四代动力之忧!!

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导读:解放军空军成立六十周年之际,2009年11月8日央视《面对面》栏目对空军副司令员何为荣将军进行了专访。当主持人问到:中国什么时候可以研制出自己的第四代战机呢?何司令回答道:中国的第四代战机现在是紧锣密鼓地在进行之中,正在研制,根据有关资料透露,可能很快要进行首飞,首飞又很快就进行试飞,很快就装备部队。根据现在的情况,可能还有八到十年。 [img]http://pic.itiexue.net/pics/2010_2_10_84860_10684860.jpg[/img] 这个新闻无疑大大鼓舞了我
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解放军空军成立六十周年之际,2009年11月8日央视《面对面》栏目对空军副司令员何为荣将军进行了专访。当主持人问到:中国什么时候可以研制出自己的第四代战机呢?何司令回答道:中国的第四代战机现在是紧锣密鼓地在进行之中,正在研制,根据有关资料透露,可能很快要进行首飞,首飞又很快就进行试飞,很快就装备部队。根据现在的情况,可能还有八到十年。


四代动力之忧!!


这个新闻无疑大大鼓舞了我们时时刻刻关注祖国空军和航空工业的军迷们。按照何为荣司令的说法并且综合官方报道,可以认为中国的四代战机目前处于发图的最后阶段也就是详细设计即将完成。详细设计完成,也就意味着整个飞机的设计全部搞定,能够开始按照图纸生产原型机了。预计,中国的四代机能够在2012左右首飞,经过严格的试飞检验和设计定型环节,大概在2018左右开始装备部队并且开始生成初始作战能力。




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美帝的F22四代机已经于2005年12月实现了初始作战能力


第四代重型空优战斗机的主要特征是:雷达/红外/射频隐身、综合化的航空电子系统、超高机动性和超音速巡航。在隐身方面,我国在上世纪八十年代前后即开始隐身作战飞机背景研究,在九十年代中期就在网络上流传出了几个我国隐身机预研的背景型号外形图片。随着我国在飞机雷达发射截面积计算理论、算法和超级计算机领域的突破,我国对于现代隐身作战飞机外形设计有了较为深刻的认识并且具备了研制作战型号的能力。在航电方面,第四代战斗机所需要的相控阵机载火控雷达已经完成演示工作,样机的试飞工作已经全面展开,近年用于实际装备的雷达型号应该就可以设计定型并且装备三代改型作战飞机以及四代战机。综合航空电子系统研究也早已全面展开并且结出硕果,根据某些资料推测,在网络上新近流传出的歼十B战斗机上就装备了具备第四代战斗机特征的综合化航空电子系统,据说其机翼上神秘的棒状天线就对敌方机载雷达有较强对抗功能,并且在电子对抗能力上与我国以往战斗机相比有了相当大的飞跃。在飞机气动设计方面,从我国三代战斗机的典型代表歼十身上我们就可以看到我国在战斗机气动布局和外形设计上的深厚功底。我国在四川地区还有着亚洲最为庞大和齐全的风洞群,为我国战斗机气动设计提供了坚实的保障。经过在三代战机上第一次独立拿出一个具有中国特色的气动布局设计,我国的四代战斗机气动外形设计相信会更加贴近战斗机实际作战要求并且具有令世人惊艳的机动性能。




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网络上对于我国四代机外形的想象图,我国四代机采用高速性能较好的鸭翼设计可能性较大




但是在动力方面,我国的进展就不如其他方面那么顺利和迅速。四代机重型空优机一定要能够超音速巡航。对于超因素巡航,目前网络上的一些理解并不非常准确。有些观点认为超音速巡航就是不开加力能超音速,也就是说在发动机未打开加力燃烧室的情况下能达到M1的速度。与美帝对于超音速巡航的要求相比,这个要求明显偏低。早在几十年前英国装备的闪电战斗机就可以实现不开加力超音速。这样的性能对于飞机作战也并没有什么实质上的改善。美国90年代典型战斗机的作战飞机任务剖面各飞行航段的主要性能要求为:起飞降落滑跑距离小于457m;作战时要求高度在9144m,M从0.8到1.6的加速时间小于50s;高度在9144m,M为0.9-1.6时的正常盘旋过载均大于5g;突防和脱离战斗时能在9144m高度以M=1.5作不加力超音速巡航;在高度12190m飞机最大平飞速度达M = 2.0。这些性能数据说明90年代战斗机比现役战斗机有更优越的性能。如在同样飞行条件下正常盘旋过载从4.1 - 4.3g增加到5g以上;要求不加力状态达到M=1.5超音速巡航等。下一代战斗机的主要作战高度和速度仍以中低空中速为主.从美国先进战术战机(ATT)也就是F22的飞行包线可以看出,该战斗机不追求比现役机种更高的M数(最大M数为2.0左右),但扩大了低空大速度和高空小表速工作范围,特别是扩大了不加力工作包线范围,并且要求在发动机不加力状态下,能以M 1.4 -1.5作超音速巡航和超音速突防.而现役战斗机中个别的只能在某些条件下以不加力推力作略大于1.0的短暂飞行。




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我国的太行三代航空发动机尚且没有完全成熟


也有的观点认为超音速巡航的意义仅限于让猛鸟赶到战区快一点,通过防空火力区的时间短一点。这也是对于战斗机动力性能理解不足的表现。超音速巡航赋予了四代作战飞机质变提升的作战效能。具备超音速巡航性能的作战飞机空优性能提升明显。不具备超音速巡航性能的战斗机一般处于高亚音速前往战区、巡逻或者进行搜索接敌。由于三代航空发动机的军用推力(不打开加力燃烧室的最大推力)根本不足以维持飞机在作战高度进行超音速飞行。打开加力后飞机虽然可以进行超音速作战,但是发动机耗油率又翻倍增长,比如AL31发动机军推耗油率在0.8左右,而加力耗油率则达到了2以上,相当于非加力状态的两倍以上。此时,飞机油量不足以维持飞机进行长时间超音速飞行。因此,在传统的超视距空空作战中,不具备超音速巡航的作战飞机都在接敌之前保持高亚音速飞行,在指挥系统的指引下进行战术机动,占领优势位置。一般在自身雷达发现敌机之后的必要情况下才根据作战态势开全加力进行加速,以形成对敌机的高速接近迎头拦截态势。由于空空导弹,尤其是中距空空导弹的有效射程与载机发射速度有很强的关联,因此战斗机在发射导弹之前都要尽量加速,以拓展自身导弹的有效设计区,为赢得空战创造条件。具有超音速巡航的四代战斗机装备的四代航空发动机军用推力相当于三代航空发动机的加力推力,而且耗油率仅仅比三代航空发动机略大。无论是发动机本身的军用推力还是耗油率,四代航空发动机都可以支持飞机进行长时间的超音速飞行。于是四代战斗机可以在进入战区后直接开始超音速巡航,时时刻刻保持自身导弹的有效射程优势。大概这也是美帝在装备F22以后并没有装备固体冲压火箭发动机远程空空导弹的原因之一吧。同样的导弹,装备在四代作战飞机上以后,威力却是大大增加。即便是四代战斗机处于松懈的亚音速巡逻状态下的时候紧急发现敌机,强悍的四代航空发动机也可以提供更强的加速性能以使飞机更快地达到作战速度,无疑大大增加了作战飞机的生存力和战斗力。在中距作战脱离时,仍然有敌机对于四代机具有威胁,四代机也可以以比三代机更高的生存概率脱离战区。这同样是因为空空导弹的有效射程与目标机的速度有很强关联。在迎头发射时,目标机速度越快,导弹射程越大,在尾追发射时,目标机速度越快,射程越小。在完成中距作战脱离时,四代作战飞机也完全能够保持1.4马赫左右的速度,此时敌方导弹的尾追射程和命中率大大缩水,飞机生存力大大提高。总而言之,四代航空发动机赋予四代作战飞机的是全方位的效能提升,能够让四代作战飞机在面对三代机时具有非对称的作战优势。




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开加力试车的F119,此时发动机耗油率很高


由于我国航空动力工业底子薄,实力弱。朋友们对于我国的四代动力系统能否实现超音速巡航相当关注也比较担心。下面就请听龙腾浅析一番,如有谬误,纯属巧合。


为了使作战飞机能够超音速巡航,第四代航空发动机同样具备以下特点。


第一,小涵道比设计、并需要高性能风扇。涡轮风扇发动机的涵道比是发动机速度特性、耗油率和推力的重要影响因素。较小的涵道比可以赋予发动机更好的高速性能,也就是发动机可以更好的适应高速飞行环境。虽然较小的涵道比使发动机的耗油率略有增加,但是同时还可以使发动机的迎风面积减小,提高发动机的单位迎风面积推力,间接使作战飞机横截面积缩小,减小了飞机阻力,同时还可以减轻发动机重量,提高发动机推重比。但是较小的涵道比会降低发动机的军用和加力推力,主要是因为较小的涵道比降低了发动机的进气流量。因此,采用较小涵道比设计的前提是,发动机采用了高压比的风扇。高压比的风扇能够在发动机直径和涵道比缩小的情况下,保证提供给发动机的进气流量不变甚至增加。否则,发动机降低涵道比只能是增加耗油量和降低推力。美帝的F119就采取了涵道比0.3左右,三级钛合金空心高压比风扇的设计。




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航展上的中国两级高性能风扇


高压比风扇对于一个国家的风扇气动设计理论,风扇制造水平提出很高要求。我国曾经在珠海航展上展出过高压比的两级风扇,被誉为是珠海航展上最具有技术含量的产品。其采用了转静子叶片大前掠设计,可提高风扇效率,扩大稳定工作范围,提高风扇抗流场畸变能力;采用了带碳纤维复合材料缠绕箍的整体叶盘设计技术,利用复合材料缠绕箍承受叶片和叶片的离心力,减小叶根和叶盘的拉伸应力,使叶片和叶盘设计较薄,整个转子重量比常规设计轻40%-50%,同时消除了叶片颤振的可能性;其转子叶片采用多项式中弧线叶形,静叶采用定制叶形,通过应用先进叶形,减小进气能量损失,提高效率,扩大了稳定工作范围;其静子叶片采用可变弯度设计,可改善非设计工作点性能。从这款风扇的性能来看,我国应该完全胜任四代航空发动机的风扇设计制造,并且可以为四代动力系统改进提供更强大的风扇系统。因为美帝的F119发动机采用的是三级设计,我国展出的风扇系统采取的是更先进的两级设计,并且达到了三级设计的性能。根据推测,我国会在自己的下一代动力系统上采用保守的三级风扇设计,在后期的改进中采用两级风扇,减低重量,增加推比。


第二,先进的结构设计方案;在传统的三代航空发动机设计中,通常采用三级或者四级风扇+九级甚至十几级高压压气机+一级或者两级高压涡轮+一级或者两级低压涡轮的设计。而美帝的F119直接采用三级风扇、六级高压压气机、一级低压涡轮和一级高压涡轮的结构设计。这种更加简化的结构设计极大的减轻了四代发动机的重量,增加了发动机的推重比。更加强大的性能却由更少的叶片来完成,这就意味着四代动力系统的风扇,压气机和涡轮的单级载荷都要大于三代发动机。这就需要更好的强度结构设计,尤其需要更强大的材料作为支持。我国在航空发动机结构设计上实力并不突出,旧式的航空发动机秉承了苏联的简单设计,寿命和强度都说不上完善,比如涡喷13就曾经发生过叶片断裂事故等等。我国应该是从太行发动机开始贯彻发达国家结构完整性大纲的,现在太行发动机可靠性和维护性也存在一定问题。不过,从资料推测,我国下一代航空发动机也将会采用和F119完全相同的结构设计方案,采用三级风扇,六级高压压气机,一级高压涡轮和一级低压涡轮的设计。三级风扇将采用宽弦空心设计,并且是整体叶盘结构;高压压气机采用高级压比设计,6级转子也全采用整体叶盘结构。





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美帝F119的结构图


第三,高循环参数;航空发动机的性能取决于循环参数的设置,简而言之就是燃烧室出口温度的大小,也就是常说的涡轮前温度。高涡前温意味着高燃烧效率和高功率,但是也对于涡轮叶片强度提出很高要求。我国下一代航空发动机性能瓶颈也多半是由于涡轮性能限制了循环参数的提高。根据资料推测,我国下一代航空发动机可能采用了第二代单晶合金DD6和第二代粉末冶金涡轮盘FGH97。而美帝的F119则采用了三代单晶和三代双性能粉末冶金涡轮盘,这一点,我国下一代航空发动机与美国差距不小。我国下一代航空发动机的涡前温也许大致在1800K以上,但是估计不会超过1900K,而F119则达到了革命性的2000K。可以说是涡轮材料和工艺限制了我国下一代航空发动机的性能,也限制了我国四代的超音速巡航性能。



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我国可能发展成为下一代航空发动机的核心机参数


按照循环参数推算,我国下一代航空发动机的整体推重比(不算矢量喷管)可能达到9以上,同样条件下,F119则达到了11.7。这不能不说是不小的差距。考虑到中国的四代战斗机可能会更小,并且采用更具有高速特性的鸭翼布局。如果装备有F119的F22能够在9000米的高度进行1.5马赫左右的超音速巡航的话,我国的四代战斗机或许可以在这个高度实现1.2-1.3马赫的巡航。虽然也算是实现了超音速巡航,但是这个速度恰好处于刚刚突破跨音速不稳定区,并不是一个很好的速度区域,这对于我国四代机的性能是个比较大的影响。要实现我国四代机更加完善更加实用的作战性能,我国需要对于下一代航空发动机进行升级或者研制更强的动力系统。


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