來源：中國軍網(wǎng)-解放軍報 責(zé)任編輯：孫智英 發(fā)布：2025-06-13 06:56:07
進(jìn)氣道：戰(zhàn)機(jī)“呼吸系統(tǒng)”演變史
■張小博 馬海航 朱鵬豪
當(dāng)一架戰(zhàn)機(jī)以超音速的速度呼嘯而過時，或許很少有人會注意到機(jī)身上那些形狀各異的“大嘴”——進(jìn)氣道。
正是這些看似簡單的開口，承載著人類超越速度的智慧。作為發(fā)動機(jī)的“呼吸系統(tǒng)”，進(jìn)氣道肩負(fù)著在戰(zhàn)機(jī)高速飛行中捕獲空氣、馴服激波等重任，其性能優(yōu)劣直接決定戰(zhàn)斗機(jī)的速度極限、機(jī)動能力與隱身性能。
進(jìn)氣道設(shè)計技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，不僅推動了航空技術(shù)的進(jìn)步，也見證了人類對速度與效率的不懈追求。
本期，讓我們一起回顧戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道的演變史，看看它如何從一個普通的空氣通道，一步步演變?yōu)槿缃裰悄芨咝У摹昂粑到y(tǒng)”。
F-35戰(zhàn)機(jī)（上）和F-22戰(zhàn)機(jī)（下）進(jìn)氣道的設(shè)計不同。供圖：陽明
亞音速時期的經(jīng)典布局
戰(zhàn)機(jī)進(jìn)氣道的誕生，離不開第一架噴氣式飛機(jī)的問世。
從飛機(jī)誕生之日起，提高飛行速度、飛行高度和載重量就一直是人們研制新飛機(jī)所追逐的目標(biāo)。然而，到了20世紀(jì)30年代，飛機(jī)的速度一直徘徊在每小時700千米左右，這差不多是裝有活塞式發(fā)動機(jī)和螺旋槳的飛機(jī)的極限。用蘇聯(lián)著名飛機(jī)設(shè)計師雅科夫列夫的話說，飛機(jī)速度的突破已經(jīng)到了“山窮水盡”的地步。
噴氣時代的到來，使飛機(jī)的發(fā)展“柳暗花明”。噴氣時代的標(biāo)志，便是用渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)作為新型動力裝置。
渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)的原理為：空氣從飛機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)入發(fā)動機(jī)，先經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室與燃料混合燃燒；膨脹的燃?xì)膺M(jìn)入渦輪并推動其旋轉(zhuǎn)，使與渦輪同軸的壓氣機(jī)正常工作；從渦輪流出的燃?xì)饨?jīng)尾噴管膨脹后向后高速噴出，從而產(chǎn)生巨大的反作用力推動飛機(jī)前進(jìn)。
1939年，世界上第一架噴氣式飛機(jī)——HE-178首飛成功。隨著越來越多的噴氣式飛機(jī)翱翔藍(lán)天，科研人員不得不面對一個全新的挑戰(zhàn)：飛行的速度越來越快、飛行高度越來越高，如何保證飛機(jī)不受飛行環(huán)境的影響，仍能自由順暢地工作？
在這樣的背景下，進(jìn)氣道的作用凸顯出來。
戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)如同一個高速運(yùn)轉(zhuǎn)的熔爐，需要持續(xù)、穩(wěn)定且足量的空氣作為原料。打個比方，這就像運(yùn)動員在高原跑步，盡管體能訓(xùn)練得很好，但是氧氣不足，還是會在跑步時感覺力不從心。
而進(jìn)氣道，正是為發(fā)動機(jī)運(yùn)輸這些空氣原料的通道。
作為連接飛機(jī)外部氣動環(huán)境與發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒過程的關(guān)鍵橋梁，進(jìn)氣道的設(shè)計是空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)等的綜合體現(xiàn)。
一方面，在戰(zhàn)機(jī)起飛、爬升等狀態(tài)下，進(jìn)氣道盡可能平穩(wěn)地將大量空氣運(yùn)輸至發(fā)動機(jī)燃燒室，發(fā)動機(jī)燃燒燃料時需要大量氧氣，這些氧氣就來自進(jìn)氣道吸入的空氣；另一方面，進(jìn)氣道能在戰(zhàn)斗機(jī)不同的飛行狀態(tài)下，提供發(fā)動機(jī)所需要的精確空氣流量，保證噴氣式發(fā)動機(jī)中壓氣機(jī)部件能夠穩(wěn)定工作。如果空氣流量不足，這會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)推力下降甚至熄火，而流量過大則可能造成阻力增加或發(fā)動機(jī)喘振。
在亞音速時代，戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道總體呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕便、制造簡單的特點(diǎn)：為了減小阻力，進(jìn)氣道內(nèi)部的設(shè)計盡量保持平直，減少彎折，最大程度減小氣流摩擦和分離帶來的能量損失。
進(jìn)氣道入口邊緣設(shè)計得圓潤厚實，圓鈍的邊緣能平穩(wěn)地引導(dǎo)氣流，避免在戰(zhàn)機(jī)起飛等大功率狀態(tài)下，氣流在入口處發(fā)生分離，發(fā)動機(jī)“喘不上氣”……
一般而言，亞音速進(jìn)氣道主要有兩種經(jīng)典布局——
機(jī)頭式進(jìn)氣道。這是亞音速時代最為普遍的一種進(jìn)氣道設(shè)計方式。進(jìn)氣道位于戰(zhàn)斗機(jī)最前端，正對氣流方向，運(yùn)輸空氣的路徑短，效率高。在所有飛行姿態(tài)下，發(fā)動機(jī)都能獲得持續(xù)均勻的空氣供應(yīng)。
在采用該布局的戰(zhàn)機(jī)中，其中較為著名的代表機(jī)型是蘇聯(lián)的第一架噴氣式戰(zhàn)機(jī)米格-9。
該戰(zhàn)機(jī)將進(jìn)氣道布設(shè)在飛機(jī)頭部，能夠獲得平順充足穩(wěn)定的氣流，保證發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣效率，避免其喘振停車，使發(fā)動機(jī)發(fā)揮出最好的性能。
不過，這一布局方式使飛機(jī)無法在機(jī)鼻安裝大型雷達(dá)。此外，如果遇到特殊情況飛機(jī)極端抬頭，氣流可能無法順暢地進(jìn)入進(jìn)氣道。
機(jī)身兩側(cè)進(jìn)氣道。隨著發(fā)動機(jī)推力不斷增大，進(jìn)氣道的長度不再是主要考慮因素，進(jìn)氣道逐漸從機(jī)頭位置向后移動。
機(jī)身兩側(cè)進(jìn)氣道通常位于駕駛室后方，位于機(jī)身中部或者前機(jī)身兩側(cè)。
此時發(fā)動機(jī)多采用后置方案安裝在機(jī)身尾部，座艙也可以前移至機(jī)頭，使得整個戰(zhàn)機(jī)的氣動外形更加流線化，提升了戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)動性。例如采用了該種進(jìn)氣道的米格-15戰(zhàn)斗機(jī)，憑借優(yōu)異的機(jī)動性在抗美援朝戰(zhàn)場上大放異彩，開辟出享譽(yù)戰(zhàn)史的“米格走廊”。
亞音速時代的進(jìn)氣道以簡潔、高效、可靠的特點(diǎn)，服務(wù)于噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的“童年期”。然而，當(dāng)飛行員們渴望突破音障，追求更高速度時，簡單的亞音速進(jìn)氣道變得力不從心：當(dāng)戰(zhàn)機(jī)接近或超過音速時，進(jìn)氣道前方會產(chǎn)生強(qiáng)烈的正激波。
挑戰(zhàn)催生變化。在這一背景下，性能更為多樣的超音速時期的進(jìn)氣道應(yīng)運(yùn)而生。
超音速時期的簡約設(shè)計
到了20世紀(jì)五六十年代，超音速戰(zhàn)機(jī)逐步成為空戰(zhàn)場上的主角。
為了滿足不同飛行速度下發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量需求，超音速時期的戰(zhàn)機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計也隨之做出了改變：進(jìn)氣道增加了相應(yīng)的空氣流量調(diào)節(jié)裝置。
這一調(diào)節(jié)裝置，可以類比為人們通過調(diào)節(jié)呼吸，以滿足身體氧氣需求的過程。
按照調(diào)節(jié)裝置形狀的不同，超音速戰(zhàn)機(jī)最早裝備的進(jìn)氣道，一般可以分為兩種——
錐體調(diào)節(jié)式進(jìn)氣道。這種進(jìn)氣道的中心有一個尖錐，在調(diào)節(jié)裝置的驅(qū)動下可以前后移動，改變進(jìn)氣道與尖錐之間的進(jìn)氣面積，進(jìn)而改變進(jìn)氣道的進(jìn)氣量。
采用這種進(jìn)氣道的典型代表是美國的SR-71“黑鳥”偵察機(jī)。憑借飛行速度達(dá)到3馬赫、飛行高度達(dá)到30000米，該偵察機(jī)成為冷戰(zhàn)時期美國執(zhí)行偵察任務(wù)的利器。
斜板調(diào)節(jié)式進(jìn)氣道。這種進(jìn)氣道布局了一片或多片傾斜的矩形板，工作原理與錐體調(diào)節(jié)式類似，通過斜板的上下移動來改變進(jìn)氣道的進(jìn)氣量。
采用這種進(jìn)氣道的典型代表是俄羅斯的蘇-27“側(cè)衛(wèi)”戰(zhàn)斗機(jī)。該戰(zhàn)機(jī)憑借優(yōu)異的氣動性能、近戰(zhàn)格斗性能，成為俄羅斯戰(zhàn)機(jī)設(shè)計史上一顆耀眼的明星。
與亞音速時期的進(jìn)氣道相比，超音速時期的這些調(diào)節(jié)式進(jìn)氣道，解決了戰(zhàn)機(jī)在超音速飛行時氣流速度不穩(wěn)定和壓力過大等問題，但與之相應(yīng)，調(diào)節(jié)裝置也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大、故障率高等新的問題，增加了戰(zhàn)機(jī)維護(hù)保障的工作量。
后來，得益于計算流體力學(xué)（CFD）和試驗技術(shù)發(fā)展，研究人員設(shè)計出了既滿足超音速飛行時的氣流要求，又不需要調(diào)節(jié)裝置的進(jìn)氣系統(tǒng)——這就是目前最先進(jìn)的第三代進(jìn)氣道。
一般而言，第三代進(jìn)氣道主要包括后掠雙斜面（CARET）超音速進(jìn)氣道和無附面層隔道（DSI）超音速進(jìn)氣道。
應(yīng)用雙斜面超音速進(jìn)氣道的代表戰(zhàn)機(jī)，是世界上第一款五代機(jī)——美國F-22戰(zhàn)機(jī)。該進(jìn)氣道利用相關(guān)技術(shù)設(shè)計出2個三維斜面，沿著進(jìn)氣道的分布合理分配氣流速度，進(jìn)而使超音速氣流以較小的損失減速至亞音速氣流。
應(yīng)用無附面層隔道超音速進(jìn)氣道的代表機(jī)型，則是美國的另一款五代機(jī)——F-35戰(zhàn)機(jī)。在設(shè)計時，該進(jìn)氣道進(jìn)口處設(shè)有一個“鼓包”，這個“鼓包”既可以將超音速氣流以較小的損失降為亞音速氣流，還可以將低速的空氣“推離”進(jìn)氣口，保證后方發(fā)動機(jī)高效工作。
值得注意的是，這兩種進(jìn)氣道雖然設(shè)計結(jié)構(gòu)不同，但均具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、工作穩(wěn)定可靠、迎風(fēng)阻力小、隱身效果好、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，成為當(dāng)前戰(zhàn)機(jī)進(jìn)氣道發(fā)展的主流方向。
更智能高效的發(fā)展方向
戰(zhàn)機(jī)進(jìn)氣道不僅僅是一個簡單的空氣“入口”，更是飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、安全工作的核心關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。
隨著航空技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，寬速域、廣空域、高智能、強(qiáng)隱身戰(zhàn)機(jī)或?qū)㈥懤m(xù)邁上航空舞臺。作為飛機(jī)的“呼吸系統(tǒng)”，進(jìn)氣道的未來發(fā)展也必將與之契合，向著更加智能高效的方向不斷前行。
一是高超音速進(jìn)氣道。
在航空領(lǐng)域，高超音速飛行一般指速度超過5倍音速的飛行。高超音速飛行條件下，進(jìn)氣道需要通過復(fù)雜的氣動設(shè)計來實現(xiàn)超高速氣流的低損失減速，同時，進(jìn)氣道的材料和結(jié)構(gòu)還需具備承受高溫高壓的能力。
例如，美國X-43A無人飛行器在試飛中創(chuàng)造了9.7馬赫的飛行速度，這一次試飛，為飛行器開展寬速域發(fā)動機(jī)應(yīng)用和未來更高馬赫數(shù)下進(jìn)氣道的技術(shù)探索，都提供了啟示。
二是高智能化進(jìn)氣道。
隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，未來的進(jìn)氣道也有望變得更智能。當(dāng)傳感器實時監(jiān)測到進(jìn)氣口的氣流狀態(tài)和發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，利用人工智能與控制技術(shù)，系統(tǒng)可以同步開展智能化進(jìn)氣道設(shè)計，實時、精確、智能地調(diào)整進(jìn)氣道的幾何形狀，自動優(yōu)化氣流分布，以更好地滿足寬速域、廣空域下進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)的“相容性”，幫助發(fā)動機(jī)更高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。
三是高隱身化進(jìn)氣道。
在未來戰(zhàn)場上，戰(zhàn)機(jī)進(jìn)氣道的隱身性能同樣重要。隨著雷達(dá)隱身技術(shù)成為現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的關(guān)鍵需求，進(jìn)氣道設(shè)計成為降低雷達(dá)反射截面積的重點(diǎn)。
據(jù)悉，通過持續(xù)優(yōu)化進(jìn)氣道空氣動力學(xué)特性，引入等離子體等先進(jìn)隱身技術(shù)最新研究成果，研究低散射率的新型材料和結(jié)構(gòu)，未來或能在實現(xiàn)輕量化設(shè)計的同時不斷提升進(jìn)氣道的隱身能力，拓展戰(zhàn)機(jī)的戰(zhàn)場生存力。例如，近期受關(guān)注的美國六代機(jī)F-47，或以其先進(jìn)的進(jìn)氣道隱身設(shè)計，推動整個戰(zhàn)機(jī)隱身性能的提升。
從亞音速進(jìn)氣道到超音速進(jìn)氣道，再到未來滿足各種極限要求的智能化進(jìn)氣道，戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道正朝著更高性能、更隱身化、更輕量化等方向發(fā)展，以滿足未來先進(jìn)航空飛行器和空天飛行器的需求。
