必须跨过的门槛！航空动力的关键技术(3)

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　　涡轮-电动混动发展

　　这些还只是涡扇的深度发展，现代航空发动机有向涡轮-电动混动发展的趋势。全电动汽车有电池重量的问题，全电动飞机的电池重量问题更大。但用涡轮发动机驱动发电机，用电动风扇或者螺旋桨产生推力，这在技术上的难度要小得多。看起来这是舍近求远，但实际不然。高涵道比风扇的推进效率高，但这是对发动机而言的，发动机吊舱周围的机翼上下局部气流现象限制了飞机-发动机系统的推进效率。理想的推行系统应该由大量小直径风扇或者螺旋桨组成，遍布整个机翼和机体后体，形成均匀的推力分布。翼尖的风扇或者螺旋桨的旋转方向还可以与翼尖涡流相反，主动对消翼尖涡流阻力，将其融化到推力中去。

　　民航发动机是按照最大推力要求来确定的，而且要求在单发故障时，剩下的发动机依然能提供足够的继续起飞的推力。这对双发是尤其严苛的要求。如果与电池技术相结合，涡轮-电动还可以大大降低涡轮发动机的功率要求，只要满足巡航推力要求就够用了，电池成为起飞和加速时的助推能源。这样的混动系统有望大大降低巡航油耗。有意思的是，在汽车世界里，这已经成为现实，保时捷918就是在4.6升V8普通超跑发动机基础上，增加电动助力，达到顶级超跑的性能。如果完全用内燃机实现，就需要布加迪“威龙”那样的变态的8升W16发动机了，重量、油耗和成本都大大增加。

　　分布式的电动推进风扇和螺旋桨还可以用于机体表面附面层抽吸。附面层是空气粘性的结果，在机体表面形成呆滞的空气层，形成等效的机体截面积增加，增加了迎风阻力。机体越长，附面层从前向后的堆积越严重。用风扇或者螺旋桨主动抽吸附面层，使得呆滞的空气层流动起来，可以有效地降低附面层厚度，降低阻力。传统涡轮发动机并非不能用于附面层抽吸，但电动风扇或者螺旋桨在工程实施方面有更大的优越性。

　　三涵道和更科幻的发动机

　　图为X-57概念机的机翼，和传统飞机相比，X-57的机翼上安装了18具电动螺旋桨，在提供动力的同时也减小了飞行阻力。

　　在军用发动机方面，三涵道是最新趋势。所谓三涵道，就是在传统的内外涵道之外增加第三涵道，用于改变涵道比、辅助进气道气流管理、提供机载系统冷却气流和降低喷气红外特征。变涵道比是战斗机发动机的理想境界，既有涡扇起飞推力大、亚声速巡航省油的优点，又有涡喷超声速加速和巡航阻力小的优点。在活门、导流片的控制下，第三涵道可以按需要控制旁通流量，有效改变涵道比，达到变涵道比的目的。

　　三涵道对高亚声速飞行没有多少用处，对典型现代客机没有多少用处。但三涵道解决了超声速巡航的经济性问题之后，如果音爆问题也能得到解决，超声速民航时代有可能重来。NASA研究的新技术，对音爆造成的激波进行钝化，甚至用不同激波互相干涉对消，在降噪方面取得了长足的进展。音爆也与飞机重量、尺寸有关，超声速民航有可能在公务机或者小型客机上首先取得突破。

　　超出传统的涡轮发动机的话，脉动爆轰发动机（简称PDE）有点像四冲程汽油机用作喷气发动机，当然没有活塞，排气直接产生推力。PDE的热效率高于涡轮发动机，也不需要变涵道比这样的复杂技术就可以适合更大的速度范围。另一种新概念发动机是超燃冲压，避免了传统冲压发动机只能把进气减速到亚音速才能工作带来的阻力，实现高超声速飞行。将涡轮发动机、亚燃冲压和超燃冲压组合起来的组合发动机（简称TBCC）更是代表了实用化高超声速飞行的未来。PDE、超燃冲压和TBCC还比较科幻，但追逐未来技术并非好高骛远，而是登上前沿的立脚点。

　　风上风云｜云端故事

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文章来源：《航空动力学报》 网址: http://www.hkdlxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1103/336.html