為什麼米格-21戰鬥機前方有個凸出的錐體?

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這個錐形體主要用來調整不同速度下的進氣量,在超音速狀態下對空氣進行減速、壓縮,使進氣道的空氣流速與發動機工作狀態相匹配,從而使飛行器能夠在高空以較高的馬赫數飛行。

調節錐的結構,可以看到通過動作筒實現向前或向後的運動


錐形進氣道是可調隔板進氣道出現之前,各航空大國普遍應用在戰鬥機上的設計,並非是蘇制飛機的專利。除蘇-7,Mig-21外,美國的F-104,SR-71,法國的幻影-1,幻影-2000,幻影4000等多款戰鬥機都採用了錐形進氣道,只不過由於這些飛機採用兩側進氣,錐體並不在機頭部。

幻影4000,幻影2000,SR-71,F-104等多款西方陣營的飛機同樣採用錐形進氣道,應用非常廣泛

那麼進氣道為啥要有一個錐體?這要引入一個重要概念,激波(shock wave)。

如圖是飛機在不同速度下機械波(聲音)的傳播。在飛機<1馬赫時,飛機頭部隊空氣的擾動產生的震動傳播大於飛機速度,此時波的傳播方向是朝向四面八方的;而當飛機的飛行速度超過音速,此時擾動波傳播速度小於飛機速度,先產生的擾動波將與後續產生的擾動波疊加,對空氣產生強烈的壓縮,將形成激波。當飛機馬赫數大於1時,擾動波的波陣面相對於飛機是一個圓錐形的形狀。

高速照相機拍攝到子彈產生的激波

由於渦輪發動機有嚴格的工況,要求進氣速度必須降到亞音速狀態,而超音速狀態下由於空氣的速度非常快,極易與發動機進氣渦輪失配造成空中停車。錐形進氣道正是利用了這一原理,在錐尖開始產生斜激波,波陣面與空氣運動方向不垂直,使空氣能夠沿著錐面向後運動,而在第二個錐面產生正激波,波陣面垂直空氣運動方向,對空氣進行壓縮和減速。在渦輪風扇發動機成熟之前,這個錐體有效充當了壓氣機的角色,飛機飛行速度越快,壓氣效率越高,因此這樣的衝壓渦輪發動機非常適合用於高空高速飛行的飛行器上,比較有代表性的就是美國的SR-71黑鳥——一種可以以3倍音速飛行的飛機。

而米格-21採用此技術後,飛行速度也輕鬆突破了2倍音速。不過這種機頭進氣的方式最大的缺點就是沒辦法在錐體裡裝雷達,或者只能裝個很小的雷達,因此嚴重製約了戰鬥機的作戰能力。對於蘇聯來講,米格-21不過是一種可消耗的廉價戰術飛機,因此還不太重視,但北約歷來非常重視雷達在戰機上的應用,因此F-104以及後來的幻影系列紛紛採用的是兩側進氣,這也是為什麼我們印象裡機頭有個圓錐是蘇制戰機的一大特點。

這種設計在我國殲7的研製過程中被原樣不動的照搬了。而殲八早期型號也同樣採用了這種進氣方式。不過我國航空設計師也意識到了這個問題,在殲7後期型號和殲八上採用了直徑更大的錐體,裝上了自己研製的雷達/測距器。不過性能依舊捉急,總體水平還停留在西方60年代水平。


紙上的宣仔


學名叫做激波錐,一些超音速飛機和導彈的組成部分。除了蘇制米格-21和蘇-7戰鬥轟炸機外,英國電氣閃電、TSR-2、達索幻影、SR-71“黑鳥”、B-58“盜賊”等機型都是類似設計。進氣錐的主要目的是在空氣進入發動機前將其從超音速減速至亞音速。除了超燃衝壓發動機(進氣流速超過音速)之外,所有的噴氣發動機都需要亞音速氣流才能正常工作,且需要散流器防止發動機內部的超音速氣流。無論是機頭進氣的米格-21、蘇-7,還是SR-71、B-58,道理都是一樣的,即:減緩和壓縮超音速氣流,令發動機能夠更好的“消化”。這個錐體並非靜止的,而是可以根據飛行速度前後進行移動以適應不同速度下的進氣量需求。 伴隨著技術的發展,三代戰鬥機對進氣要求越發嚴格,這種氣流調節裝置也無法滿足戰鬥機高機動性的要求,再加上機頭進氣錐不利於電子設備的安裝,因此後續的戰鬥機已經不再採用了。比如米格-25、F-15採用了楔形進氣道,利用楔形尖部的壓縮斜板頂端產生一道斜激波,對越過氣流進行減速和增壓。。




凌亂的單調


這個所謂的凸出的錐體,標準叫法應該是“進氣錐”,只要是超音速戰鬥機都有這個設備,從早期的“圓錐、半圓錐”到後期的“楔形進氣道”,只是氣動造型各不相同而已。

對於噴氣發動機而言,進入進氣道的氣流必須是亞音速的,超音速氣流直接進入,將導致發動機喘振或停車。因此,超音速戰鬥機進氣道除正常進氣外,還有一個調速氣流速度的任務,這個任務就是由“進氣錐”完成的。

當超音速氣流進入進氣道,由“進氣錐”來壓縮空氣產生“激波”,氣流在穿過“激波”之後,溫度壓強增加,速度下降。根據飛行馬赫數的變化,通過“圓錐”的前後伸縮調節來產生“激波”。

題目中提到,圓錐形激波錐是不是蘇式戰機的特色,其實世界各國都有采用。只是以米格-21這種機頭進氣方式,會造成大功率雷達無法安裝,機體設計受限,對於以後的改進造成很大障礙。所以各國後續戰機陸續拋棄這種設計。列舉一些採用類似設計機型:法制幻影系列、英國閒電、美國SR-71、蘇聯米格21、蘇22等。


河東三叔


這個東西叫進氣錐(減震錐),其存在的主要目的是在超音速的狀態下將機頭的超音速氣流減速到亞音速氣流,以供應飛機發動機的進氣需求。

而這個進氣錐是可以隨飛機速度前後移動的,用來控制進氣的速度。在超音速下飛機產生的音錐在2-3馬赫左右將會在飛機的進氣錐附近產生空氣流出的現象,導致發動機進氣不順或是發動機減小功率,進氣錐的前後移動也是為了控制氣流的流動。速度越快,進氣錐越靠後。

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SU20

當然機鼻的設計按照空氣動力學來說最佳的是流線型,由於製造的原因,進氣錐的形狀做成了簡單的圓錐型,在進氣錐被移到進氣道之後,機鼻的形狀漸漸圓潤,內部的空間也越來越大。形狀也越來越接近於流線型。不過由於隱身的要求,機鼻也變得稜角分明瞭起來。

左為進氣溢出

進氣錐內部其實是空的,其中還有雷達,不過體積受限於進氣錐的大小所以一般都不能做的很大,而由於空戰裡雷達的重要性,雷達越造越大,進氣錐也慢慢的裝不下這麼大的雷達了,所以機頭內部現在多是雷達等電子設備,進氣口則移到了機身兩側,而進氣錐的形狀也相應變成了半錐,直到飛機氣動設計的進步,現代的DSI進氣道已經讓進氣錐的功能融入到了機身氣動之中。減少的運動機構也成功的使結構和重量得以優化。所以進氣錐的設計變得越來越少了。

D21B

不過在高超音速的導彈或是飛行器上依然還是可以看到這種設計,因為這種結構能夠有效的壓縮空氣,所以有些發動機也可以看到這種進氣錐,所以SR-71這種採用了渦噴發動機的高速怪物的進氣錐就非常明顯。

SR71


軍情解析


這個學名叫做機頭進氣錐/進氣調節錐/激波錐,一些超音速飛機和導彈的組成部分。除了蘇制米格-21和蘇-7戰鬥轟炸機外,英國電氣閃電、TSR-2、達索幻影、SR-71“黑鳥”、B-58“盜賊”等機型上也有類似設計。

米格-21

進氣錐的主要目的是在空氣進入發動機前將其從超音速減速至亞音速。除了超燃衝壓發動機(進氣流速超過音速)之外,所有的噴氣發動機都需要亞音速氣流才能正常工作,且需要散流器防止發動機內部的超音速氣流。無論是機頭進氣的米格-21、蘇-7,還是SR-71、B-58,道理都是一樣的,即:減緩和壓縮超音速氣流,令發動機能夠更好的“消化”。這個錐體並非靜止的,而是可以根據飛行速度前後進行移動以適應不同速度下的進氣量需求。

F-111

幻影III

當然了,機鼻往往被用於安裝雷達,米格-21的進氣錐算是承擔了雙重責任,不過機頭進氣的缺陷也限制了雷達的體積,而且浪費了空間。不同類型的飛機進氣錐不同,F-104、幻影III算是半椎體;F-111則是四分之一錐體。SR-71、B-58發動機安裝在機翼部位,和米格-21的情況又有些不同。伴隨著技術的發展,戰鬥機對進氣要求越發嚴格,這種氣流調節裝置也無法滿足戰鬥機高機動性的要求,再加上機頭進氣錐不利於電子設備的安裝,因此後續的戰鬥機已經不再採用了。比如米格-25、F-15採用了楔形進氣道,利用楔形尖部的壓縮斜板頂端產生一道斜激波,對越過氣流進行減速和增壓。

SR-71


攔阻著艦


那個錐體叫進氣錐,是超音速進氣道調節進氣口大小的裝置。還使空氣從超音速降低到亞音速。

亞音速飛行時,發動機需要的進氣量少,空氣流速慢。空氣在進氣道內壓縮率不大。

超音速飛行時,飛機發動機需要的空氣多,但是空氣流速大,在進氣道內壓縮率高。此時要限制空氣流入,就要減小進氣口面積。


天明遙遙山海關


英國閃電戰機也有,怎麼能只算蘇制戰機的特點


二馬赫


因為如果沒有,你又會問為什麼沒有!


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調節進氣量。


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