最優雅又最野蠻的動力——SR71黑鳥的心臟普惠J58

SR71黑鳥（1964年首飛）和它的前身A12牛車（1962年首飛）承載了太多人類航空史上的傳奇，直到今天還保持著多項世界紀錄，它的外形即使在50多年後的今天看也非常科幻就像來自外星。它身上每一個細節都是工程學傑作，在這我只講一下它的動力普惠J58，渦噴衝壓變循環發動機，這也是人類首次實踐應用變循環航發。

渦噴發動機原理

渦噴發動機是最簡單最基礎的噴氣發動機，工作原理很簡單，就是把空氣先吸進來，再對其加壓，噴油燃燒，用高溫高壓的氣體推動渦輪（此渦輪所做的功來驅動壓氣機）。再把高速的氣體噴出去形成推力。

衝壓發動機

衝壓發動機表示不服，我才是最簡單的噴氣發動機！當飛機在超音速飛行時，進氣錐會形成激波，空氣被激波劇烈壓縮，導致根本不需要經過壓氣機的壓縮就可以直接點燃，再通過收斂擴張超音速噴嘴把燃燒產生的熱量轉化為動能，形成推力。因為沒有壓氣機的存在，所以也不需要有渦輪機來推動壓氣機了，這極大幅提高了發動機熱機效率，遠遠超過渦輪噴氣發動機。

它的工作前提當然是必須要超音速形成激波，所以要想用衝壓發動機做動力，就必須要有額外的動力（比如火箭發動機）來完成靜止到超音速的加速，或者由超音速飛行器帶它到超音速狀態再釋放獨立飛行。

激波可以被粗分為兩種：

正激波（Normal shock wave），氣流被劇烈壓縮和減速至亞音速，壓力驟增。

斜激波（oblique shock），經過斜激波壓縮的氣流會被減速但依舊是超音速狀態。

以上是幾種超音速進氣錐構型，其中a是單正激波進氣，直接一個正激波暴力的把超音速氣流直接壓縮成亞音速。總壓損失會非常大。b為一個由進氣錐拉出的斜激波先把超音速氣流一定程度減速壓縮成慢一些的超音速氣流，再由一個正激波壓縮成亞音速氣流。

但是b-e構型進氣錐都有一個問題，就是當飛行速度低於設計速度時，第一道斜激波不會正好貼到進氣唇部而是高於進氣道唇部，這樣都會降低進氣量。

於是工程師們設計了這個中心體移動超音速進氣錐，當飛行速度小於設計速度時，第一道斜激波角增大，但是中心體向後收縮，將這個大角度斜激波還是貼在進氣道唇部，進氣面積被恢復到最大，跟設計飛行速度時一樣。

黑鳥的發動機J58本體

好了終於可以開始說正事了。上圖就是本文主角J58的真身了，最顯眼的是它的三根粗管子，其實另外一側還有三根，一共六根。它們就是變循環的核心。

當黑鳥的飛行速度低於音速時，變循環管道是關閉的，它工作起來就像一個普通的帶加力燃燒室的渦噴發動機。吸氣，壓縮，燃燒，推動渦輪，在加力燃燒室二次燃燒，噴氣。

當黑鳥超音速飛行時，變循環管道會根據飛行速度將核心氣流從渦輪壓氣機中部抽出（越快抽的越多），在加力燃燒室前部直接注入。

當黑鳥在極速3.2倍音速（或者說馬赫）巡航時，絕大部分的壓氣工作都是由超音速進氣道完成的，絕大部分氣流都是經由變循環管道直接被注入加力燃燒室而不經主燃燒室，這極大幅提高了燃油效率，這也就是為什麼黑鳥在極速飛行時反而最省油。如下圖所示，超音速進氣道可以提供39倍壓比，要知道CFM的商發Leap整機才40倍壓比！而此核心氣流再經由壓氣機壓縮達到了喪心病狂的112倍總壓比！（關於Leap的具體技術請移步：淺談新一代窄體客機動力明星，PW1000G與Leap）

而加力燃燒室在極速飛行時相當於一台衝壓發動機的主燃燒室，而它在非極速時是渦噴發動機的加力燃燒室，J58可以在兩種工況之間根據飛行速度無級切換。而跟普通帶加力燃燒室渦噴發動機不同的還有一點，J58的加力燃燒室會在整個飛行過程開啟。

J58的氣流管理系統

除了變循環管道以外，普惠的工程師做了非常複雜又極其高效的氣流管理系統。

首先J58的進氣錐可以前後移動66厘米，來配合不同飛行速度。（中心體移動超音速進氣錐，就是上文提到的原理）

此外普惠的工程師做了一個極其天才的設計，我當時看到這的時候簡直被醍醐灌頂。

J58的進氣錐最粗處，開了一圈網狀吸氣孔，在這個位置把超音速流體的附面層吸出，然後再通過內道在進氣道尾部向環境中排出，否則這裡由於氣流太快會形成非常大的分離氣團，這會極大影響此處激波組合，降低進氣道壓縮效率。

而在黑鳥起飛時，由於沒有超音速激波壓縮進氣，導致進氣量非常低，這個神奇的氣道反過來工作，從環境額外吸氣，通過附面層抽吸的網狀孔將額外的空氣注入核心氣流，增大了進氣量！

除此以外J58還有在起飛工況下額外的進氣開口，以及收斂擴張尾噴的冷卻進氣口，但是這些和別的超音速飛機發動機相比也沒有額外的特別之處，在此不再贅述了。

關於題圖

飛機在以超音速飛行時，其實是不一定能噴出馬赫環的，當噴口壓力和外界壓力一樣，噴氣不會被壓縮或擴張，所以不會出現連續的馬赫環（規律的亮斑）。

可變截面收斂擴張噴嘴雖說可以調整噴口壓力，但是調節範圍有限，當高速飛機的發動機在地面試車時，環境壓力遠高於最高噴口壓力，超音速尾氣就會被壓縮，再擴張再壓縮再擴張，就會形成規律等距的亮斑。（這個原理還是比較複雜，在這就不詳細介紹了）

寫在最後

雖然J58的工程學難度要遠低於自適應變循環（AVET項目）甚至通用電氣YF-120，但是要知道這是在1958年第一次試車的發動機，距離人類實踐噴氣飛行才短短的十幾年，那時人類對於超音速流體的理解，對材料的理解，加工能力跟現代科技不可同日而語。即使在FEM，CFD和超級計算機普及的今天，黑鳥還是獨一無二的存在。

我愛黑鳥，我愛J58，希望你也能愛上它。

歡迎指正，補充！

再給自己最用心寫的但是沒人看的回答打個硬廣告，盧西：真正支持十字軍東征的動力是什麼？