航空發動機噴管隱身修形設計技術分析

鄧洪偉，趙春生，賈東兵，唐正府

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

隱身技術能極大地提高軍用飛機的生存力和殺傷力,現已成為第5代戰斗機的重要特征之一，是當代軍用飛機發展的一個重要趨勢,并將對未來戰爭的攻防形勢產生深遠影響。隱身能力的提高使得第5代戰斗機的綜合作戰性能較第4代戰機的有很大提升。隱身性能是飛機/發動機隱身一體化的綜合體現，隱身性能的提升是飛機和發動機共同開展隱身設計的結果。噴管既是發動機隱身設計的重要部件，也是飛機/發動機一體化隱身設計的關鍵部件。噴管隱身修形設計能夠減小關鍵探測角度上的雷達散射截面（RCS），提高戰機的雷達隱身能力；噴管出口修形設計可以起到強化發動機噴流與冷卻氣流的摻混作用，有利于降低發動機噴流溫度，縮短核心流的長度，從而降低發動機噴流的紅外輻射。目前，噴管隱身修形設計技術被航空發達國家廣泛應用于各種飛機上，如：B-2轟炸機、F-22A和F-35戰斗機、X-47B無人機等隱身飛機。因此，開展發動機噴管隱身修形設計技術分析具有重要意義。

本文主要對最為常用的鋸齒形修形設計技術在航空發動機上的應用進行分析。

1 噴管的作用和類型

在渦輪風扇發動機上，噴管的主要作用是使發動機排出的燃氣繼續膨脹，將燃氣的可用功轉變為動能，燃氣以高速度噴出，使發動機產生反作用推力。此外，通過調整噴管喉道面積可以改變壓氣機和渦輪的共同工作點，實現對整個發動機工作狀態點的控制。因此，噴管的喉道面積可以作為發動機的1個調節量[1]。近些年來，隨著飛機/發動機隱身性能的提高，噴管還承擔著降低發動機紅外輻射、減少發動機雷達反射的任務。

按照對發動機的調節能力的不同，噴管可分為收斂噴管和收擴噴管；按照噴管形狀不同，噴管可分為軸對稱噴管、二元噴管、S彎噴管、塞氏噴管和單邊膨脹噴管等；按照是否具有矢量推力能力，噴管可分為矢量噴管和常規噴管（非矢量）。此外，多種類型的噴管還可以組合取名，如軸對稱矢量噴管、二元矢量噴管、單邊膨脹二元矢量噴管等。

2 紅外及雷達隱身的基本原理

2.1 紅外輻射原理

發動機的紅外輻射包括波長為3～5μm和8～14μm2部分。8～14μm的輻射所占比例較少，而3～5μm的輻射主要來自于發動機高溫部件及尾噴流，是紅外制導導彈的主要跟蹤目標波段。因此，如何降低發動機高溫部件及尾噴流的輻射強度是發動機紅外隱身設計的首要目標。發動機的高溫部件具有連續的光譜輻射，而尾噴流的光譜輻射具有選擇性，即在燃氣輻射的某一波段有一定的輻射量，在其他波段有很少或沒有輻射。

固體的輻射主要遵守普朗克定律，即

式中：λ為波長；T為絕對溫度；c為光速；h為普朗克常數。

不同溫度下黑體光譜輻射出射度隨波長的變化關系如圖1所示。

圖1 黑體光譜輻射出射度變化曲線

氣體輻射按氣體熱輻射傳輸方程計算，即

熱輻射傳輸方程物理意義如圖2所示。從圖2中可見，式（2）的物理意義是抵達C處的輻射強度，由2部分組成。公式右端第1項代表從A點發出的光譜輻射強度經過AC長度的衰減到達C處剩下的能量；公式右端第2項代表B處氣體的輻射加上整個空間入射引起B處在AC方向上的散射，經過BC的距離到達C點處剩余的能量。在AC間增加無數個點，對這些點向C點的輻射進行積分，就得到途中氣體吸收和向C點輻射的能量。2項之和為由A點經過大氣的吸收、散射、輻射后到達C點的輻射強度。

圖2 熱輻射傳輸方程物理意義

鋸齒形裙邊隱身修形設計能夠增強外界氣流與發動機噴流的摻混，降低噴流的核心溫度，即在一定程度上降低了噴流的紅外輻射強度。

2.2 雷達散射截面定義及影響因素

雷達散射截面（R C S）定義為

式中：R為目標到雷達天線的距離；Si為目標所在位置上天線輻射（入射到目標）的功率密度，即空間單位面積上通過的輻射功率；Ss為天線所在位置上目標散射的功率密度，即空間單位面積上通過的散射功率[3-4]。

發動機雷達散射與噴管出口修形有很大關系，通過噴管出口的鋸齒修形設計能夠降低發動機正后方的雷達波反射，減小其后向的雷達RCS數值。

3 噴管修形設計與隱身性的關系

采用噴管修形設計技術提高發動機和飛機的隱身能力主要從紅外隱身和雷達隱身2方面實現。采用噴管修形設計技術使噴管出口邊界擴大，從而增加了冷卻氣流與高溫燃氣的摻混，進而降低噴流溫度[2]；還能夠減少噴流中壓縮膨脹波的規則聚集，從而減小噴流中馬赫盤的高溫區。均可降低噴流紅外輻射。噴管修形設計的另一個重要作用是將雷達波反射到非關鍵角度，同時減少關鍵角度的雷達波的反射，從而減小航空發動機后向雷達散射截面（RCS）。

根據飛機類型不同，噴管修形設計具有各自特點。

3.1 轟炸機發動機噴管修形技術分析

轟炸機發動機多為中等涵道比渦輪風扇發動機，典型代表為B-2隱身轟炸機，如圖3所示。因其采用內埋式的安裝方式，因此，噴管的修形設計通常體現在噴管與飛機的一體化修形設計上。B-2隱身轟炸機是美國諾斯羅普·格魯曼公司研制的按隱身要求設計的戰略轟炸機，采用低RCS外形設計技術（如翼身融合技術和無立尾的飛翼布局），左、右翼后緣由4段呈梯形的直線構成，每段直線均平行于同側或對側機翼前緣。此外，該機采用雷達吸波涂層材料技術，廣泛采用碳纖維復合材料和蜂窩狀結構型吸波材料[5]。

圖3 B-2隱身轟炸機

發動機噴管隱身修形設計是B-2隱身轟炸機的一大特色，該飛機采用4臺F118-GE-100發動機，其噴管采用彎曲的二元噴管，能夠遮擋內部高溫部件的紅外輻射；發動機噴管與飛機采用一體化設計，并在噴管出口處采用噴管修形設計，使冷氣與燃氣加快混合，降低燃氣溫度；噴管上邊緣與飛機后機身組成單邊膨脹的結構，使燃氣經過機身時進一步降溫，大大降低了發動機的紅外輻射[6-8]。噴管隱身修形的角度經過嚴格計算，基本與飛機機翼夾角相同，保持噴管出口邊緣平行于飛機機翼的2個邊緣（如圖4所示），在前、方后方的雷達照射時，保證該飛機的雷達波瓣高峰值較小。由于噴管隱身修形設計與飛機保持高度一致，該飛機只具有較小的4波瓣雷達反射峰值。B-2隱身轟炸機發動機噴管修形設計是發動機隱身設計的1個成功典范，其思想影響了后續航空發動機噴管的隱身修形設計。

圖4 隱身轟炸機噴管出口與機翼邊緣平行

3.2 戰斗機發動機噴管修形技術分析

與轟炸機發動機不同，戰斗機發動機一般為小涵道比渦輪風扇發動機，很少采用內埋式安裝方式，一般具有加力燃燒室，能夠超聲速巡航。目前，戰斗機已經發展到第5代，而隱身特性是第5代戰斗機的標志之一。本文以美國F-22A戰斗機和F-35戰斗機為例，對其發動機噴管的隱身修形設計技術進行分析。F-22A戰斗機貫徹了“先敵發現、先敵射擊、先敵擊毀”提高生存力的設計思想，具有可探測性低的外形結構，不開加力可以在Ma=1.4～1.5下進行超聲速巡航和機動飛行，在隱身性和敏捷性之間進行權衡，如圖5所示。該飛機采用2臺F119-PW-100發動機，如圖6所示。

圖5 F-22A戰斗機

圖6 F119-PW-100發動機

F119-PW-100發動機由美國P W公司研制[9]，采用大量紅外及雷達隱身技術。該發動機的隱身重點之一是其噴管，采用小寬高比的二元噴管，為了與飛機保持一致的隱身性，噴管采用相應的邊緣導向設計。噴管的修形設計也考慮了紅外隱身的要求。因此，發動機噴流馬赫盤數目明顯減少且相對不夠清晰，同時噴流的核心流溫度區域明顯減小。軸對稱噴管與二元噴管噴流中馬赫盤的分布對比如圖7、8所示。

圖7 二元噴管對稱截面噴流溫度場分布

圖8 軸對稱噴管對稱截面溫度分布

F-35戰斗機是美國及其盟國正在研制的低成本、多用途戰術攻擊機，包括F-35A、F-35B和F-35C 3種類型，如圖9所示。F-35A戰斗機配裝的F135-PW-100發動機所采用的鋸齒形裙邊噴管如圖10所示。本文對該型噴管進行了流場的數值仿真計算。

圖9 F-35系列戰斗機

圖10 F135發動機鋸齒形裙邊噴管

經過計算比較后發現，有鋸齒形裙邊的噴管計算模型在噴管出口環形邊緣100mm內噴管出口附近噴流的溫度普遍降低，如圖11、12所示。2圖分別取同位置、等距離的3個截面，提取中間截面上的溫度分布數據發現，在射流核心區域，有/無鋸齒形裙邊噴管溫度場的計算溫度基本相同，但當接近鋸齒形裙邊所在的徑向位置時，有鋸齒形裙邊噴管溫度場的計算溫度有所降低，平均約降低28K，經過計算可知紅外輻射強度降低最大的角度為30°左右，降低幅度接近10%。

圖11 有鋸齒形裙邊的噴管出口附近溫度場

圖12 無鋸齒形裙邊的噴管出口附近溫度場

3.3 無人機發動機的噴管修形技術分析

隨著科技的發展，無人機發揮的作用越來越重要，將在未來的信息戰、精確打擊戰、無人作戰和“海陸空天電”的5維一體化戰場中大顯身手，并將引發軍隊的作戰思想、作戰模式和組織編制等一系列變革。

紅外及雷達隱身能力是無人機最為重視的性能之一。其中無人機發動機噴管的一體化隱身修形設計技術被廣泛采用，X-47B無人機噴管隱身修形設計如圖13所示。針對該飛機模型進行的初步雷達RCS數值計算如圖14所示。從圖14中可見，該飛機發動機噴管出口修形設計借鑒了B-2隱身轟炸機的出口修形設計技術，具有較好的紅外及雷達隱身效果，且該發動機噴管的設計使氣后向雷達RCS數值較小。

圖1 X-47B無人機噴管隱身修形設計

圖1 4X-47B無人機在某頻率下的雷達RCS分布特性

4 結束語

初步論述了國外航空發動機噴管隱身修形設計技術在轟炸機、戰斗機和無人機上的應用，闡述了噴管隱身修形設計技術的基本原理及其在實現飛機/發動機一體化紅外隱身和雷達隱身性能上的重要性。

（1）航空發動機噴管隱身修形需要根據飛機類型、作戰目的等進行綜合設計；

（2）無人機及轟炸機多數采用飛/發/噴管的一體化修形設計技術；

（3）戰斗機噴管修形設計應根據噴管類型進行選擇，一般二元噴管選用偏大的鋸齒形結構，軸對稱噴管選用偏小的鋸齒形裙邊結構。

噴管修形設計技術將發展成為聯系飛機和發動機一體化隱身設計技術的紐帶[10]，將會發展出更多種類，以實現更好的隱身效果。

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