中国发明了什么战斗机
2016年11月的珠海航展上,中国首款隐身战斗机歼-20公开亮相,引发了军迷界的狂欢。看到2架歼-20流畅自如地在空中执行各种机动动作的场面,没有任何人能否认,中国已经是世界最顶尖的航空强国之一。
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在歼-20加力全开时,它尾部的发动机喷口会喷射出炫目的尾焰,昭示着它强悍的性能。
不过可能很多人还不知道,虽然外界公认中国航发是歼-20提升战斗力的最大痛点,但在40多年前,中国人发明的一项燃烧技术,解决了困扰美国航发领域多年的难题。
困扰科学家的燃烧问题
自1903年莱特兄弟发明飞机以来,它很快就在一战、二战中得到了军事应用,战斗机、轰炸机等机型被接连开发出来。
但二战结束之前,人们很快发现螺旋桨飞机的性能遇到了瓶颈--受限于的桨尖达到音速时,其转速和推力都会受到巨大阻力的影响,螺旋桨战斗机几乎无法实现传说中的“超音速”。
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为了克服螺旋桨飞机的局限,人们根据牛顿第二原理发明了使用反作用力为推力的喷气式发动机。它可以借助吸气与燃料燃烧的循环动作,产生稳定推力。
不过,人们注意到早期的喷气式飞机仍然距离超音速飞行有一段距离,因此对喷气式发动机的改良开始了。
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按照牛顿第二定律对反作用力的描述,只要喷气式发动机喷出的气流足够强大,那么飞机获得的动力就越强大,从而让飞机获得达到超音速的条件。于是科学家们为早期的喷气式发动机添加了一个加力燃烧室。
这个新添加的加力燃烧室可以借助发动机喷出的高温气体点燃航空煤油,从而获得一股额外的喷气,使发动机在极短时间里发挥出优秀的加速性能。
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然而,当科学家们将这种纸面上的设想化为现实后,才发现事情比想象中复杂得多。当发动机打开加力时,加力燃烧室既要承受前方发动机产生的极高温气体(至少在400摄氏度以上),同时还要承受燃油二次燃烧带来的冲击力变化。
在这种复杂恶劣的条件下,加力燃烧室内部的气流运动毫无规律,经常导致发动机工作效率大幅下滑、动力出现损失。
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中国科学家的答案
有没有一种办法解决加力燃烧室内部气流紊乱、稳定性差的问题?对此,各个航天强国们都紧锣密鼓地开始了自己的研究。
苏联科学家研发出了一款V型火焰稳定器,用于解决喷气式发动机推力不稳的缺陷。虽然它的效果并不算特别出色,但有总比没有好,因此美、英均模仿了苏联的V型火焰稳定器用于自己的航空发动机。
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上世纪60年代,美国NASA发表论文,提出了新的观点。他们认为自然界中沙丘保持流体稳定的特性值得研究,或许可以为航发稳定性提供新的思路。但由于思路局限,因为NASA的科学家们并未从中提取到有使用价值的科研思路。
中国科学家也对这一前沿技术领域作出了自己的思考,其中代表人物便是北京航天航空大学的研究生高歌。
他的思路和NASA不谋而合,也认为自然界沙丘保持流体稳定的例子具有科研价值,但高歌的思路更加开阔,他把方向确定在了三维问题的流场分析上,这在上世纪的七八十年代还是一个陌生领域。
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鉴于三位流场分析是一项具有繁重计算量的研究科目,而中国的超级计算机技术此时还远未成熟。因此高歌发挥个人天赋,在2个月后优化了流场分析的算法,将原本需要超算工作1年时间的计算量压缩到了普通计算机仅用2个小时就可以完成的计算量。
简化计算量后,高歌的研究工作开始突飞猛进,此时他将主要精力用在了模型构建上。经过1年半的艰辛工作,高歌终于构造出了符合现实试验的模型,解决了困扰世界空气动力学百年之久的“漩涡旋转特性”问题。
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中国技术创新走在世界前列
中国科学家高歌通过自己构建出的数学模型,设计出了一套与传统V型火焰稳定器完全不同的沙丘驻涡火焰稳定器,这一年他只有33岁。
据高歌介绍,他发明的这款沙丘驻涡火焰稳定器可以有效稳定加力燃烧室内部的气流情况,大幅提升喷气式发动机的稳定性与寿命。
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高歌的发明引发了国内外轰动。在国际上,美国NASA科学家布伦斯承认,中国的这款沙丘驻涡火焰稳定器“达到了美国此前从未到达的技术高度”,是一项极其杰出的发明。国家也为了表彰高歌的这项科研成果,于1984年授予高歌国家发明一等奖。
可以说,高歌这项发明于40多年前的经典技术直到今天都在世界范围内得到了广泛应用。在2005年设计定型的涡扇-10A“太行”发动机内部,就有使用同款原理的火焰稳定器用于增强航发稳定性,提高燃烧效率。
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2006年,搭载国产航发涡扇-10A的歼-11B成功试飞,标志中国在航发领域迈出了极为关键的一步。
此后,涡扇-10系列航发相继研发出了B、C两款改进型号,它们分别应用在歼-10C、歼-16以及歼-20这三款中国空军主力机型上。从这个角度来讲,高歌是保送“空军三剑客”翱翔蓝天的重要功臣。
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