進(jìn)氣道與有壓氣機(jī)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)
來源：科技導(dǎo)報(bào)
作者：趙文勝，滿延進(jìn)，張波，趙輝
“進(jìn)氣道”是航空航天推進(jìn)領(lǐng)域的一個(gè)重要術(shù)語。渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)都有進(jìn)氣道，但兩者的概念、描述對(duì)象和功能卻存在著實(shí)質(zhì)性差異。準(zhǔn)確使用“進(jìn)氣道”術(shù)語對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展有著積極的意義。
本文分別講解了“進(jìn)氣道”對(duì)于渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的意義，并介紹了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的完整過程，這有利于工程上工作界面的合理劃分和確定，以及超聲速、高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)集約化、機(jī)體推進(jìn)一體化和空天動(dòng)力技術(shù)的深化研究。
“進(jìn)氣道”是航空航天推進(jìn)領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)術(shù)語。進(jìn)氣道基本功能是實(shí)現(xiàn)吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所需空氣的捕獲和輸運(yùn)。作為飛行器主動(dòng)力，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)種類多、應(yīng)用極為廣泛。吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)基本由壓縮、加熱、膨脹、放熱等熱力過程構(gòu)成。
吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)主要分類
作為吸氣式飛行器的核心功能部件，進(jìn)氣道按飛行器飛行速度、進(jìn)氣道在飛行器上的位置、進(jìn)氣調(diào)節(jié)方式、進(jìn)氣口形狀、氣流壓縮形式等可分為很多類型。進(jìn)氣道主要性能參數(shù)包括總壓恢復(fù)系數(shù)、流量系數(shù)、阻力系數(shù)和出口流場畸變指數(shù)等。
民航客機(jī)進(jìn)氣道
客機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等亞聲速飛機(jī)進(jìn)氣道很短，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝多采用短艙形式。超聲速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置多在后部，進(jìn)氣道可能比較長。
超聲速飛機(jī)進(jìn)氣道
對(duì)于有壓氣機(jī)吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和無壓氣機(jī)吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，進(jìn)氣道的概念、描述對(duì)象和功能卻存在著實(shí)質(zhì)性差異。
進(jìn)氣道與有壓氣機(jī)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)
有壓氣機(jī)吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，即渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)，其配套的進(jìn)氣道不僅供給發(fā)動(dòng)機(jī)一定流量的空氣，而且進(jìn)氣流場要保證壓氣機(jī)正常工作，即將足夠的進(jìn)氣量、以最小的流動(dòng)損失捕獲，并順利引入壓氣機(jī)或風(fēng)扇與壓氣機(jī)。進(jìn)氣道影響空氣流量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)有效推力；進(jìn)氣畸變影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性。
進(jìn)氣道性能、進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，進(jìn)而影響整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和綜合性能。進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性即工程技術(shù)上常說的進(jìn)發(fā)匹配，包括進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)流量匹配和流場相容兩大方面。
流量匹配是進(jìn)氣道要保證在飛行包線內(nèi)任意點(diǎn)都能提供發(fā)動(dòng)機(jī)所需求的空氣流量，滿足質(zhì)量守恒和流量連續(xù)的工作條件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)盡可能高的總壓恢復(fù)系數(shù)、能量損失小。
流場相容指進(jìn)氣道出口速度場、溫度場、壓力場等流場品質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)的抗畸變能力相容。
如果在飛行包線內(nèi)出現(xiàn)進(jìn)發(fā)不匹配，可能會(huì)誘發(fā)壓氣機(jī)失速、發(fā)動(dòng)機(jī)喘振和失穩(wěn)等故障。因此，進(jìn)發(fā)匹配不僅要在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，而且要在非設(shè)計(jì)狀態(tài)的全部飛行包線內(nèi)滿足匹配要求。進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性，需要經(jīng)過飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證和評(píng)定，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)是布雷頓循環(huán)，其第一個(gè)熱力過程是絕熱壓縮，基本從空氣進(jìn)入壓氣機(jī)開始，壓縮過程主要由壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)飛行速度大于壓氣機(jī)進(jìn)口氣流速度時(shí)，進(jìn)氣道對(duì)空氣初始增壓也有貢獻(xiàn)。
渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的布雷頓循環(huán)
進(jìn)氣道與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的相互關(guān)系，實(shí)際上存在著截然相反的認(rèn)識(shí)，而且都有一定的認(rèn)知基礎(chǔ)。
（1）從氣動(dòng)專業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能角度，包含進(jìn)氣道的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)需要統(tǒng)籌研究；
（2）很多情況下進(jìn)氣道具有來流壓縮功能，特別是超聲速進(jìn)氣道在來流增壓中占有很大比重；
（3）航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)教科書多把進(jìn)氣道定義為發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部分。
（1）飛行速度較高時(shí)進(jìn)氣道參與來流壓縮，但空氣流經(jīng)進(jìn)氣道不是全部渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)不可或缺的熱力過程；
（2）教科書將進(jìn)氣道作為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件的同時(shí)，具體描述基本以“進(jìn)氣由飛機(jī)進(jìn)口至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口的管道稱為進(jìn)氣道”、“進(jìn)氣道將自由流空氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)”等類似表述邏輯上明確了進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相互配合、互不隸屬、彼此并列的關(guān)系；
（3）進(jìn)氣道不在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)體系之內(nèi)：航空渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范等頂層標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)動(dòng)機(jī)不包括進(jìn)氣道，且明確發(fā)動(dòng)機(jī)與進(jìn)氣道是連接關(guān)系；航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商產(chǎn)品普遍沒有進(jìn)氣道；選定發(fā)動(dòng)機(jī)后的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)也不由發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)承擔(dān)。
民航客機(jī)進(jìn)氣道及在飛機(jī)上的位置
大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)
亞聲速飛機(jī)進(jìn)氣道與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)串行安裝。透過進(jìn)氣道清晰看到發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇及葉片。
超聲速飛機(jī)進(jìn)氣道與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的相對(duì)位置。從進(jìn)氣道入口不一定看得到發(fā)動(dòng)機(jī)的任何部件。
對(duì)進(jìn)氣道與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)從屬關(guān)系的不同理解，并沒有影響渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣道的科學(xué)研究、技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品研發(fā)。
進(jìn)氣道與無壓氣機(jī)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)
無壓氣機(jī)吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，包括亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，主要應(yīng)用于超聲速、高超聲速飛行器。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的進(jìn)氣道與渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)氣道有著本質(zhì)的不同。
沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道是發(fā)動(dòng)機(jī)的有機(jī)組成部分，承擔(dān)吸入空氣的流量捕獲和壓縮功能，即對(duì)來流空氣減速增壓，提供或通過隔離段提供下游燃燒室所需的壓縮空氣，與燃油摻混、燃燒釋熱，增高氣體焓值，增強(qiáng)膨脹做功能力。對(duì)來流空氣增壓而言，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的功能相當(dāng)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)。
吸氣式高超聲速飛行器和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體推進(jìn)一體化特征突出，飛行器前體承擔(dān)部分壓縮功能。飛行器前體與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道為連續(xù)的氣動(dòng)型面，沒有明顯的物理、幾何和結(jié)構(gòu)界面，工程上需要人為劃定前體與進(jìn)氣道界限，以進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化迭代。
沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)同樣是開式布雷頓循環(huán)，其第一個(gè)熱力過程同樣是絕熱壓縮，但這個(gè)絕熱壓縮過程主要由進(jìn)氣道完成。即：以進(jìn)氣道為主的進(jìn)氣絕熱縮壓與等壓加熱、絕熱膨脹、等壓放熱4個(gè)熱力過程構(gòu)成沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)完整的熱力循環(huán)。
“沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道”是一個(gè)準(zhǔn)確的表述，確切的含義是作為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部分，進(jìn)氣道承擔(dān)來流空氣減速增壓的作用，其熱力功能是絕熱壓縮（指理想循環(huán)的絕熱壓縮，工程中存在與壁面熱傳導(dǎo)等損失）。
超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道作為熱力循環(huán)的第一個(gè)過程對(duì)來流空氣進(jìn)行壓縮
沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的布雷頓循環(huán)
渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)由壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)空氣壓縮。亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣道完成空氣壓縮。
沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)本體包括進(jìn)氣道、隔離段、燃燒室、噴管等部件，進(jìn)氣道與燃燒室或進(jìn)氣道-隔離段-燃燒室需要匹配工作，以避免出現(xiàn)因飛行速度降低或飛行姿態(tài)改變等發(fā)動(dòng)機(jī)外部原因引發(fā)的進(jìn)氣道不起動(dòng)現(xiàn)象。
在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)的飛行器技術(shù)中講“進(jìn)發(fā)匹配”或“進(jìn)發(fā)排匹配”是不準(zhǔn)確的表述，對(duì)進(jìn)氣道與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相互關(guān)系形成誤導(dǎo)、造成誤解。
以有壓氣機(jī)吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和無壓氣機(jī)吸氣式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為背景，中文“進(jìn)氣道”、英文“inlet”或“intake”，同一術(shù)語表述的對(duì)象、功能和隸屬關(guān)系存在著實(shí)質(zhì)性差異，是技術(shù)發(fā)展過程的歷史和習(xí)慣使然，也是較為特殊的術(shù)語使用情況。還曾用擴(kuò)壓器一詞（英文diffuser）或其它英文單詞，詞意都不分彼此，使用也越來越少。
因此，針對(duì)不同的功能和對(duì)象，“進(jìn)氣道”術(shù)語不加區(qū)分地普遍使用已是既成事實(shí)。但對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器的技術(shù)工作，區(qū)分和準(zhǔn)確掌握進(jìn)氣道概念是必要的。
正確理解進(jìn)氣道概念的意義
高超聲速技術(shù)是當(dāng)代科技發(fā)展的前沿和熱點(diǎn)，工程應(yīng)用方興未艾?！案叱曀佟毙g(shù)語是前輩科學(xué)家根據(jù)物理學(xué)學(xué)科分類和聲學(xué)國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)定義認(rèn)真推敲確定的規(guī)范表述。
現(xiàn)在媒體上時(shí)常出現(xiàn)“高超音速”以及“音速”、“超音速”等詞，雖不至引起過多混亂，但是對(duì)專業(yè)的隨意和對(duì)“聲”、“音”混用歷史與科學(xué)規(guī)范的漫不經(jīng)心。因此，正式場合應(yīng)使用“高超聲速”，以體現(xiàn)科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)素養(yǎng)。
渦輪類發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)都有進(jìn)氣道，但“此進(jìn)氣道非彼進(jìn)氣道”。準(zhǔn)確使用“進(jìn)氣道”術(shù)語對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展有著積極的意義。
進(jìn)氣道承擔(dān)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的壓縮過程，是發(fā)動(dòng)機(jī)的組成部分。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域講“進(jìn)發(fā)匹配”是概念性錯(cuò)誤。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和把握進(jìn)氣道與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的從屬關(guān)系，有利于工程上工作界面的合理劃分和確定。
準(zhǔn)確理解沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的完整性，有利于超聲速、高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)集約化、機(jī)體推進(jìn)一體化和空天動(dòng)力技術(shù)的深化研究。特別對(duì)遠(yuǎn)航程飛行器，氣動(dòng)布局、升阻特性、系統(tǒng)控制矛盾突出，如采用貫穿式進(jìn)氣方式，或以過渡管道調(diào)節(jié)布局、質(zhì)心，可能影響載油量，進(jìn)而影響載荷能力或航程，需在飛行器主要性能上認(rèn)真分析、權(quán)衡。
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