音速。不过这种机头进气的方式最大的缺点就是没办法在锥体里装雷达,或者只能装个很小的雷达,因此严重制约了战斗机的作战能力。对于苏联来讲,米格-21不过是一种可消耗的廉价战术飞机,因此还不太重视,但北约历来非常重视雷达在战机上的应用,因此F-104以及后来的幻影系列纷纷采用的是两侧进气,这也是为什么我们印象里机头有个圆锥是苏制战机的一大特点。

这种设计在我国歼7的研制过程中被原样不动的照搬了。而歼八早期型号也同样采用了这种进气方式。不过我国航空设计师也意识到了这个问题,在歼7后期型号和歼八上采用了直径更大的锥体,装上了自己研制的雷达/测距器。不过性能依旧捉急,总体水平还停留在西方60年代水平。

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