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“长空之王”!歼20换装最强“中国心”

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出品|网易新闻

导语:6月底,根据互联网消息显示,疑似双发涡扇-15小涵道比大推力发动机的改款歼-20在某地一飞冲天,尽管图片和录像的清晰度不佳,难以从外观判断信息的真实性,还是让广大军迷振奋不已,航空发动机是战斗机的心脏,下面就为你解读这颗万众期待的歼20最强“中国心”。


图源:电影《长空之王》

一、“峨嵋”为何是小涵道比大推力

涡扇-15,代号“峨嵋”,它是一款中国自主设计生产的小涵道比大推力涡轮风扇航空发动机,涡扇15的推力达到18.5吨,超过了美国F119发动机。

根据发动机的结构,涡桨发动机几乎完全依靠扇叶带动空气流动的力量推进,涵道比极大;涡喷发动机完全利用高温高压的燃气气流产生推力,涵道比为零;而结合这两者的涡扇发动机动力分配均衡,能量效率比涡喷发动机好,也比纯涡桨飞行速度快,多用于现代化的战机和客机。


涡扇发动机示意图

然而飞机在超音速飞行时,由于高空的低空气密度和高速飞行产生附面层的影响,导致其风扇带动空气的效率极大降低。

随着风扇的效益减弱,性能取向越是高速的飞机,越需要使用小涵道比的发动机。

反之亦然:冷战时期的美苏高速截击机大多使用涵道比为零的涡喷发动机;民用大推力发动机属于大涵道比发动机,其首要诉求是省油,因此主要依靠风扇产生推力;美国F-35的F135发动机推力虽大,但较大的涵道比导致其高速性能较差,不适合直接与涡扇-15进行比较。


主流先进发动机参数(AL-41F1为俄标)

对于一款发动机来说,除了提升整体推力包线(指发动机在不同工况下的推力)以外,油耗、寿命也是重要的维度。前者影响到战机的作战半径,后者则涉及到战机的整体经济性。

二、新款“威龙战机”完全满足4S标准

按照美国提出的4S标准,四代机应当拥有“超强机动”、(不开加力、仅依靠军用推力获得)“超音速巡航”、“超视距打击”和“隐身能力”。

此前的歼-20未能完全达到超音速巡航能力,而F-35则不具备前两者。如果换装“原配”发动机涡扇-15后,歼-20将有望把这四点做到极致并全方位地压制F-22。

作为空军的王牌,设计空优型四代战机是一种“既要又要”的过程,在保证机体隐身性能的前提下,需要融合二代机和三代机的优势。

二代机拥有强悍的高速巡航能力,但机动能力较差,涡喷发动机耗油导致其作战半径较低;三代机拥有强大的机动性和较大的航程,但建立在发动机较大涵道比提供的大推力基础上,高速性能相对较弱。要想解决这种矛盾,除了提升发动机和飞机整体技术以外没有任何投机取巧,造成的结果是四代机发动机像是三代涡扇(涵道比大于0.5)和二代涡喷(涵道比为零)的结合。


图源:电影《长空之王》

满足这样的需求使得设计四代战机堪称一场“大考”,F-22虽然基本满足了4S标准,事实上也牺牲了航程作为妥协。而针对未来假想敌,歼-20则必须要面面俱到,不仅需要将4S标准做到极致,同时还得保持约2000公里的作战半径(F-22约850公里)。

设计和制造这样的战机,既需要天才的气动构想,也离不开纯粹的硬实力。


刘大响院士在中国航空产业大会上介绍了WS-15的关键信息

根据2022在中国航空产业大会,中国工程院刘大响院士的报告,中国航空器动力系统已跨上了三个技术台阶,即三代动力(推重比8一级的涡扇发动机和功重比7一级的涡轴发动机);四代动力(推重比10一级的涡扇发动机和功重比9一级的涡轴发动机)和五代动力(推重比12-15一级大推力涡扇发动机、功重比11-12一级涡轴发动机和涡轮冲压组合循环发动机)。

三、最硬核科技进化的“峨嵋”

从技术预研开始,涡扇-15的总体研发已经历时约二十年,要实现突破高推重比、小涵道比、高总压比、高涡轮进口温度等技术难点,其中至少有过一次核心机设计的推倒重来,以及一次由于涡扇-10C的技术指标超出预期带来的需求提升,并伴随长期的材料性能不稳定,可谓是历经了坎坷。

1)核心的指标总压比和涡轮前温度

涡轮是驱动压气机及其他附件的动力源。在压气机设计上,涡扇-15采用了三级风扇、六级高压压气机、一级高压涡轮和一级低压涡轮设计,总压比为30.5。这意味着它要在比上一代发动机少三级高压压气机的情况下,做到与之相当的总压比,对材料的强度、轻量化、设计的要求可想而知。

2)涡轮前温度是发动机先进程度的最关键参数

涡轮前温度最直接地体现了发动机的能量效率,与推力有直接关系。每一代发动机的涡轮前温度通常要比前一代提升200K,相应能够提升约20%的推力。涡扇-15发动机的涡轮采用新一代镍基单晶空心叶片,燃烧室使用阻燃钛合金材料,使得其涡轮前温度达到了1900K左右,基本达到了国际先进水平。


航空发动机分代数据

3)我国单晶叶片技术正稳步提升

单晶叶片是目前发动机相关的最核心技术,被各国列为机密。除了增强材料本身在高温工况下的力学性能外,还需要通过不断优化叶片形状以及内部孔洞,以形成环绕叶片的保护性气膜并增强叶片的冷却效果。在研发过程中,需要通过大量优化性实验不断调整叶片的配方和设计并固化工艺,才能够规模化生长出更好的单晶叶片。发动机的涡轮前温度正是通过这样的优化慢慢提升的。


高压涡轮叶片温度高,内部冷却结构复杂、铸造难

四、歼-20的“一机三发”

迄今为止,歼-20已生产二百多架,其中歼-20基本型使用俄制AL-31F发动机,歼-20A使用涡扇-10C发动机。歼-20已经“一机三发”,堪称我国军用发动机战略规划的缩影,正是各个渠道的努力形成了如今的厚积薄发。


俄制AL-31F为我国空军立下汗马功劳

自上世纪末,我国积极采购和投资发动机相关技术,不仅长期资助俄罗斯AL-31F系列发动机的研发、采购了苏联末代R-79发动机的全套资料,还依靠引进苏-35配套的AL-41F1(产品117)沿袭了俄罗斯的最新技术,在我国发动机产能不足时有效地供应了战机生产。相对而言,俄罗斯真正全新设计的AL-41F2(产品30)的研发则极为缓慢。

许多国家以成熟发动机的设计结合最新材料技术(例如AL-41F1、F100-PW-229、F110-GE-132),已达到性能的提升。

我国以涡扇-10为基础进行改进,制造了用于歼-20A的涡扇-10C发动机和其他诸多衍生型号。既有力地保障了三代主力战机的生产,也为涡扇-15的研发积累了大量经验。

五、变循环发动机,未来第六代战机的标配

涡扇-15作为我国新一代发动机的核心设计已日趋成熟,目前主要以适配歼-20的高速性能为优先目标,后期我国将以此为基础改进并发展不同型号。

依靠涡扇-15项目,我国已经极大追近了与世界先进水平的差距,但对手仍然十分强大,需要立即着手下一代发动机的开发。


美国第六代隐形NGAD战机想象图

据美国“动力”网站“战区”频道去年8月22日报道,为六代机研制新型发动机,位于俄亥俄州赖特·帕特森空军基地的空军生命周期管理中心向5家公司授予了“下一代自适应推进计划”合同,每一个合同都价值9.75亿美元。合同通过设计、分析、台架试车、原型发动机测试和武器系统集成,使技术成熟并降低研制风险。预计于2032年7月11日前完成。

目前在第六代战斗机配装的第六代发动机研制中,属美国航空发动机技术积累最为雄厚、研制进度最快、技术最为成熟,其重点研制的变循环发动机,有极大可能成为未来第六代战机的标配。


变循环发动机原理

变循环发动机是一种多设计点发动机,即它的设计运用范围很宽,飞行包线远比现有的航空发动机大得多。相比于传统发动机,变循环发动机主要有耗油少、效率高,推力大、重量轻,兼容性强、成本低,零件少、用途多,寿命长、对飞行环境要求低等诸多特点。

此外,我国的下一代发动机也将基于变循环设计开发,已经进入了具体设计阶段。这一技术路线将成为人类最尖端科技的又一制高点。

结语:

最优秀的发动机是买不来的,即使之前可以借鉴俄罗斯技术,但俄罗斯也逐渐在发动机竞赛中掉队。要想继续取得技术进步,唯有依靠我国自己的力量踏踏实实地研发。目前,国内对于先进发动机技术的原理、机理和结构取得了一定的成果积累,相信在未来的第六代机动力系统——变循环发动机也不会缺席。

参考文献:

[1] 军事观察.革命性的涡扇-15将让歼-20提升多少战力?

[2] 航空兵器.什么是涡扇发动机?

[3] 网易军事.原来F22战机的二元矢量喷口是这样的

[4] 中国工程院.刘大响院士讲座,2023.3

[5] GEAerospace. GE’s XA100: The Future of the F-35 is Adaptive

责任编辑:王超_NB6465

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