渦軸發(fā)動機的進氣系統(tǒng)工作在由直升機誘導(dǎo)的上下游氣動環(huán)境中，不同工況下直升機的飛行來流與旋翼下洗流相疊加，給進氣系統(tǒng)形成復(fù)雜的上下游條件并對發(fā)動機性能產(chǎn)生重大影響。傳統(tǒng)進排氣系統(tǒng)的設(shè)計理念和設(shè)計方法已難以適用現(xiàn)代戰(zhàn)場的復(fù)雜性和執(zhí)行任務(wù)的多樣性，有必要開展渦軸發(fā)動機與直升機的一體化設(shè)計。

渦軸發(fā)動機的進氣機匣與直升機的進氣道相連，發(fā)動機排氣管與直升機的排氣混合管相連，直升機進排氣系統(tǒng)的流動損失、流場畸變會直接影響渦軸發(fā)動機的實際功率大小乃至工作穩(wěn)定性。研究表明，當進氣道的總壓損失下降1%，發(fā)動機的功率下降將超過1%；同時，當進氣道出口畸變指數(shù)超過一定程度時，將會使得壓氣機的工作效率大大降低，進而導(dǎo)致發(fā)動機輸出功率的急劇下降，甚至可能對發(fā)動機的穩(wěn)定工作產(chǎn)生較大幅度的危害。直升機進排氣系統(tǒng)的設(shè)計雖然可以借鑒固定翼飛機的設(shè)計經(jīng)驗，但有著自己獨特的方面。直升機工作的環(huán)境與固定翼飛機不同，飛行姿態(tài)也更多，同時為了兼顧外物排除，其設(shè)計方案多種多樣，主要涉及以下幾種關(guān)鍵技術(shù)問題。

渦軸發(fā)動機安裝位置優(yōu)化

渦軸發(fā)動機安裝位置的選擇，對直升機/渦軸發(fā)動機一體化是最為重要的。它不僅對直升機總體性能（如直升機系統(tǒng)布局、操縱性等）有重大影響，對進排氣系統(tǒng)也將產(chǎn)生巨大影響。發(fā)動機安裝位置的確定，需要考慮為數(shù)眾多的因素、經(jīng)過反復(fù)迭代才能得到各種飛行工況下全局最優(yōu)的設(shè)計。

一體化進氣系統(tǒng)的設(shè)計

一體化進氣系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵是要解決進氣道的安裝位置、進氣道的形式、口面的形狀、進氣道內(nèi)流道的形狀、防異物的考慮，以及在噪聲抑制或雷達信號抑制的需求下如何合理設(shè)計一體化進氣系統(tǒng)等幾個方面的問題。

對于進氣道的安裝位置，主要有前后、上下位置。當前，僅米-171、AW139 和卡-50等少數(shù)幾種直升機進氣口與旋翼轉(zhuǎn)軸徑向距離相對較遠，特別是前兩種直升機，其徑向距離甚至達到了旋翼半徑的1/3。一般布局形式下，直升機為避免旋翼下洗氣流的干擾，大部分直升機的進氣口與旋翼轉(zhuǎn)軸徑向距離較近，在1倍進氣口直徑以內(nèi)。在高度方向，多用途直升機的進氣口往往偏高，與槳葉平面距離較小；而對于武裝直升機則因為上方有塔座，進氣口離槳葉平面相對較遠，大多為進氣口直徑的2～3倍。對于后者，直升機機身對進氣口附近旋翼下洗流的干擾作用更加明顯。

對于進氣道形式，埋入式進氣道對于隱身和抗擊外物損傷有利，但是流場品質(zhì)相對較差。遮擋式進氣道可以提高進氣流量，改善流場品質(zhì)，但隱身性能較差。當采用帶外網(wǎng)罩（如圖1所示）進行異物清除的進氣系統(tǒng)時，進氣量和進氣系統(tǒng)流道內(nèi)的流場特性均受到外罩網(wǎng)的影響。孔隙率的大小、分布，以及外網(wǎng)罩的幾何特征，對進入進氣道的氣流總壓損失、畸變性能均會存在較大的影響。另外，為了有效地降低機體邊界層對進氣道的影響，可以采用分流隔道或者擾流器等流場控制措施。

圖1 帶外網(wǎng)罩的埋入式進氣道

對于進氣口布局方式，需注意進氣口位置的設(shè)置和進氣道唇口形狀的設(shè)計。進氣口的安裝位置是否會受到機體及其他結(jié)構(gòu)的影響、旋翼氣流是否會對機體本身產(chǎn)生不利的氣動干擾等方面因素均必須重點關(guān)注，特別是為了隱身和防外物吸入時尤其需要關(guān)注。進氣道唇口的形狀對亞聲速進氣道特別重要，尤其是埋入式進氣道。一般要求進氣道唇口具有良好的流線型，保證各種飛行姿態(tài)下進口處均有較為合理的流場，避免局部氣流分離。但是研究發(fā)現(xiàn)，目前的埋入式進氣道設(shè)計常常在側(cè)滑和大迎角下具有極為惡劣的進氣道流場品質(zhì)。這表明，此類進氣道在設(shè)計時不僅需要注意正常飛行狀態(tài)下的氣動性能，還需要考慮直升機機動飛行狀態(tài)時可能產(chǎn)生的不利影響。

進氣流道方面除了考慮發(fā)動機因素外，還需考慮將進氣道與異物分離器進行一體化設(shè)計。直升機進氣道的幾何形狀、動力裝置和異物分離器流道的幾何形狀、面積變化規(guī)律，均對異物分離和發(fā)動機供氣產(chǎn)生影響。如何更好地同時兼顧雙通道的流動，需要進行深入研究。

一體化排氣系統(tǒng)設(shè)計

排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較統(tǒng)一，基本上由轉(zhuǎn)接管加排氣管組成，根據(jù)需要可以加裝消聲器或紅外抑制器等設(shè)備，但是一體化的設(shè)計要求排氣口的位置需要與直升機布局協(xié)調(diào)。外伸的排氣口雖不會對機體產(chǎn)生較大影響，但是隱身和冷卻性能較差；與機體融為一體的排氣口可能導(dǎo)致排氣出口處的高溫燃氣與機體干擾，或影響冷卻空氣進氣。排氣口的位置還受到所處位置的影響，排氣系統(tǒng)的正常工作受到出口環(huán)境壓強的影響，必須確保在所有飛行工況下，排氣系統(tǒng)能正常工作。

排氣管道的設(shè)計必須具有適當?shù)牧魍娣e，能將尾氣充分排出，且具備氣動損失小、流通順暢等特點。根據(jù)飛機布局需要，可采用恰當?shù)霓D(zhuǎn)接段進行轉(zhuǎn)折過渡。轉(zhuǎn)接段的要點是不能有過大的流動損失特別是局部分離的出現(xiàn)，因為除了導(dǎo)致氣動性能損失，也將產(chǎn)生較大的噪聲。同時排氣管路也不能太長，因排氣管多為大型薄壁零件，過長將導(dǎo)致排氣管自身結(jié)構(gòu)振動大，進而會有產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險。排氣系統(tǒng)還必須具備冷卻和隔熱能力。排氣管的冷卻是為了降低直升機動力艙內(nèi)蒙皮、發(fā)動機電子元器件表面溫度，以及發(fā)動機滑油系統(tǒng)的溫度，由于艙內(nèi)被引射氣流與發(fā)動機排氣主流在飛機排氣管處相混合，因此，飛機混合管的設(shè)計對發(fā)動機排氣以及艙內(nèi)氣流的引射均有極其重大的影響；直升機排氣混合管的設(shè)計須與發(fā)動機排氣進行一體化設(shè)計；排氣管的隔熱是為了減少排氣管的熱量傳遞，降低機體或艙體內(nèi)的溫度。最常用的方法是采用隔熱罩將排氣管的外殼包住。

一體化紅外抑制設(shè)計

紅外抑制一體化設(shè)計需要根據(jù)具體的紅外抑制方式進行。例如，美國的“科曼奇”直升機采用的紅外抑制器是目前最成功的紅外抑制技術(shù)之一，如圖2所示?！翱坡妗敝鄙龣C將發(fā)動機排氣系統(tǒng)的噴口改為圓轉(zhuǎn)方，強化排氣氣流的旋流度，且可以將單噴口改為多噴口，進一步強化排氣混合；再通過二股冷空氣的吸入，與發(fā)動機排氣混合后，經(jīng)飛機排氣口排出。排氣口宜選擇在機體上部，旋翼下洗氣流可以進一步稀釋高溫燃氣的溫度。另一種常用的紅外抑制措施是“虎”直升機采用的波瓣噴管，如圖3所示。

圖2 “科曼奇”直升機的排氣裝置

圖3 “虎”直升機的排氣裝置采用波瓣噴管的紅外抑制器

噴流的紅外抑制措施已經(jīng)得到了廣泛的研究，但噴管壁面的紅外輻射方面的研究仍然不多，冷卻和隔熱仍是常用的方法。為了冷卻噴管壁面，通常在噴管外套有通風(fēng)罩，利用飛行中的沖壓或排氣引射，使通風(fēng)罩與外殼之間有冷氣流過。噴管的隔熱是防止或減少噴管的熱量傳向機體或機艙以降低溫度，最常用的方法是采用隔熱罩將噴管的外殼包住。無論何種噴管壁面熱防護方式，均對直升機總體性能和總體結(jié)構(gòu)有很大影響。

結(jié)束語

直升機進排氣系統(tǒng)與發(fā)動機一體化設(shè)計，不但可以降低發(fā)動機的安裝損失，還可以滿足直升機進氣異物的分離及隱身等多種設(shè)計約束，對提升直升機執(zhí)行任務(wù)的能力具有重要意義。發(fā)動機進排氣系統(tǒng)與直升機一體化設(shè)計需從渦軸發(fā)動機的安裝位置、一體化進排氣系統(tǒng)的設(shè)計和一體化紅外抑制器設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)問題開展深入研究。