为什么B2轰炸机的巡航速度和波音777差不多,却用四台小涵道比非加力涡扇,而不是用两台大涵道比涡扇?

01-30发布在栏目【经验】 已阅0

小涵道比发动机的加速性能好,飞行阻力小,比较费油,而大涵道比发动机则与之相反。B2之所以选择4台F118非加力涡扇发动机,主要有两个原因。

B2选择小涵道比发动机的原因之一:就是因为它是一型军机,而不是民机,对航速,加速性,机动性有一定的需求。

B2轰炸机的最大航速为0.95马赫,一般情况下是达不到这个速度的。F118发动机是F110去掉加力燃烧室之后的形成的型号,说白了也是一款专门为战斗机研发的涡轮风扇发动机。就注定其加速性,泼辣性,响应速度比民用发动机好的多。虽说B2轰炸机对速度的要求不如战斗机,但是作为一型军用轰炸机,对其加速性能也有一定的要求。这在这个方面,F118的优势是GE90-115B无法比拟的。

B2选择小涵道比发动机的原因之二:内部空间小,装不下GE90-115B

波音777客机的GE90-115B发动机的直径过于巨大,达到3.4米。而B2轰炸机带上起落架时的机身厚度为5.18米,除去起落架估计也就不到4米高。要在这么低的机身内部安装直径高达3.4米的GE90-115B发动机,那也太难了。B2轰炸机对隐身性能要求极高,在设计时整体气动布局比较扁平,可以最大限度的减弱正面雷达波的反射。

另外,B2轰炸机还采用了翼身融合技术,从侧面看来,其机体就是一个升力体。而B2轰炸机的最高处到地面的距离为5.18米,越向后过渡越低,直到机身尾部。而4台F118发动机的安装位置距离进气口不远处,这部分的高度是达不到3.4米的,所以根本不可能安装直径那么大的GE90-115B发动机。

可以看到的是,为了装下直径不大的F118发动机,还特意设计了两个高度仅次于驾驶舱的发动机舱,如果要装下GE90-115B发动机,那么仅仅发动机舱的高度就要超过驾驶舱不少,极不利于侧面的隐身效果。由此可知,B2轰炸机没有选择GE90-115B发动机也是很正常的一件事。

安装4台F118发动机也不影响B2的整体性能,作为一型战略轰炸机而言,其航程是必须要足够远的。使用大涵道比发动机省下油是否有使用小涵道比发动机多装的油多,也说不准。所以说,选择小涵道比发动机可以平衡飞机的隐身性能,加速性能,航程就是个不错的选择了。

其他网友回答:

B-2是一款亚声速飞行、飞翼布局的隐身轰炸机,从设计思想上来看,美国的第三代战略轰炸机走的是隐身突防路线,与B-1B、图-160等追求超音速突防的理念完全不同。走超音速突防路子的战略轰炸机,(在当年的技术条件下)只有采用中等涵道比发动机才能够兼顾“超音速和航程”两个基本性能要求,所以B-1B“枪骑兵”采用了涵道比为2.01的F101-GE-102中等涵道比发动机,图-160“海盗旗”使用了涵道比为1.4(也有说法接近2)的NK-32中等涵道比发动机。

▲俄罗斯图-160轰炸机使用的NK-32系列发动机

反观B-2轰炸机,由于要走隐身路线,首要工作就是在确保“隐身”性能的情况下实现较远的航程,所以该机设计为飞翼布局且发动机内埋安装,内埋安装的发动机势必会挤占原本就紧张的机身内部空间,因此要求发动机必须结构紧凑。以当时可供选用的发动机类型来看,也只能在小涵道比发动机的基础上研制符合B-2需求的动力系统(中等涵道比发动机的结构尺寸对B-2来说都有些太大了,更遑论大涵道比)。

▲B-1B轰炸机的发动机安装位置布局,有条件安装中等涵道比发动机

隐身飞机特使的外形结构特征需求

根据现代隐身技术理论,飞机实现雷达隐身的能力取决于“雷达散射面积”(RCS),而RCS又与飞机总体设计有关,飞机的气动外形、结构布局、吸波涂层的不同都会引起RCS的变化。其中,气动外形设计一方面关乎飞机的飞行性能,另一方面又涉及飞机的隐身性能,从隐身方面讲“飞机气动外形结构设计,要做到尽量使入射雷达波不按照照射雷达所处方面反(散)射,使照射雷达接收不到雷达回波”。根据理论分析和现役各种隐身飞机的技术特征分析,气动外形和结构布局对飞机的雷达隐身性能贡献率超过85%,相较而言吸波涂层的贡献就有些“微不足道”了。

▲B-2隐身轰炸机的飞翼布局

综上所述,隐身飞机雷达隐身能力主要是通过气动外形布局实现的,而飞翼式布局、多面体结构、翼面前缘平行布局等都是实现外形隐身的典型气动布局。所以,B-2的飞翼式外形就是在这种条件下诞生的,内埋式发动机舱设计也是为了使B-2的整体外形更为“简洁”,避免雷达波散射,而且为其进气道和喷嘴布置于机身上方创造了条件。

▲B-2的上置进气道和尾喷嘴

B-2隐身轰炸机动力系统设计

通过上文的解释,我们知道根据突防思想的不同B-2选择了隐身突防的路线,而根据雷达隐身理论该机又采用了“飞翼布局和内埋式发动机”的气动外形和结构布局。那么,除了考虑机身空间限制而无法使用大涵道比发动机之外,内埋式发动机结构布局的飞机“发动机直径越大、迎风面积也越大、升阻比越低”。

对于某一特定的飞机气动布局,当发动机最大直径由 1.3m 增加到1.7m时,其巡航升阻比下降 了约18%。

根据Breguet航程公式,在同等条件下,升阻比越低,飞机的航程越短,如下图所示:

虽然从普遍意义上将,中大涵道比发动机虽然普遍比小涵道比发动机油耗率低,而战略轰炸机追求的超越航程恰恰需要“低油耗指标”。但是综合考虑内埋式的机身空间限制、升阻比和油耗率对航程的影响,B-2还是选择了以升阻比增大弥补油耗率提高对航程产生的不利影响。

▲小涵道比发动机与大涵道比发动机外形比较

综合考虑下,B-2采用了通用公司的F118-GE-100小涵道比发动机,这种发动机是在F101发动机核心机的基础上,参考F110-GE-100(F-16使用)发动机研制过程中的一些新技术发展出来的。F118发动机的外形结构与F110基本一致,但是通过将9级高压压气机压比从9.5提升到11,涡前温度从1370℃提高到1427℃,空气流量增大9Kg/s等措施实现军用推力增加0.5%。因为隐身战略战略轰炸机对高速机动特性没有特别的需求,所以去掉发动机的加力燃烧室,从而降低发动机流道阻力,实现在涵道比略微增大、军用推力增加的情况下,燃油消耗率与F110基本保持一致。

▲F110小涵道比发动机的9级高压压气机转子剖视图

内埋式发动机布局

内埋式发动机布局的飞机,(为实现隐身采用的)S形进、排气道的体积和总长度与发动机直径成正比。根据气动效率理论,当S形进、排气道的总长度是发动机进气口直径大约4倍时,才会有较高的气动效率。倘若机选择大涵道比发动机装配B-2轰炸机,那么其整个进排气系统的体积和重量就会大幅度增加,进而对整机的飞行性能、结构强度、隐身特性等指标均会产生重大影响。

▲B-2隐身轰炸机内部结构图

如果仅仅是因为燃油消耗滤这一个指标,就采用大涵道比发动机,其带来的不利影响远大于其优点,同时由于结构重量大增,升阻比降低,航程反而会下降。而且大直径进排气口的雷达屏蔽设计也会趋向复杂化、困难化。总之,对于B-2这种气动外形结构的飞机来说,中大涵道比发动机是不适合的。

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<2>术业有专攻,B-2幽灵战略轰炸机主要执行穿透攻击任务,因此飞翼造型的B-2需要融合各种隐身技术和高效能的空气动力设计,因此选配的发动机主要也是满足B-2的隐身需求。波音777属于中远程双发宽体客机,其发动机主要为了追求运营的经济效益,两者的定位就决定着发动机的选型上的巨大差异。

B-2拥有绝佳的隐身性,也就意味着它无需靠速度来躲避敌对方的雷达探测。B-2搭载四具通用电气F-118-GE-100无加力燃烧室涡扇发动机,单台最大推力为77kN。B-2最高速度能达到0.95马赫,约合1010千米/时,而巡航速度为0.85马赫,约合900公里/时。

1999年B-2首次投入实战,美军的多架B-2从美国本土通过空中加油直飞塞尔维亚。B-2在战斗期间共投下600多枚联合直接攻击弹药,显现出空战的未来属于隐身性和准确性。后来B-2还出现在伊拉克、阿富汗和利比亚战场上。B-2能够在战场上全身而退,主要仰仗于其自身的隐身性能。

F-118是通用电气为B-2量身定制的发动机,后来还出现在洛克希德U-2S的配置单上。而波音777的发动机同样来自于通用电气,例如最新的波音777X就搭载的是GE9X。GE9X的问世打破了GE90的记录,目前占据全球推力最大飞机发动机的桂冠。其采用大涵道比设计主要为了追求燃油效率,因此其叶片直径也增大至335厘米。硕大无朋的风扇叶片是波音777的显著特征。但是如果将这样两具发动机放到B-2机身中,就完全违背了B-2最关键的隐身特性,速度再快也拼不过防空导弹啊。

其他网友回答:

因为要隐身啊!大涵道比发动机的正面投影这么大,怎么能降低雷达RCS值呢?


不光是B-2轰炸机,其他所有隐身飞机,以至于要追求低RCS值的普通战斗机和轰炸机,没有一个使用大涵道比发动机的。



大涵道比发动机,不仅因为正面投影面积大,而且暴露的涡轮风扇能够大量反射雷达波,会极大提高飞机的雷达信号。所以,这种能直接看到巨大风扇的发动机天生和隐身性能无缘。



B-2和其他隐身飞机,为了降低雷达RCS值,可以说费劲心力,用尽手段,不惜降低速度、机动性乃至于最大航程等传统性能。像B-2和F-117等隐身机,都还会对发动机进气口上进行特殊设计,比如格栅和弯曲进气道,避免涡轮风扇直接暴露。F-35战斗机还采用了DSI进气道技术,就是在进气口前方设计一个鼓包,能够有效避免风扇直接反射雷达波。当然,歼10和枭龙也都直接将DSI进气道搬了过来,所以都有不错的隐身能力。


其他网友回答:

这个更换动力有什么意义吗?B2轰炸机到底采用什么样的动力,由需求来决定的,单纯的想焕发到底有什么目的是个问题啊。

这是一款轰炸机,设计首先强调的是隐身能力,对发动机的要求就是个头不能太大,至于说换成两台发动机,推力也许可以达到了,但是能不能满足隐身的要求呢?B2对推力没有太高的要求,因为它不追求超音速飞行,而且对于续航力要求高。对发动机的要求不是简单的推力大就行了,各方面都有要求了。

这才是一个很头疼的事情,发动选择是涉及到多方面因素的,不是单纯的对比一下性能就可以换,也不是说换就可以换的问题,尤其是像飞机这种来说,单发,双发,四发这都是一种非常大的差异,不是想换就换得了的东西,也许换个发就等于重新设计,这是一个非常头疼的事情,如此折腾到底什么意义才是个问题,这首先不是个技术问题,然后才是一个技术上能不能实现,牵一发而动全身,能不能值得这么更换,才是最大很大的事情。

其他网友回答:

大涵道比在那个气动外形下他要能塞进去啊。

其他网友回答:

这是因为第一:由于B2隐身性的需要它的机身无法容纳大涵道比的发动机,一是机体厚度不行二是进气口必然巨大。从而带来无法满足隐身需求的结果。第二:军用发动机尤其是作战飞机其实很少见到大涵道比发动机的,这和大小涵道比各自的特性有关,大涵道比推力大,油耗低但爆发力不足,小涵道比推力够,油耗相对大,但爆发力强即便没有加力在加大油门的情况下推力比大涵道比发动机来的猛。

其他网友回答:

B2一切设计目标为隐身服务。翼身融合使得大涵道比发动机 装不进扁平的机身;它的气动外形也不允许开加力高速飞行。

它的作战手段:在敌方“看不见”的情况下,飞过去、投弹、再悄悄地飞回来。

其他网友回答:

最关键的是小航道比的发动机体积小,便于隐埋在机夹里!回答完毕!

其他网友回答:

现实情况是:不是B52不想用两台大推力涡扇发动机代替老旧的8台小推力涡扇发动机,而是真的在性价比内做不到啊!

B52战略轰炸机作为“美国现役三驾马车之一”中机型最老也是性能最弱的一款战略轰炸机,距今服役时间早已超过半个世纪之久,但是美军依然想要通过延寿的方式让B52继续服役到2040年。但是对于B52来说,虽然机体只能通过保养的方式延寿,但是对于核心的发动机一方面面临正常运转定期更换整机问题,另一方面美军也想借助更换更加先进的发动机来提升B52战略轰炸机的综合性能表现。

但是摆在B52战略轰炸机换发面前的选择虽然很多,但是每条路似乎都走不到尽头。比如当下美国GE/普惠两家航发巨头,旗下都有推力超过四五十吨的超大推力涡扇发动机,这些大推力涡扇发动机不仅推力超大,而且经济性更高,借助巨大的民用市场后勤维护保养成本也更低。如果更换在B52战略轰炸机身上的话,以波音777客机装备的发动机为例,推力从32吨到51吨都有,就算是平行替代现役B52H战略轰炸机上装备的8台单台推力只有7.4吨的普惠TF33-P-3/103型涡扇发动机,两台推力等级最小32吨的基本型都绰绰有余,而且还能一定程度上提升B52H战略轰炸机的最大起飞重量和最远飞行距离和载弹量。

但是对于当下的B52H来说,更换气动外形完全不同的发动机意味着整机的气动布局会发生较为明显的改变,那么等于是B52H单单一个换发就要重新进行缩比模型吹风洞/重新试飞定型,且不说至少需要好几年的试飞定型了,光是这个换发成本有多大美国国会肯定不会答应的,要知道坚持让B52H通过延寿服役就是没钱闹得,现在怎么可能花至少十几亿美元给B52H换发重新吹风洞定型呢?所以这是不可能之一。

不可能之二是就算是想给B52H换发超大推力的涡扇发动机,首先摆在眼前的是就算是换发推力只有32吨的基本型发动机,这些发动机的直径达到2.85米,算上发动机短舱和距离地面最小安全距离的话,B52H的机翼最低距离地面不得低于4米,但是现实是B52H战略轰炸机机翼中部距离地面高度在四米左右,真正能安装直径超大的发动机机位安全距离不够。而且因为B52战略轰炸机一开始设计研发的时候,并没有今天推力这么大的涡扇发动机,使用的还是推力只有3.7吨的J57-P-3轴流涡轮喷气发动机,为了保证B52超过200吨的起飞重量能飞起来,只能安装8台推力小的涡喷发动机来满足推力要求。以至于今天要是换发推力更大的涡扇发动机时,还会面临机翼结构强度不足/厚度不够的问题,这都是直接影响B52H换发的关键。

而且从现役B52H最大220吨的起飞重量计算的话,实质上需要的推力只要31.7吨即可满足起飞需求,B-52的重大改进型B-52H虽然换装了单台推力高达75千牛的TF-33涡扇发动机,在不影响整机气动布局的前提下,总推力实际上是溢出的,所以除了地面满载起飞时全部开启外,空中飞行时通常会关掉几台发动机。那么对于当下的B52H而言,如果真的换发超大推力的涡扇发动机的话,别说装备两台超大推力的涡扇发动机,就是一台就已经够用了,但是只装备一台显然又不太现实。

虽然美国计划通过延寿让现役B52H战略轰炸机服役到2040年,但是在为其换发时,反而选择了当下民用市场装机数量最多/也是全球产量最高的CFM56涡扇发动机,也就是当下A320和B737客机装备的涡扇发动机,该发动机推力相比早前的TF33已经从7.4吨上升到12.5吨,换发后已经是推力超余的状态了。

总结来说,想要给B52H换发还真的是一件很头疼的问题,换发超大推力涡扇发动机需要更大一笔研发资金,在已经老旧且下一代B21战略轰炸机即将服役之际,再在B52H身上花费十几亿美元的研发成本已经不划算了。而且换发大推力涡扇发动机也不是简单的事情。所以核心还是没钱闹得,如果有钱机翼结构强度低完全可以研发一款结构强度更高的完美替代。

标签: 涵道比 涡扇 巡航速度 加力