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中国为何仍造不好航空发动机 究竟有哪些技术难题

中国为何仍造不好航空发动机 究竟有哪些技术难题
2019年02月27日 12:30 新浪军事
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  发动机是飞机的心脏。在菜特兄弟之前,尽管许多人做了不少飞行试验,但都没有得到令人满意的结果。其中一个重要原因,就是发动机十分笨重,效率不高。从螺旋桨到喷气式,从亚音速到3马赫,航空技术的每一项重大突破都与发动机密切关联。所有的航空大国都把发动机技术列为最需要保守的机密之一;美国在削减军费的情况下,反而增加航空发动机?#38590;兄?#32463;费;而俄罗斯靠着先进的发动机技术,竟能弥补电子技术与美国的差距,使战机的总体水平与美国抗衡。因此,我们完全可以说,没有杰出的发动机,就没有先进的战斗机。

  ▲苏-27优异的机动性与其配套得AL-31F发动机分不开

  今天,军用飞机最常用的发动机是?#26032;?#21943;气发动机和?#26032;?#39118;扇发动机,我们经常看到的所谓涡喷发动机和涡扇发动机,分别是它们的简称。有的军用运输机采用?#26032;?#34746;旋桨发动机,它被简称为涡桨发动机。?#26032;?#21943;气发动机主要由压气机、燃烧室、?#26032;幀?#21943;管等组成。有的还带有加力燃烧室,称为加力式?#26032;?#21943;气发动机。?#26032;?#21943;气发动机的基?#31455;?#20316;原理是:由?#26032;?#24102;动压气机旋转,使进入发动机的空气增压;空气增压后,进入燃烧室与燃料混?#20808;?#28903;,产生高温、高压燃气,高温、高压燃气推动?#26032;?#36716;动做功,并经尾喷管高速喷出产生反作用推力,从而推动飞机前进。

  ▲米格-15使用的RD-45离心式涡喷发动机是第一代涡喷发动机的代表,其仿制于英国罗罗公司?#21738;?#24681;发动机

  ▲F-100-PW-220涡扇发动机造就了F-15和F-16一代经典

  加力式?#26032;?#21943;气发动机经过?#26032;?#21518;的燃气再次与燃料混合,在加力燃烧室内燃烧,增加由喷管排出的燃气的动量,使发动机的推力显著增大。但是,使用加力会使发动机的燃料消耗过速,因此加力的使用时间必须有严格的限制。?#26032;?#39118;扇发动机是在?#26032;?#21943;气发动机的基础上发展起来的。它以原有的?#26032;?#21943;气发动机构成内涵通道,在此基础上加装由?#26032;?#24102;动的风扇和外涵道。因此这种发动机又?#24515;凇?#22806;涵发动机。与涡喷发动机相比,涡扇发动机的推力加大,巡航油耗降低,因此在现代军用飞机中得到了广泛的运用。目前,较先进的战斗机、战斗轰炸机、轰炸机几乎全部选用了涡扇发动机。从技术分类看,涡扇发动机又分为两类,一类是高涵道比涡扇发动机,主要用于大型轰炸机、运输机,它的突出特点是推力大、重量轻、耗油率低和噪音小;但发动机?#26412;?#22823;,耗气量高,不?#35270;?#35013;在瘦小的战斗机上。现代战斗机大多采用低涵道比涡扇发动机,这种涡扇发动机结构紧凑、推重比大,虽然油耗高于高涵道比涡扇发动机,但却大大低于涡喷发动机,?#35270;?#20102;高性能战斗机的需要。

  ▲高涵道比涡扇发动机主要用于大型飞机,伊尔-76、运20、轰6K都是使用俄罗斯的D-30发动机

  喷气发动机最常见的性能数据有:尺寸与重量推力、油耗、推重比等等。喷气发动机的尺寸一般用长度和最大?#26412;?#34920;述,单位使用毫米;重量以公斤为单位。尺寸与重量是发动机最基本的性能数据,在同等推力条件下,?#27604;?#23610;寸重量越小的发动机越好。仔细对比不同发动机的尺寸重量,你可以发现一些有意思的现象。同等推力的涡扇机与涡喷机相比,一般重量轻、长度较短,最大?#26412;对?#36739;大;这是因为涡扇机是在涡喷机的基础上增加了外涵道,所以?#26412;?#36739;大;而涡扇机的效率较高,所以重量轻、长度较短。有时,?#25945;?#25512;力相近的发动机,重量较重的尺寸反而略短,?#24471;?#36825;台发动机的结构紧凑,装到飞机上会节省空间。

  ▲低涵道比涡扇发动机主要用于小型战斗机,如中国歼10所采用的ws-10发动机

  推力是喷气发动机的重要性能指标,推力的单位常用千牛顿,简称千牛;?#37096;?#29992;千克或公斤。它们之间的换算方式是:1000公斤=980千牛。通常在发动机的性能指标中,我们可以看到两种推力数据,一个是最大推力,西方也称为军用推力,是发动机不使用加力时的最大推力;另一个是加力推力,有些地方也表述为起飞推力,是打开加力时的最大推力。现代战斗机使用的喷气发动机?#20945;?#25512;力大小大体分为?#38477;擔?#25512;力在1000公斤以上的属于大推力发动机;推力在8000公斤上下的为中等推力发动机。像F-15、苏-27那那样的重型战斗机使用?#25945;?#22823;推力发动机,类似F-16的小型战斗机则采用一台大推力发动机;中等推力发动机多以双发形式用于中型战斗机上,如?#22909;?#22269;的F-18、法国的“阵风”、?#20998;?#22810;国联合?#20804;?#30340;“台风”、俄罗斯的米格-29以及我国的歼-8Ⅱ等等。也有以单发形式用于轻型战斗机的情况,像瑞典的JAS-39、我国的FC-1等。推力更小的小推力发动机则多用于军用教练机和无人机。

  ▲米格-29使用的RD-33发动机是出了名的耗油高,目前FC-31就是使用这款发动机

  发动机的油耗也称耗油率,它的计算单位是公斤每公斤每小时。某发动机耗油率为0.7公斤每公斤每小时,意思就是该发动机发出1公斤推力在1小时内要消耗?#21152;?.7公斤。同一台发动机在不同工作状态下的耗油率是不一样的,因此,性能指标中给出的耗油率只是某些特定情况下耗油率。通常包括巡航耗油率和加力耗油率。目前比较先进的战斗机发动机,如用于F-15和F-16的F100PW-229型涡扇发动机,它?#38590;?#33322;耗油率为0.647公斤/公斤?小时,加力耗油率为1.94公斤/公斤?小时。上述发动机的加力推力为13199公斤,推算下来,以加力推力飞行1分钟,就要消耗?#21152;?27公斤。比较而言,涡扇发动机?#38590;?#33322;油耗较低,涡喷发动机的加力油耗较低。但由于飞机常用的是巡航状态,所以总的来说还是涡扇发动机的油耗较低。

  ▲涡扇发动机的王冠——F-22的F-119发动机,推重比高达10

  推重比是喷气发动机最重要的指标,它是指发动机的所能发出的最大推力与它的重力之比。推重?#20173;?#22823;,发动机的总体性能就越高。20世纪50年代,著名战机米格-21使用的P13-300涡喷发动机推重比仅为5.8,在当时已经是很高的了;第四届珠海航展中展出的我国自行?#20804;?#30340;“昆仑”Ⅱ发动机推重比达到了7,这在涡喷机中已经是很高了;国外第三代战斗机使用的涡扇发动机,推重比普遍超过了8,使这一代战机具备了突出的载荷机动性能;而美国最新型的F-22战斗机,它所使用的F119-PW-100涡扇发动机,推重比已经超过了10,为战斗机超音速巡航提供了充裕的推力。发动机的基本性能集中?#20174;?#22312;推重比上。推重比高,意味着推力大,重量小,飞机的性能也就好。发动机的推重比是发动机的核心部件一一压缩器、燃烧室与?#26032;?#30340;“三高?#20445;?#39640;压、高温、高转速)的结果。发动机的核心部件要想工作在高压、高温、高转速的条件下,所使用的材料、结构和工艺要求就十分?#37327;獺?/p>

  ▲F-35的F-135发动机最大推力高达18吨,当今无人能及

  正是由于军用喷气式发动机极高的制造要求,考验的是一个国家最基础的工业积淀,各种材料,数据,工艺流程都是需要几十年的摸索,任何一个国家想要?#20804;?#20986;先进的军用喷气发动机都需要走完这个过程,所以要解决中国发动机一直被诟病的心脏病问题,必须有充足的时间积累?#20013;?#25237;入技术和?#24335;稹#?#20316;者署名:军武次位面)

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