从涡扇5到涡扇20,中国航发是如何一步步跻身航发强国的?

一杯红尘醉 2023-05-13 12:18:25

中央电视台军事栏目于2022年3月13日报道,中国国产大型军用运输机运-20已经换装了新型国产发动机。根据之前的消息,我们可以推测这种新型国产发动机很可能是大涵道比涡扇发动机涡扇-20。

涡扇发动机是涡轮喷气式发动机的发展方向,为了追赶世界先进水平,中国决定开始自行研制涡扇发动机,拉开了中国涡扇发动机半个多世纪发展的序幕。今天,中国的军用涡轮风扇发动机发展已经看到了胜利的曙光。

涡扇-5是中国研制的第一种涡轮风扇发动机,它采用了单转子、无加力后风扇式设计,但在完成研发后并没有投入使用。1963年1月,沈阳发动机研究所(606所)根据空军的要求改进轰-5轰炸机而提出了技术指标,在涡喷-6发动机的基础上,开始研制一种后风扇式涡轮风扇发动机,定名为涡扇-5。该型发动机为单转子、无加力后风扇发动机,1971年装于一架轰一5上进行了多次滑跑试验。当时只装了一台涡扇-5,这架飞机被称为轰-5改。后空军撤消了对轰-5改进的计划,涡扇-5于1973年5月停止研制。涡扇-5的研制是我国在航空技术领域的一次有益尝试,也是中国研制涡扇发动机的宝贵经验。

涡扇-6发动机是中国自主研制的第一种推重比为6一级的军用加力涡扇发动机,研制历时20年,但最终未能定型。涡扇-6是为高空高速歼击机而设计的,其性能与MK-202M-53相当,并且改型涡扇-6G更高。然而,由于空军飞机研制计划的改变,涡扇-6失去了使用对象,于1984年停止研制。尽管如此,涡扇-6的研制仍是中国在航空技术领域进行的有益尝试,为日后的航空发动机技术发展积累了宝贵经验。涡扇-8(代号“WS-8”)曾用代号“915”发动机,是前风扇、短外函、轴流式双转子涡轮风扇发动机。它于1972年开始投料试制,至1980年底共生产了3轮计12台发动机。涡扇-8在1970年代是上海长征机械厂研制的大型客机“运-10”的关键部件之一,其性能在当时属于较先进的航空发动机。

1983年6月,上海市航空工业办公室召开涡扇8发动机研制成果总结交流会,认为涡扇8发动机已经基本具备设计定型和小批量生产的能力。但由于运-10项目停止研制,涡扇8的研制也告一段落。在研制过程中,上海市内外有60多个单位承担了涡扇8本体和配套协作项目,并大量采用了新技术、新工艺、新材料。成品附件、轴承、金属材料、非金属材料和毛坯均立足于国内。值得一提的是,涡扇-8除了用于运-10之外,还打算用于空军新型轰炸机,原计划在成都和上海两地同时生产。1979年10月涡扇-8定型,基本满足了设计需要,但由于运-10项目下马而停产。

虽然涡扇-8停产下马,但它却是我国仿制研发客机用涡扇发动机的开始。1985年5月23日,美国通用电器公司航空发动机分部副总裁克莱勃司到航发厂参观时说:“你们在10年前能完成这样一台十分复杂的发动机,的确是一个伟绩。即使在今天看到它,也给我留下了极深刻的印象。”

“秦岭”发动机是中国自主研制的一款航空发动机,历时三十年,完成了国产化。在仿制过程中,中国航空发动机师承苏联,但长期以来一些性能指标不如欧美国家的先进发动机。1970年代以来,中国在涡喷-5的基础上研制了后置风扇设计的涡扇-5,并大胆开拓研制涡扇-6等涡扇发动机,但由于基础薄弱,最终都未能成功。研制的涡扇-5、涡扇-6也相继下马,无法正常装备部队使用。自行研制接续不上,造成现役的发动机性能相比其他不断发展进步的国家日益落后。

1971年12月,周恩来总理同意从英国罗尔斯-罗伊斯公司进口一批民用斯贝发动机。斯贝发动机是英国著名发动机制造商罗尔斯-罗伊斯在20世纪60年代研制并生产的系列涡轮风扇发动机。该系列包括几十个民用和军用改型,其中最著名的是民用型“斯贝”MK511,用于英国“三叉戟”客机。斯贝系列涡轮风扇发动机被认为是英国60年代技术的代表作之一。

我国曾经随着引进该型发动机而批量购买,并发现相比苏联制造的发动机,其质量要好得多。斯贝MK202军用型涡扇发动机曾被用于换装英国购自美国的F-4“鬼怪”式战斗机,因其技术先进可靠。此后,美国又引进英国“斯贝”技术,将其改进后用于A-7攻击机。该型发动机加力比大,耗油率低,使用寿命长,压气机的喘振裕度大,各种工作状态下部件的效率高,工作可靠,虽然其工艺复杂、制造难度高,但在当时的情况下,它对于中国这样一个长期以来受到西方国家严密技术封锁的国家而言是可遇而不可求的事情。

1975年8月,中英双方进行实质性的引进谈判,1975年12月13日,签订了中国引进英国“斯贝”发动机专利合同,合同金额5亿英镑。国家决策从英国引进“斯贝”发动机,然后搞国产化。

1976年,西安航空发动机厂开始研制工作。1979年下半年,中国成功组装了两批四台“斯贝”发动机,并进行了150小时持久试车、英国高空台试车、零下40摄氏度启动试车和五大核心部件循环疲劳试验。这些考核全部顺利通过,表明中国已经基本掌握了一种全新的西方发动机组装技术。

然而,由于“斯贝”发动机装到飞机上的问题一直未得到解决,国产化进程最终被终止。原本购买的50台新发动机也被放在仓库里,搁置了七八年。在这段时间里,中国开始仿制和自主生产“斯贝”发动机,但由于原材料和劳动力成本的差异,英制的“斯贝”Mk202发动机价格非常昂贵,无法合作制造。因此,中国提出由英国提供技术图纸,自己仿制生产。1990年代中期,中国向英国购入了一批库存的二手“斯贝”Mk202发动机,以确保“飞豹”歼击轰炸机持续生产所需。这批经过大修的退役发动机对提高“斯贝”发动机的国产化水平起到了重要作用。

然而,单靠买是不能解决所有问题的。中国很快试图与英国恢复合作制造,但英国认为恢复生产已经停产多年的“斯贝”Mk202发动机并不是纯粹的技术问题,而是经济问题。由于原材料和劳动力成本差异,英制的“斯贝”Mk202发动机价格非常昂贵。因此,中国提出由英国提供技术图纸,自己来仿制生产。由于“斯贝”对于当时的英国而言已经是一款过时的、没有重新启动生产线价值的退役机型,但对于中国而言,“斯贝”发动机的很多技术都值得引进、学习和消化,不仅对于“飞豹”这个项目,对于整个中国航空发动机事业的提高都有极大的好处和意义。因此,中国在西安航空发动机厂全面展开了“斯贝”的仿制和国产化工作。

中国通过仿制“斯贝”发动机,积累了许多国内缺乏的先进工艺和技术,包括金属喷漆、真空热处理等12项世界先进水平技术和46项国内先进工艺技术。更重要的是,我们学到了航发项目管理的内容,包括项目管理、质量控制、寿命考核等方面。

1995年11月,国产化率达70%的涡扇-9发动机(此时已被授予“斯贝”Mk202发动机国产化型号以涡扇-9的正式编号)通过了150小时持久试车。

1999年下半年,涡扇-9发动机全面国产化工作启动。

2001年,全部国产化并且部分采用中国工艺的涡扇-9发动机通过了150小时工艺试车,被命名为“秦岭”。

2003年7月17日,国产化涡扇-9终于通过国产化工程技术鉴定,获准投入批量生产。涡扇-9发动机经过近30年的奋斗,终于实现了国产化。直到2007年12月,“秦岭发动机才正式通过生产定型。“秦岭”发动机的独立生产成功,使中国拥有了跻身航空强国的标志,填补了中国批量生产大推力涡扇发动机的行业空白。当年几乎下马的“斯贝”发动机也变成了“秦岭”,为中国自主研制的“飞豹”系列歼击轰炸机装上了“中国心”。

目前,“飞豹”战机用发动机已实现全面国产化。这标志着“飞豹”成为我国空军主力作战飞机中第一个也是当时唯一个完全摆脱国外进口发动机依赖的型号,也标志着我国仿制也是装备的第一型涡轮风扇发动机。“秦岭”历经几十年发展历程终于成熟完全替代了进口发动机。

“领先使用”是一种先进的发动机定寿方法,通过鉴别发动机在使用过程中的技术状况变化,并进行跟踪检查和鉴定,结合地面试验情况,综合确定发动机的翻修寿命。这是我国第一次采用西方定寿方式对国产航空发动机进行定寿,并将此类定寿方法纳入到我国航空发动机新国标中。这为我国此后各类航空发动机研制和寿命确定提供了宝贵的经验和理论支持。

同时,借助仿制“斯贝”发动机计划,我国掌握了大量国内以往没有接触过的先进工艺和技术,使得国内航空动力工业冶金、材料、化工、机械等方面技术水平相应提高。最重要的是,我们在“斯贝”仿制项目中成功将“斯贝”原有的废品率极高的锻造涡轮叶片改进成我国自主研制攻克的精铸涡轮叶片,大大提高了成品率,降低了发动机的制造成本。这些进步不仅仅体现在发动机技术方面,而且随着英国技术资料的引进和消化吸收,我们学习到了一些更加先进的设计理念。

在传统的苏制发动机设计理念里,推力代表一切,对其他方面的考虑严重不足。因此我们可以看到,直到追求高机动性的苏-27立项研发的过程中,苏联人吃足了进气道与发动机匹配的苦头。而此前的苏制飞机出现进气道与发动机不匹配的问题是家常便饭,而且长期没有得到充分的认识和解决。而通过引进技术先进的“斯贝”发动机,我们学到了很多与苏联老师完全不一样的技术。大大开阔了国内相关行业人员的视野。这其中就包括“进发匹配技术”。在现代飞机设计中,发动机与飞机的匹配问题越来越受到重视。

因为这项技术对于充分发挥飞机和发动机性能以及保障安全具有重要影响。在飞机进气道与发动机相容性方面,除了需要满足进气量的需求外,还需要满足总压恢复系数、畸变等技术要求。如果设计的进气道能够达到这些指标,就可以初步认为进气道设计合理,并通过与发动机的匹配试验加以确认。达到这一要求意味着飞机进气道和发动机不会出现任何不相容问题。然而,对于超音速战斗机而言,在整个飞行包线范围内满足这一要求是很困难的。

在当时的情况下,按照传统的苏联研发模式,我们在设计进气道时必须实际测试各种状态下的进气道技术指标,但当时我国还没有可用的高空试验台。这使得我们的飞机设计陷入了困境。通过技术引进和消化,我国成功掌握了英国的模拟板设计技术,并使其发挥到了极致。经实践证明,最终设计完成的全尺寸进气道在与发动机进行的相容性试验和飞行试验中,在各种飞行状态下都没有出现压气机喘振的问题。在“秦岭”发动机的仿制研发过程中,我们完全掌握了“进发匹配”设计技术。

与我国原有的仿制发动机相比,斯贝mk202的加力比更大,压气机喘振余度更大,工作更加可靠、效率更高、耗油率更低,其使用寿命远远超过了我国仿制的苏式发动机。引进mk202使我国在军用型航空发动机的研制方面取得了突破。2006年3月24日,“太行”涡扇发动机正式设计定型。

涡扇-10经历多年研发,先后推出了基本型号涡扇-10和实际装机型号涡扇-10A。涡扇-10A在装机歼-11B国产重型双发战斗机后,在使用中不断暴露和发现各种问题(如一级叶片断裂,打伤发动机机匣等设备),同时在后续生产研发中陆续予以改进,推出了“高可靠性”改进型涡扇-10B。涡扇-10B在推力达到设计标准的同时,最关键的是其可靠性和实际使用寿命大幅提升,发动机首翻期和寿命指标显著改善。

早期的涡扇-10发动机在进行长时间的试车试验中,曾经连续试车41天,每天开车10几个小时。从这个角度来分析推测,涡扇-10早期的引进和消化吸收,使得我们学习到了更加先进的设计理念。

在传统的苏联发动机设计理念中,推力是一切,其他方面考虑不足。因此,我们可以看到,在苏-27项目立项研发之前,苏联人在进气道与发动机匹配方面遭遇了很多困难。而在此之前,苏联飞机出现进气道与发动机不匹配的问题是家常便饭,但这些问题并没有得到充分的认识和解决。通过引进技术先进的“斯贝”发动机,我们学到了很多与苏联老师完全不一样的技术,这大大拓宽了国内相关行业人员的视野,其中包括“进发匹配技术”。

在现代飞机设计中,发动机与飞机的匹配问题越来越受到重视,因为这一技术对飞机和发动机性能的充分发挥及安全都有重要影响。在飞机进气道与发动机相容性方面,除了要满足进气量的需求外,还需要考虑总压恢复系数、畸变等技术要求。如果设计的进气道能够达到这些指标,就可以初步认为进气道设计合理,并通过与发动机的匹配试验加以确证即可。达到这一要求意味着飞机进气道和发动机不会出现任何不相容问题。

然而,对于超音速战斗机而言,在整个飞行包线范围内满足这一要求是很困难的。在当时的情况下,按照传统的苏联研发模式,我们在设计进气道时必须实际测试各种状态下的进气道技术指标。但由于当时我国还没有可用的高空试验台,这使得我们的飞机设计陷入了困境。通过技术引进和消化,我们成功掌握了英国的模拟板设计技术,并做到了极致。实践证明,我们最终设计完成的全尺寸进气道在与发动机进行的相容性试验和飞行试验中,在各种飞行状态下都没有出现压气机喘振的问题。实际装机服役多年也没有出现压气机喘振造成的停车。可以说,在“秦岭”发动机的仿制研发中,我们完全掌握了“进发匹配”设计技术。

中国的航空发动机工业一直以来都面临着自主研发能力不足的问题。为了提高自主研发水平,中国政府于20世纪80年代开始着手研制国产第三代战斗机,并为其研制了国产“心脏”——涡扇-10“太行”发动机。

“太行”发动机是中国第一台自主研制的大推力加力式涡轮风扇发动机,其加力比大、压气机喘振余度大、工作可靠、效率高、耗油率低,使用寿命远远超过了我国仿制的苏式发动机。涡扇-10“太行”发动机的推重比达到8一级,最大加力推力达到125千牛,完全达到世界第三代涡扇发动机的技术水平,使中国成为继美、英、法、俄之后,第五个能够自主研制先进大推力涡扇发动机的国家。

通过引进“斯贝”Mk202发动机,中国的航空发动机技术与世界先进水平的差距得以缩短,并且让中国航空工业在军用型航空发动机的研制上与世界领先水平更加接近。虽然引进国外先进技术是提升航空工业水平的必要途径之一,但我们也必须认识到,“斯贝”Mk202代表的是国外60年代末的水平,其发动机结构复杂,推重比低,高空性能差。虽然在技术上它已经是我们所能达到的最好水平,但在技术上它仍然比国外当时的航空动力整整落后了一代。

在这种情况下,自主研发成为了中国航空工业的必然选择。经过多年努力,中国航空工业终于在上世纪90年代成功研制出了自己的第三代战斗机——歼-10,并为其研制了代号为涡扇-10的国产“心脏”。涡扇-10“太行”发动机是中国第一台自行研制的具有自主知识产权的大推力加力式涡轮风扇发动机,其推重比达到8一级,最大加力推力达到125千牛,完全达到世界第三代涡扇发动机的技术水平。

中国涡扇-10航空发动机自20世纪90年代初开始研发,经历多年后于2006年设计定型,命名为“太行”发动机。涡扇-10A是基本型号,而涡扇-10B则是经过改进的“高可靠性”改进型,推力达到设计标准并且可靠性和实际使用寿命大幅提升。

在早期的涡扇-10发动机试车试验中,曾连续试车41天,每天开车10几个小时。然而,在2006年《中国航空报》报道的长久试车试验中,涡扇-10早期型号的寿命大致为500到800小时左右。通过改进后,据报道,“太行”发动机的热端部件寿命最长可以达到3000小时,整机使用寿命比之前增加了一倍。

涡扇-10B的推力数据与涡扇-10A相同,均为12.5吨。专家表示,从“太行”到涡扇-10B的飞跃标志着“太行”完成了从能够装机使用到“可用”的重大飞跃。有报道称,“太行”涡扇-10B在可靠性上已经逐渐超过俄制AL-31F发动机,受到使用单位的好评。

关于涡扇-10的矢量推力版本,实际上是在涡扇-10B的基础上研发而来的。虽然有人猜测其推力可达13.5甚至14吨,但目前而言这种说法尚不准确或夸大。

从展出的“太行”发动机来看,它很可能已经安装了数字全权限控制系统(FADEC)。FADEC 是一种新型的发动机控制技术,相比传统的机械液压控制系统,它实现了发动机参数信号的数字化采集、传输、计算和数字化控制。传统的液压控制系统通过发动机附件机构输出功率带动复杂的凸轮机构运转,对系统的控制主要依靠三维凸轮的空间曲面啮合与传动来完成,而这个空间曲面构型制造比较困难,因而液压控制系统控制精度不高。相比之下,FADEC 实现控制规律算法则简单得多,只需把控制的理论公式变成代码进行数字处理即可。

综合来看,采用FADEC技术的发动机相比传统机械凸轮控制的发动机有以下优点:

1,重量大大减轻。凸轮机构是庞大沉重的机械结构件,重量很大;而电子控制机构就轻量小巧,对于追求轻量化的发动机而言,采用FADEC技术可以提高发动机推重比。

2,可靠性大大增加。凸轮机械结构存在比较明显的磨损问题,复杂凸轮机构的可靠性显然不如全电子调节机构。采用FADEC技术可以减少发动机故障,提高发动机的可靠性。

3,迅速响应。在本刊2007年《歼-10专刊》的试飞员采访中,曾提到老“太行”发动机加速性不足。然而,采用电子控制机构后,发动机的响应速度必然会得到极大提高,从而可以缩短发动机的加速时间。

4,精确控制。采用FADEC技术后,发动机的整体工作情况将能够更加精确迅速地被调整,迅速对发动机的进气量和燃油供应进行精确调整,不存在过度或者滞后调节的问题。相比RD33/93发动机,掌握该技术的国产发动机不会出现黑烟滚滚的现象,因此在歼-31战斗机换装国产发动机后,这一问题也将迎刃而解。

5,先进作战飞机必然采取飞火推一体化控制,而FADEC技术的应用是飞火推一体化控制的重要一环。飞火推一体化控制必然是数字化控制,所有信号传输和计算都采用数字控制技术。采用FADEC技术后将大大方便飞火推一体化控制技术的开展。

6,提高故障检测和故障诊断的准确性。采用该技术后,可以综合分析发动机的所有数据,包括燃油消耗、振动和温度等数据,提前判断发动机的一些危险性故障和老化情况。这将大大减少不必要的地面维护,提高飞机的出勤率。

第三,从展出的新“太行”发动机的外形和管路布置情况来看,可以看出其具有很高的设计和材料水平。例如,发动机表面采用了黑色的复合材料来替代钛合金和钢材,现代航空发动机表面大多采用钛合金材料,虽然保证了耐高温性能,但钛合金易起火的问题仍未得到解决。使用复合材料不仅解决了这个问题,而且重量更轻,有利于提高发动机推重比。

此外,从新“太行”发动机的外观来看,其FADEC电调装置安装在发动机热端部件区域,这意味着存在一定的发动机热量传导,可能会影响机件工作。这表明我们的发动机散热技术已经取得了很大的进步,我们的航空子部件耐受高温环境的能力也有了很大提高。从新“太行”发动机外部的控制管路来分析,其调节方式非常先进,具有较高的燃油效率,能够很好地控制发动机的温度。

前者不易出现黑烟且更省油,后者是为了更好地保护发动机在任何情况下不会因超温而烧毁。实践中,超温是航空发动机最常见的故障问题之一,会导致整个飞机中后部温度升高,对飞机内部设备正常运行有影响,甚至可能烧毁发动机。例如F-16/79战斗机,全钢隔热罩重达900千克,这会降低飞机的推重比和性能。

从发动机附件的布置情况来看,该型号发动机从设计之初就考虑到了单发适应性的问题,而不需要像苏-31F一样专门为单发设计部件。这表明新“太行”发动机从技术角度来看是完全可以轻松装在单发战斗机,例如歼-10系列飞机上的。

2018年珠海航展上,涡扇-10B基础上改进而来的矢量推力型发动机首次亮相。涡扇-10B矢推版发动机最大的技术特点是采用了隐身的矢量推力喷管。矢量推力有利于进一步提升歼-20的超机动能力,这在近距格斗中,有利于充分发挥歼-20机动性强的气动布局优势。同时,隐身的矢量喷管还将提升歼-20后向的雷达和红外隐身能力,使得其隐身性能更上一层楼。

目前,关于“太行”矢量推力版本的具体名称,官方并未公布。有俄罗斯军工媒体在报道中称其为涡扇-10B3型发动机,有的国内报道则将其称作涡扇-10C。但是从视频中仔细分析可以看出,歼-20上使用的“太行”改进型发动机的外形结构与2018年珠海航展中参加飞行表演的歼-10B适量推力技术验证机所安装的矢量喷管结构有明显的不同。一方面,我们推测从歼-10技术验证机到歼-20量产机型应用,在技术上很可能采取了若干技术改进措施;另一方面,歼-10B和歼-20作为后机身结构完全不同、差异较大的两种飞机,其发动机和矢量推力喷管安装条件和情况很不一样,所以发动机外形结构有所不同也是意料之中的。

在2021年的珠海航展上,中国航空发动机集团公司(中国航发)展示了新款的“太行”发动机发展型。从公开的报道来看,这次改进的重点是针对传动润滑、控制系统和前后端构件进行了改进。我们可以根据公开资料来分析一下其可能的改进思路和目的。

首先,从传动润滑方面来看,对于航空发动机而言,发动机传动与润滑分为传动系统和滑油系统。传动系统的作用是在发动机的使用范围内将发动机转子的扭矩传给发动机附件和飞机附件,在发动机起动时将涡轮起动机的扭矩传给发动机高压转子。传动系统由中央传动装置、附件机匣、飞机附件机匣和减速器等部件组成。滑油系统的功用是在发动机工作时连续不断地将足够的清洁的滑油输送到发动机各转动部件的轴承和传动齿轮的啮合处进行润滑,以减少零件的磨损,带走摩擦产生的热量和杂物。滑油系统分为4个子系统,包含供油系统、回油系统、通气系统和支点增压系统。

从传动和润滑系统的常见故障来看,金属屑含量超标、滑油压力低、滑油泄漏、滑油不回位、滑油消耗量大、齿轮和轴承磨损、失效等故障都是需要重视和解决的问题。为了改善这些问题,我们需要在传动润滑方面进行一些改进。具体来说,可能的改进思路和目的包括:

1,优化传动系统的润滑方案,包括采用更高效的润滑材料、优化润滑结构和流程、加强对传动系统的监测和维护等措施,以提高传动系统的润滑效果和可靠性。

2,提高滑油系统的供油压力和供油量,以保证足够的润滑剂供应给各个部件,同时减少润滑剂的消耗和浪费。

3,加强对传动系统和滑油系统的监测和维护,及时发现和解决故障问题,确保飞行安全和可靠性。

4,提高齿轮和轴承的耐磨性和抗腐蚀性,采用更加先进的材料和制造工艺,以延长使用寿命和降低维修成本。

总之,新款“太行”发动机发展型的改进重点主要集中在传动润滑、控制系统和前后端构件方面,通过优化设计、改进材料、加强监测和维护等措施,提高了飞行安全和可靠性,为中国航空事业的发展作出了重要贡献。

根据俄罗斯公开资料,此前我国使用的某进口型号发动机存在一定的传动润滑方面的设计缺陷,容易导致某轴承的润滑和散热不良。当异常信号被传感器探测到时,会引发降转信号问题,导致发动机只能降低转速勉强维持,甚至关闭发动机。实际上,俄罗斯方面也意识到了这个问题的存在,但是由于飞机采用双发构型,在一台发动机故障被迫降转甚至停车的情况下,依靠另外一台发动机也可以做到安全返航迫降。然而,要从设计上解决这个问题,所需的工作量极大。

因此,在这个问题上,俄罗斯不仅缺乏资金,而且缺乏对其进行深度改进的动力。然而,对于我国的某型飞机而言,单发导致的降转和停车是无法接受的。尽管有一些勇敢的中国飞行员成功地实现了单发故障情况下的成功返航迫降,但这种英勇无畏的行为仍然存在极大的风险,并因此吃了苦头。由于太行发动机的部分系统源自于俄方,因此可能存在一定的传动和润滑设计缺陷。自2005年太行发动机通过评审并定型以来,中国航空发动机科技工作者已经充分认识到了传动与润滑系统存在的隐患,并采取了相应的措施予以改进,从而从根本上解决了这一安全隐患。

在控制系统方面,很明显,早期采用俄制发动机的太行发动机仍然采用了机械液压式的燃油调节和控制系统。然而,从航空发动机的发展趋势和未来战斗机所需的飞火推一体设计需求来看,采用带数字电子调节控制系统(FADEC)的发动机控制系统已经成为必然趋势。据国内公开出版的技术资料描述,我们已经成功研制出了第三代FADEC系统并进行了装机使用。该系统不仅可以显著提高控制系统的精度和响应速度,降低发动机的附件重量,还可以实现未来多型号适配装机的需求。

在前后端构件改进方面,有一些关于太行发动机发展型的想法。根据已有的知识,对于确定设计的飞机和发动机来说,它们的中后机身与发动机的适配挂点是相对固定的,除非涉及重大改进,否则不会进行调整。然而,太行发动机的发展型似乎故意调整了前后端构件,这可能是为了满足某些适配性需求。目前已公开的飞机和发动机型号中,双发和单发的第三代战斗机都已经定型多年,基本上不存在重新大改的可能性。因此,最有可能的情况是,太行发动机的适应性改进是为了满足全新的第四代战斗机的设计需求。在发动机核心段长度和尺寸无法大规模调整的情况下,调整进气机匣、可调尾喷管和其他方面的适配设计,可以满足新型飞机对发动机的需求。这在技术上是完全可行的。

综合上述展板内容来看,最新的“太行”发动机发展型很可能是为了满足全新的战斗机的安全性、先进性和适配性需求而进行改进的。按照我国一贯的宣传原则,能在航展上公开展示的实体都是已经成功的型号。此型发动机的研制成功,解决了歼-20战斗机在全新的目标型号发动机还没有完全研制成功的情况下,暂时缺少适配的国产发动机的问题,为歼-20战机的全面大批量快速列装奠定了坚实的基础。有了“太行”发展型,换装后的歼-20动力更加强劲、身形更加敏捷,将以更强的性能和更自信的姿态,捍卫祖国的领空安全和国家利益不容侵犯。

最近,官方已经证实,歼-20战斗机已经换装国产“中国心”发动机。

中国成功研制了运-20国产大型运输机,并在试飞和早期生产阶段使用俄制D-30KP2发动机。然而,该发动机进口量有限,严重限制了运-20的生产。为此,中国航空发动机部门采用了一种折中的策略,计划仿制D-30KP2发动机,作为运-20目标发动机涡扇-20的研制备份。这个发动机就是涡扇-18。

涡扇-18是在仿制测绘D-30KP2发动机的基础上,结合部分我们已经掌握的先进技术研制的国产化型号。与原版D-30KP2相比,涡扇-18的单机重量仅在2000千克左右,比D-30整机轻300千克,推力达到13.2吨,提高了0.7吨,油耗也下降了近两成。同时,整机推重比由4.75提高到5.01。未来,运-20换装涡扇-18发动机后,根据飞机起飞重量等于发动机推力乘推重比的关系简单换算一下,其最大起飞重量还有很大提升的余地,预计将超过200吨。如果涡扇-20的进度达到预期,那么涡扇-18项目也有其积极意义——因为涡扇-18可以用于替代现役轰-6轰炸机机队使用的进口俄制D-30KP2发动机,保证新轰-6轰炸机的批生产和老轰-6轰炸机的换发需求。

目前,从俄罗斯国防出口公司的公开资料来看,中国并没有继续向俄罗斯进口D-30KP2发动机的打算。至于涡扇-18的进度,早在2014年12月6日,就有外媒发布图片表明,某型国产发动机在伊尔-76验证机平台上首飞成功,这应该就是指涡扇-18发动机。此后,涡扇-18发动机一直在验证机平台上进行飞行验证,各项指标已经趋于成熟。

中国正在研制一款高涵道比涡扇发动机——涡扇-20,作为运-20的目标发动机。涡扇-20是以涡扇-10“太行”发动机的核心机为基础研制的,其综合性能明显优于以前的D-30KP-2发动机。尽管涡扇-18是以一款技术水平有限的老型号涡扇发动机为蓝本研发制造的,但它仍然是中国航空发动机部门采用的一种折中策略的产物。

涡扇-20是以涡扇-10“太行”发动机的核心机为基础发展而来的高涵道比无加力后燃室的新型发动机。它与以F101军用发动机核心机发展而来的CFM-56发动机处于统一技术水平,具有优异的综合性能。虽然关于涡扇-20的性能参数尚未有权威的公开资料,但我们可以借鉴与其有一定技术渊源的CFM-56发动机的一些性能指标来进行推测。

CFM-56发动机产生于上世纪60年代后期,由美国GE公司和法国斯奈克玛公司合作研制。该发动机推力为89~148千牛,风扇直径最大为1.836米,涵道比为5.1~6.6。截至2011年6月,各型CFM-56共交付22208台,是民用涡扇发动机中交付量最多的发动机之一。美国KC-135加油机等大型军用飞机都使用它作为动力装置。CFM-56设计成熟,性能可靠。如果涡扇-20的技术水平与CFM-56中推力较大、技术较新的版本相当,那么大运的国产发动机将会具备较好的技战术性能,使得运-20能够完全达到完整的设计指标。

据外媒推测,涡扇-20最大起飞推力可以达到15吨左右,这个指标接近美国C-17运输机所用发动机的17吨。涡扇-20采用了全新的高性能核心机,涵道比也有显著增加,综合油耗也有了明显降低。这对于运-20而言,不但能够延长其航程,对于由运-20平台改装的加油机、预警机等特种飞机而言,也将显著提升其核心性能指标。

根据公开的资料和研制进度计划,涡扇-20的研制已经取得了很大进展。由于采用了与涡扇-10B相同的核心机和主要技术,涡扇-20的性能得到了显著提升,并且其可靠性也得到了显著提高。这为涡扇-20项目的成功打下了坚实的基础,并提供了很重要的技术支撑。最近,涡扇-20在运-20上的最新装机亮相,证明了这个判断的正确性。涡扇-20已经开始进入飞行试验平台进行本机装机适配和飞行试验,这表明其已经经过了原型机整机地面试验、长久试车、高空台试验等多个阶段,进入了原型机定型前的最后阶段。

如果试飞一切顺利,涡扇-20将安装在批生产型的运-20运输机上,进入小规模低速试生产阶段,并等待进一步的定型和全面批生产。由此看来,涡扇-20的研制已经接近尾声。预计在2025年前,涡扇-20将进入大规模批生产阶段,届时第二阶段运-20B将进入生产的高峰期。这将使中国空军的运-20、运油-20等机队全面开始换装涡扇-20,使中国空军的战略作战能力得到显著提升。

根据歼-20研发的两步走战略,第一阶段将使用“太行”改进型发动机作为动力,而第二阶段则将安装新一代的目标发动机,即涡扇-15“峨眉”。涡扇-15是中国自主研发的第五代国产小涵道比大推力军用涡扇发动机,由中国航空发动机集团公司沈阳发动机设计研究所和燃气涡轮研究院设计研发,沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司制造。与俄罗斯的“产品30”型发动机和美国普拉特惠特尼F119-PW-100处于同一级别和技术水平的涡扇-15,采用了先进的矢量推力技术,其矢量喷管采用先进的三元轴对称结构,并且在控制机构设计上采用了更先进的控制技术。

据公开论文显示,在矢量控制结构上采用了三点式设计,通过控制互成120°的3个作动筒带动调节环来提供俯仰或者偏航所需的矢量角。相比俄罗斯复杂的偏转机构,涡扇-15的控制规律主要是微量调节喉道的面积,通过调节矢量喷口的面积来保证发动机本体能够工作在最佳状态下,减小推力损失。在2016年珠海航展上展示的涡扇-10“太行”改进型发动机的矢量推力控制试验方案上,已经能实现±10度的控制。因此,涡扇-15的研制已经取得了很大进展,有望在2025年前进入大规模批生产阶段。届时,涡扇-15将为歼-20等第五代战斗机提供更强大的动力支持,推动中国空军的战斗力得到进一步提升。

涡扇-15是中国研制的第五代国产小涵道比和高涵道比涡扇发动机,采用了全新的研制流程,即先研制高性能先进核心机,然后在核心机基础上发展小涵道比和高涵道比涡扇发动机。与借鉴大量外国发动机技术的“太行”发动机不同,涡扇-15采用了全新的设计思路。

先研制核心机的好处有很多。首先,在核心机研制过程中,核心部件如压力机、燃烧室、涡轮等可以经过长时间的试车和各种试验,充分暴露出设计、材料和工艺方面的问题,科研人员可以有针对性地进行改进,排除所有的技术障碍和隐患。一旦核心机成熟,就会成为一款新型涡扇发动机的坚实技术基础,使得这款发动机在使用过程中出现故障和问题的概率大大减少。

其次,基于一款先进核心机,可以发展出多种推力和涵道比不同的系列发动机,应用于多种飞行平台。比如可以用于战斗机、轰炸机、运输机甚至民航客机等。据外媒推测,涡扇-15发动机的核心机可能最早于2006年就完成了首次台架试车。

涡扇-15在设计上还采用了一些新技术。例如损伤容限和高效率的宽弦叶片、三维粘性叶轮机设计方法、整体叶盘结构的风扇和压气机、单晶气冷涡轮叶片、粉末冶金涡轮盘、刷式封严、树脂基复合材料外涵机匣、整体式加力燃烧室设计、陶瓷基复合材料喷管调节片、三元矢量喷管和具有故障诊断和状态监控能力的双余度式全权数字式电子控制系统。此外,发动机由10个单元体组成,最大推力预计将达到180千牛,与F119相当。

总之,涡扇-15是中国自主研制的一款先进的航空发动机,具有先进的矢量推力技术和新型设计思路,采用了许多新技术,其性能指标与F119相当。相信随着涡扇-15的研制完成,将为歼-20等第五代战斗机提供更强大的动力支持,推动中国空军的战斗力得到进一步提升。

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一杯红尘醉

简介:陶渊明,无题!采菊东篱下,悠然见南山