破除唯发动机论——正确看待飞机发动机和整体的关系

破除唯发动机论——正确看待飞机发动机和整体的关系

在航空领域，发动机性能常常被用作衡量飞机优劣的唯一标准。然而，这种"唯发动机论"的观点是否真的站得住脚？通过对比二战时期的KI-84疾风、La-7等战斗机，以及分析现代F-16战斗机不同发动机型号的表现，本文将揭示飞机整体性能背后更为复杂的决定因素。

图1：KI-84 疾风

图2：疾风战斗机数据

图3：LA-7 著名的阔日杜布的座驾

上图所示的日本陆军四式战斗机“ki-84 疾风”和苏联同时期的La-7战斗机，都是采用性能接近的发动机（疾风采用誉发动机，安装喷水加力，最大出力1800-1900马力，拉-7采用ASH-82FN发动机，最大出力1800马力且无喷水加力。二者都不依赖于美国高品度燃油）。

图4：ASH-82(M82)FN系列发动机和R-2600发动机对比

上图可见，两者飞机结构重量几乎相同（都是2.6吨），飞机发动机最大马力都是1800马力左右，而且二者使用燃油也差不多（日本用91式气化油，外加ADI喷水加力，而苏联M82FN发动机用得是苏联国产航油，按辛烷值约89号），但是二者在测试飞行（日本试飞是采用完全符合标准的誉发动机和正规燃油，非后期劣化产品）中飞出的最大速度居然有50公里差距！

同时在另一款知名的战斗机FW-190上也有类似表现：

图5：配备气冷发动机的FW190A8

但在1944年，由于发动机供应紧张，加之BF109越发不堪使用，因此德国又推出了搭配JUMO213液冷发动机的FW190D系列发动机：

图6：拥有矢量喷管的飞机一定程度上可以出现气动分离和飞机失速时，通过调整喷气方向令自身摆脱气动分离而导致的控制面失效，从而让飞机姿态变得可控，并重新俯冲加速获得升力，改出失速螺旋

因此，FW190A8和FW190D两款飞机在其他参数大致一样，但发动机从气冷发动机转化为液冷发动机后，速度竟然提升了40km以上！这无疑是对“唯飞机发动机功率论”的最好的回击。

那么，我们该如何理解上述问题呢？

飞行器：阻力，重力，推力和升力的平衡

我们知道，飞在空中的物体处于匀速直线运动时，飞机发动机的推力和飞机的空气阻力平衡，而飞机的重力和飞机机翼升力平衡，而飞机升力则来源于飞机前进动力的转化，即部分的飞机发动机的推力经过升力转换形成升力。但是，飞机的重力大致上不会改变（虽然高空重力会有所降低，但是幅度很小），而飞机的发动机受到高空进气压力降低，推力会大幅下降，导致飞机存在一个“最大升限”的限制。

同时，飞机在低空飞行时，虽然飞机此时发动机运转顺畅，升力的压力不大，但是低空空气密度很大，导致飞机低空飞行时飞机空气阻力的占比较高，尤其是空气阻力增加是不完全和飞机空速相关的关系（见下图），在声速前后阻力最大——即所谓的音障效应。

同时，飞机在改变姿态，使得飞机前进方向和空气来流方向不一致时（即AOA，攻角/迎角），飞机的四力平衡会更加复杂，我们常说的飞机“大迎角机动性能”，就指的是飞机在大幅度急转弯，使得飞机前进方向瞬间和气流方向形成较大的迎角时的飞行特性，由于转弯过大很可能导致气动分离，进而导致飞机失速，因此大迎角机动往往是衡量当代超音速战斗机作战机动的重要一环节。

随着飞机迎角拉大，飞机获得的升力会明显改变，当迎角达到一个数值时，此时气流会瞬间从机翼“脱离”，即不再能够在机翼形成足够升力，此为非常危险的“气动分离”，飞机很可能陷入危险性失速（飞机因升力无法抵消重力而产生的螺旋下落）而坠毁。

所以说，现实中飞机设计之所以如此困难，是因为飞机是一个高速度在不同高度以不同姿态飞行的载具，其身处的环境远远比陆地上的汽车复杂，因此可讨论的东西比比皆是，不可以完全凭飞机发动机的性能高低断定一款飞机的性能。就以最简单的飞机发动机和飞机最大速度的对比来说，也是很能反应这一点的。

同时，对于现代战斗机，也同样有着换装了所谓的大推力发动机，飞机的性能却发生了出人意料的转变的事情。这个案例可以看F-16所装备的发动机：PW F100系列和GE F110系列。

图7：波兰空军的F-16 BLOCK52，配备GE F110系发动机

图8：土耳其空军配备的F-16C block50，配备普惠F100系发动机

乍一看，F110发动机无论是发动机可靠性，飞机最大推力等数值都比较靠前，似乎是比F100更好的发动机，但是两者却在美国及其盟友的空军同时装备很长时间，其背后是两款引擎在不同任务环境的表现截然不同。

F-100系列发动机表现和高度速度关系
F110发动机表现和高度速度关系

由此可见，F110和F100发动机相比，F110更擅长在低空段和亚音速环境爆发出力，而F100则是更擅长在高空高速环境保持出力，所以美国空军装备更多的F16 BLOCK50，是因为看中了它具备更好的高空机动性，更适合拦截敌机和高空战斗；而1990年代至2010年代多数外国用户则购入F110居多的F-16BLOCK52，是因为看中了它更强大的低空亚音速机动性，和更好的搭载炸弹进行多用途轰炸的优势。这个道理，也适用于美国空军装备的配备F100系发动机的F-15系列和外国用户普遍装备的以F15E机身搭配F110系列发动机F15出口型，美国更看重F100高空性能和拦截苏联轰炸机的能力，而出口用户则更多的看中多用途能力。

另一个案例则是很多人迷信的“三代机标志性是涡扇发动机”和“涡扇就是比涡喷发动机好”。这一问题可以从英国F4K鬼怪战斗机以罗伊斯罗尔斯的斯贝MK202替代美国原设计的J79发动机看出来。

一代神机J79发动机
斯贝MK202，也是一代神机，但是在F4K表现就没那么好了。。。。。之后被拆下来卖给中国用于飞豹
F4J（美国海军型）和F-4K的后部分结构

乍看一眼，斯贝MK202是涡扇发动机，其油耗更低，推重比和J79也不相上下（4.5左右），但是英国人改装它却付出了更大的麻烦：

“斯贝”发动机比美国的J79发动机更重、更宽，但稍短些，安装这一发动机意味着飞机的整个后机身都要重新设计。而这一修型大大增加了飞机的阻力，致使飞机的整体性能逊色于F-4J。安装“斯贝”发动机需要将飞机的进气口加大20%以获得更大量的空气，这让飞行阻力进一步增加。虽然标准型“斯贝”101发动机在“掠夺者”S2上大获成功，但罗尔斯-罗伊斯还是发现研发一型带加力燃烧室的可靠发动机是极其困难的，英军“鬼怪”的进度因此被拖延，成本也随之增加了。飞机在着舰失败复飞时需要迅速打开加力燃烧室，但这是十分困难的。因此，在F-4K战斗机上舰之前，罗尔斯-罗伊斯必须把装有快速点火装置的“斯贝”203型发动机造出来。这些被命名为“鬼怪”FG1的英军战斗机即便是在发动机使用时长只有20个小时的情况下，也频频出现各种故障。除了发动机之外，皇家海军的“鬼怪”还有诸多其他独特之处。“斯贝”发动机的尾喷口比J79更靠近机体蒙皮，尾流温度也更高，因此后机身大量使用钛金属以防被融化——这真的不是不可能。

由于这么折腾下来，F4K性能不仅没提高，反而比原版还差了，英国人不得不降低订购量，同时因为故障频发，英国不得不在1980年退役所有的使用F4K的航母和F4K飞机，导致他们在马岛战争仅有搭载垂直起降战机的航母可用。这批淘汰的发动机后来被中国相中，在1970年代购买了许可证，但是由于国内厂商的龃龉，和对于涡扇6的偏执，最终斯贝发动机国产化在2000年后才步入正轨，在量产国产化的WS-9之前，不得不买下这些F4K的二手发动机给飞豹战斗轰炸机运用，不过在飞豹上表现还算不错。

所以，飞机整体的飞行性能取决于大量精密的设计，不单单是一个发动机的那么简单。希望大家未来审视飞机时，切勿陷入“唯发动机论”的怪圈之中。