进气道：战机“呼吸系统”演变史
■张小博 马海航 朱鹏豪
当一架战机以超音速的速度呼啸而过时，或许很少有人会注意到机身上那些形状各异的“大嘴”——进气道。
正是这些看似简单的开口，承载着人类超越速度的智慧。作为发动机的“呼吸系统”，进气道肩负着在战机高速飞行中捕获空气、驯服激波等重任，其性能优劣直接决定战斗机的速度极限、机动能力与隐身性能。
进气道设计技术的持续发展，不仅推动了航空技术的进步，也见证了人类对速度与效率的不懈追求。
本期，让我们一起回顾战斗机进气道的演变史，看看它如何从一个普通的空气通道，一步步演变为如今智能高效的“呼吸系统”。
F-35战机（上）和F-22战机（下）进气道的设计不同。供图：阳明
亚音速时期的经典布局
战机进气道的诞生，离不开第一架喷气式飞机的问世。
从飞机诞生之日起，提高飞行速度、飞行高度和载重量就一直是人们研制新飞机所追逐的目标。然而，到了20世纪30年代，飞机的速度一直徘徊在每小时700千米左右，这差不多是装有活塞式发动机和螺旋桨的飞机的极限。用苏联著名飞机设计师雅科夫列夫的话说，飞机速度的突破已经到了“山穷水尽”的地步。
喷气时代的到来，使飞机的发展“柳暗花明”。喷气时代的标志，便是用涡轮喷气式发动机作为新型动力装置。
涡轮喷气式发动机的原理为：空气从飞机进气道进入发动机，先经压气机压缩后进入燃烧室与燃料混合燃烧；膨胀的燃气进入涡轮并推动其旋转，使与涡轮同轴的压气机正常工作；从涡轮流出的燃气经尾喷管膨胀后向后高速喷出，从而产生巨大的反作用力推动飞机前进。
1939年，世界上第一架喷气式飞机——HE-178首飞成功。随着越来越多的喷气式飞机翱翔蓝天，科研人员不得不面对一个全新的挑战：飞行的速度越来越快、飞行高度越来越高，如何保证飞机不受飞行环境的影响，仍能自由顺畅地工作？
在这样的背景下，进气道的作用凸显出来。
战斗机发动机如同一个高速运转的熔炉，需要持续、稳定且足量的空气作为原料。打个比方，这就像运动员在高原跑步，尽管体能训练得很好，但是氧气不足，还是会在跑步时感觉力不从心。
而进气道，正是为发动机运输这些空气原料的通道。
作为连接飞机外部气动环境与发动机内部燃烧过程的关键桥梁，进气道的设计是空气动力学、结构力学、材料科学等的综合体现。
一方面，在战机起飞、爬升等状态下，进气道尽可能平稳地将大量空气运输至发动机燃烧室，发动机燃烧燃料时需要大量氧气，这些氧气就来自进气道吸入的空气；另一方面，进气道能在战斗机不同的飞行状态下，提供发动机所需要的精确空气流量，保证喷气式发动机中压气机部件能够稳定工作。如果空气流量不足，这会导致发动机推力下降甚至熄火，而流量过大则可能造成阻力增加或发动机喘振。
在亚音速时代，战斗机进气道总体呈现结构轻便、制造简单的特点：为了减小阻力，进气道内部的设计尽量保持平直，减少弯折，最大程度减小气流摩擦和分离带来的能量损失。
进气道入口边缘设计得圆润厚实，圆钝的边缘能平稳地引导气流，避免在战机起飞等大功率状态下，气流在入口处发生分离，发动机“喘不上气”……
一般而言，亚音速进气道主要有两种经典布局——
机头式进气道。这是亚音速时代最为普遍的一种进气道设计方式。进气道位于战斗机最前端，正对气流方向，运输空气的路径短，效率高。在所有飞行姿态下，发动机都能获得持续均匀的空气供应。
在采用该布局的战机中，其中较为著名的代表机型是苏联的第一架喷气式战机米格-9。
该战机将进气道布设在飞机头部，能够获得平顺充足稳定的气流，保证发动机的进气效率，避免其喘振停车，使发动机发挥出最好的性能。
不过，这一布局方式使飞机无法在机鼻安装大型雷达。此外，如果遇到特殊情况飞机极端抬头，气流可能无法顺畅地进入进气道。
机身两侧进气道。随着发动机推力不断增大，进气道的长度不再是主要考虑因素，进气道逐渐从机头位置向后移动。
机身两侧进气道通常位于驾驶室后方，位于机身中部或者前机身两侧。
此时发动机多采用后置方案安装在机身尾部，座舱也可以前移至机头，使得整个战机的气动外形更加流线化，提升了战斗机的机动性。例如采用了该种进气道的米格-15战斗机，凭借优异的机动性在抗美援朝战场上大放异彩，开辟出享誉战史的“米格走廊”。
亚音速时代的进气道以简洁、高效、可靠的特点，服务于喷气式战斗机的“童年期”。然而，当飞行员们渴望突破音障，追求更高速度时，简单的亚音速进气道变得力不从心：当战机接近或超过音速时，进气道前方会产生强烈的正激波。
挑战催生变化。在这一背景下，性能更为多样的超音速时期的进气道应运而生。
超音速时期的简约设计
到了20世纪五六十年代，超音速战机逐步成为空战场上的主角。
为了满足不同飞行速度下发动机的进气流量需求，超音速时期的战机进气道设计也随之做出了改变：进气道增加了相应的空气流量调节装置。
这一调节装置，可以类比为人们通过调节呼吸，以满足身体氧气需求的过程。
按照调节装置形状的不同，超音速战机最早装备的进气道，一般可以分为两种——
锥体调节式进气道。这种进气道的中心有一个尖锥，在调节装置的驱动下可以前后移动，改变进气道与尖锥之间的进气面积，进而改变进气道的进气量。
采用这种进气道的典型代表是美国的SR-71“黑鸟”侦察机。凭借飞行速度达到3马赫、飞行高度达到30000米，该侦察机成为冷战时期美国执行侦察任务的利器。
斜板调节式进气道。这种进气道布局了一片或多片倾斜的矩形板，工作原理与锥体调节式类似，通过斜板的上下移动来改变进气道的进气量。
采用这种进气道的典型代表是俄罗斯的苏-27“侧卫”战斗机。该战机凭借优异的气动性能、近战格斗性能，成为俄罗斯战机设计史上一颗耀眼的明星。
与亚音速时期的进气道相比，超音速时期的这些调节式进气道，解决了战机在超音速飞行时气流速度不稳定和压力过大等问题，但与之相应，调节装置也带来了结构复杂、重量较大、故障率高等新的问题，增加了战机维护保障的工作量。
后来，得益于计算流体力学（CFD）和试验技术发展，研究人员设计出了既满足超音速飞行时的气流要求，又不需要调节装置的进气系统——这就是目前最先进的第三代进气道。
一般而言，第三代进气道主要包括后掠双斜面（CARET）超音速进气道和无附面层隔道（DSI）超音速进气道。
应用双斜面超音速进气道的代表战机，是世界上第一款五代机——美国F-22战机。该进气道利用相关技术设计出2个三维斜面，沿着进气道的分布合理分配气流速度，进而使超音速气流以较小的损失减速至亚音速气流。
应用无附面层隔道超音速进气道的代表机型，则是美国的另一款五代机——F-35战机。在设计时，该进气道进口处设有一个“鼓包”，这个“鼓包”既可以将超音速气流以较小的损失降为亚音速气流，还可以将低速的空气“推离”进气口，保证后方发动机高效工作。
值得注意的是，这两种进气道虽然设计结构不同，但均具有结构简单、重量轻、工作稳定可靠、迎风阻力小、隐身效果好、维护费用低等特点，成为当前战机进气道发展的主流方向。
更智能高效的发展方向
战机进气道不仅仅是一个简单的空气“入口”，更是飞机推进系统高效、稳定、安全工作的核心关键子系统之一。
随着航空技术的持续发展，宽速域、广空域、高智能、强隐身战机或将陆续迈上航空舞台。作为飞机的“呼吸系统”，进气道的未来发展也必将与之契合，向着更加智能高效的方向不断前行。
一是高超音速进气道。
在航空领域，高超音速飞行一般指速度超过5倍音速的飞行。高超音速飞行条件下，进气道需要通过复杂的气动设计来实现超高速气流的低损失减速，同时，进气道的材料和结构还需具备承受高温高压的能力。
例如，美国X-43A无人飞行器在试飞中创造了9.7马赫的飞行速度，这一次试飞，为飞行器开展宽速域发动机应用和未来更高马赫数下进气道的技术探索，都提供了启示。
二是高智能化进气道。
随着人工智能等技术的发展，未来的进气道也有望变得更智能。当传感器实时监测到进气口的气流状态和发动机的工作状态，利用人工智能与控制技术，系统可以同步开展智能化进气道设计，实时、精确、智能地调整进气道的几何形状，自动优化气流分布，以更好地满足宽速域、广空域下进气道与发动机的“相容性”，帮助发动机更高效地运转。
三是高隐身化进气道。
在未来战场上，战机进气道的隐身性能同样重要。随着雷达隐身技术成为现代战机的关键需求，进气道设计成为降低雷达反射截面积的重点。
据悉，通过持续优化进气道空气动力学特性，引入等离子体等先进隐身技术最新研究成果，研究低散射率的新型材料和结构，未来或能在实现轻量化设计的同时不断提升进气道的隐身能力，拓展战机的战场生存力。例如，近期受关注的美国六代机F-47，或以其先进的进气道隐身设计，推动整个战机隐身性能的提升。
从亚音速进气道到超音速进气道，再到未来满足各种极限要求的智能化进气道，战斗机进气道正朝着更高性能、更隐身化、更轻量化等方向发展，以满足未来先进航空飞行器和空天飞行器的需求。
