“长空之王”！歼20换装最强“中国心”

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