揭秘我国中等推力航空发动机发展

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据“全球飞行资源”网站当地时间7月15日的报道,巴基斯坦空军两架枭龙战机在一架C-130的伴随下,已经抵达英国汉普郡,前来参加2010范保罗航展,这是枭龙在西方首次公开亮相。枭龙此次在西方航展上亮相可以说是枭龙战斗机乃至中国航空工业发展的一次重要事件。一个积贫积弱的半农业国家,一个饱经战乱和困苦的民族经过几十年的不懈奋斗和努力不仅仅使自己装备上了世界先进水平的作战飞机,还通过自己的科研实力和工程水平让自己盟国的天空雷电轰鸣,霹雳呼啸。(雷电是枭龙在巴基斯坦空军的绰号,霹雳是我国空空导弹的代表符号)


揭秘我国中等推力航空发动机发展

加挂三个副油箱,采用巴基斯坦空军空优涂装的枭龙战斗机抵达范保罗航展现场


在新中国航空工业建设过程中,苏联老大哥确实给予了很多帮助,我们对为了新中国航空事业发展做出突出贡献的国际专家和友人表示崇高的敬意。但是当徒弟快要超过了师傅,师傅心里就开始酸溜溜的了。最近俄罗斯媒体使劲在鼓噪:枭龙是老大哥拳头产品米格-29第三世界军火市场的主要竞争者,将对其出口构成威胁。遍览世界战斗机市场,枭龙战斗机可以说是性价比最高的三代战斗机。枭龙通过新老技术的成功融合,以较低的成本实现了发射主动雷达制导导弹进行超视距空战的性能。同时,面对小巴本国空军装备的F16C/D战斗机的有力竞争,枭龙通过采用更加先进的气动布局,换装先进综合航电和全权数字飞控系统等措施进行了全面的作战效能升级。当枭龙04号原型机展现在世人面前时,世界明白了,中国航空工业早已不是蹒跚学步的学徒,而是剑指全球战斗机市场的一匹黑马。参加范保罗航展只是枭龙迈出国门,杀向世界的一步。是的,你们会习惯世界各大航展上中国飞机的身影的。



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枭龙已摆脱了刚出世时的青涩,一举一动已经是世界先进战斗机的派头


从歼七改两侧进气的超七,到美国格鲁门公司指点下的佩刀计划,再到米格设计局参与下的FC-1,最终枭龙研制成功了。虽然在气动、结构和航电方面,枭龙都带有国外设计的因素,但是枭龙全身上下都是中国造,除了动力。是的,又是动力,枭龙和歼十,歼十一,飞豹等我国自主研制的战斗机面临着同样的问题。枭龙所采用的动力是俄罗斯发动机RD93,与枭龙的竞争对手之一米格29所采用的动力是基本一样的。于是为了打压中国武器出口,争夺国际市场份额,俄罗斯媒体前一段时间又传出来禁止出口RD93航空发动机给中国装备枭龙战斗机的消息。紧接着,正在为枭龙动力被卡脖子担心的人们又听到另外一个振奋人心的好消息:中航工业自行立项研制的泰山发动机配装枭龙与2010年3月18日首次滑跑成功!那么泰山发动机性能如何?中国在中等推力航空发动机研制路程上又经过怎样的波折与成功?请听龙腾为您讲述:中国的中推之梦。


本国航空动力工业是从维修、生产和仿制前苏联涡喷发动机开始的,经过多年发展,研制生产了涡喷7和涡喷13两个主力型号。但是由于航空工业整体实力较弱,我国涡轮风扇发动机发展一直没有起色。606所设计研制的910发动机,也就是我们熟知的涡扇6发动机经过16年的研制,却没能最终成功。我国生产装备的第一款中等推力涡扇发动机是从英国引进仿制的秦岭,也就是涡扇9,其原准机是斯贝MK202。



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英国斯贝MK202发动机


军用斯贝MK202发动机是英国罗斯·罗伊斯公司在民用斯贝MK511和MK512基础上发展起来的,为满足军用要求加大了的飞行载荷和受力状态,在结构上和材料上作了较大的修改。斯贝MK202发动机是双转子涡轮风扇内外函混合加力式发动机,其采用了五级轴流式低压压气机,12级轴流式高压压气机,环管燃烧室和高低压涡轮各两级。整机加力推力9.3吨,军用推力5.5吨,燃烧室出口温度1500K左右,流量92.5公斤每秒,推重比5.05。虽然斯贝MK202的成功引进解决了飞豹的动力问题,但是不得不说斯贝MK202这款发动机的整体技术水平是较低的。由于其设计年份较早,整机结构设计落后,发动机转子总级数达到了21级,推比仅仅是5级别的,而三代典型中等推力涡扇发动机转子总级数一般是12左右,推比是7一级。不过涡轮风扇发动机相比于涡喷发动机的优势却在飞豹身上显示的极为明显,由于斯贝MK202耗油率较低,飞豹最大作战半径达到了突破性的1600公里,相比于国内其他作战飞机,不得不说飞豹成为远程精确打击的国之重器。



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装有秦岭发动机的飞豹战斗轰炸机,真正成为了远程精确打击的国之重器


在上世纪70年代初期本国引进斯贝MK202这一款二代中等推力涡扇发动机的时候,航空强国已经开始装备第三代涡轮风扇发动机。第三代涡扇发动机的典型代表就是美国的F404。该机采用带可调进口导流叶片的环形进气口,3级轴流宽弦实心钛合金风扇叶片,7级轴流式高压压气机,短环燃烧室和单级高低压涡轮的总体设计方案。中间推力4800千牛,加力推力7120千牛,推重比7.24的性能指标傲视群雄。为了缩短差距,跟上潮流,1980年我国开始了高性能推进系统工程预先研究(简称高推预研)计划,整个计划的核心目标就是对F404发动机进行分析和预先研究,研制出水平相当于F404核心机的中推核心机,为我国自行研制涡扇发动机提供技术储备。根据相关资料记载:该项目以中国燃气涡轮研究院为总工程师单位,有全国24个厂、所、院校1000多名高、中级科技人员参加。



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先进中等推力发动机的典型代表美国的F404发动机


国内首先以F404为预研对象,对F404的结构,循环参数,冷却手段,材料和工艺进行了全面的分析研究,然后在国内开展相关技术的研究和突破工作。经过长达10年的艰难攻关,中推核心机的相关核心技术被陆续攻破。1990年底,中推核心机被正式列为国防科工委”八五”期间l8项关键预研项目之一。624所开始开展中推核心机的研制,同时积极进行中推验证机的方案论证工作。并将中推预研分为3个阶段,即三大高性能部件研制,中推核心机研制和中推验证机研制。三大部件即航空发动机的高压压气机、燃烧室和涡轮,航空发动机研制的重点。中推核心机采用了七级高压压气机(核心机没有风扇,也就是没有低压压气机)、短环燃烧室和单级高压涡轮(没有风扇的同时也没有低压涡轮)的总体设计。其基本结构与F404完全相同。其中七级高压压气机全面达标,相当于美国F404、CMF56发动机高压压气机的水平,此后先进的高压压气机成为我国先进航空发动机的特色,包括我国推比10一级核心机在内的航空发动机研制计划都广泛受益。突破三大部件研制后,中推核心机进行了组装,解决了三大部件的匹配问题。然后开始了地面台架和高空台的试车任务。1992年12月12日,中推核心机达到地面最大转速状态,1994年1月中推核心机达到设计指标。


中推核心机非常非常稀有的清晰照片,也是仅有的几张能够找到的照片中最清晰的一张


高推预研历时15年,经历了四个阶段,取得了许多令人瞩目的重大成果。通过高推预研,我国初步掌握了推比8一级核心机的总体、气动、冷却、结构、强度设计技术和三大部件间的匹配技术。按照我国航空发动机型号都以山川命名的习惯,中推核心机被命名为“天山”。1997年,中推核心机获得研制中推验证机的批准。正在高推预研计划经过多年的基础研究开始工程化变成实在的发动机型号之时,1999年,高推预研计划因经费问题终止。此时,中推核心机的整体技术水平已经与F404、RD33相当。不过各位看官莫要惋惜,预研计划的好处就是进行技术验证和储备,项目虽止,但技术不死,天山不倒!经过数年沉寂,中推以一个更加令世人惊艳的面貌展现在世人面前,它就是……我们下文再说……


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中推核心机台架试车时的照片,可以看到我国航空发动机工作者的工作环境并不是很好,向他们致敬。


高推预研计划中断有着多方面的原因,除了经费方面的原因之外,高推下马另外一个很重要的原因就是受到了其他型号的冲击,它就是前文中装配枭龙滑跑成功的涡扇13,绰号泰山。与中推核心机从基础研究开始逐步进行验证和试车并且进行长远规划的发展不同,泰山是个针对性很强的项目。随着枭龙项目的推进和米格设计局的加入,枭龙的动力问题从西方系的发动机转向俄罗斯。米格设计局很自然的把米格29的动力系统RD33推荐给了中国,于是枭龙装备了RD33的单发型号RD93中等推力发动机。小巴装备枭龙是为了打印度阿三,而阿三和枭龙动力的提供者俄罗斯有长期军售关系,于是阿三就开始呼吁俄罗斯禁止出口RD93发动机给中国。俄罗斯媒体也是一阵一阵的响应阿三的号召,声称枭龙走向国际市场影响了米格29的生意。本国向来不是个伸着脖子让别人卡的主儿,2005年本国开始山寨俄罗斯RD93发动机,这就是泰山。相信再过几年,枭龙也就能够像完全摆脱英国斯贝进口发动机的飞豹一样,实现动力的自主供应。由于泰山项目属于仿制现有发动机,而且技术成熟可靠,因而一直搞得比较艰难的天山就受到了影响。本国航空工业被外来型号冲击而下马的自主型号还是不少的。不过经过长期的经验教训总结,本国也明白了,航空发动机不能总是靠进口,一定要有自己研制的先进型号。





珠海航展上的新中推与RD33进气道支板设计比较类似,进气道头锥里就是风扇前的零号轴承


珠海航展上,一个加力推力9500公斤的新型中等推力发动机模型引起了众多关注的目光。这款没有注明型号的中推发动机模型到底是何方神圣,技术来源如何?网络上猜测满天飞。我们暂且称之为新中推吧。新中推采用了类似于RD33风格的进气道支板来支撑风扇前的轴承,而F404、EJ00等西方中推都采用了风扇后加轴承的支撑方案。但是整机外形采用了铣出栅格的钛合金机匣这一点又偏偏与F110和EJ200等欧美航空发动机非常类似。当然决定整机技术脉络不是转子支撑方案也不是外机匣如何处理,而是三大部件和核心机部分设计。根据模型展示出的新中推的内部结构来看,新中推的风扇应该是三级左右,采用了七级高压压气机和短环燃烧室。新中推的涡轮部分没有展示出来,但是不妨碍我们推测一下。事实上,自从第三代先进中推机问世,一般都采用单级高低压涡轮的设计。因而新中推最可能采用的结构就是三级风扇、七级高压压气机、短环燃烧室和单级高低压涡轮的整体设计。现在我们对比一下天山七级高压压气机、短环燃烧室和单级高压涡轮的结构……




新中推内部展示出的七级高压压气机,其外部是铣出栅格的钛合金机匣。




西方发动机往往使用铣出栅格的钛合金机匣,这是法国的M88中推发动机,这一点与新中推非常类似


天山复活了!不对,应该是涅槃,因为新中推的整体技术水平比天山有了一个提升。


天山师承美国先进航空发动机典型代表F404的整体设计,技术水平明显高泰山一个档次。这么性能优良,投入巨大的预研项目就此付诸东流岂不是相当可惜。实际上,我国根据国外先进航空发动机研制经验,开始构架推力从20千牛一直到200千牛的航空发动机核心机序列。我国用五个流量不同的核心机来保证今后航空兵和民航大部分发动机型号的研制。这就是核心机预研工程。而中推核心机已经作为这个计划的一部分纳入到了我国航空发动机长远发展的规划当中。根据资料来看,中推核心机就是整个核心机序列中的换算流量20公斤的核心机GD20。新中推的加力推力达到了9500公斤,这已经接近大推力涡扇发动机的推力级别了。传统的第三代中等推力涡扇发动机比如F404基本型,其加力推力一般是7-8吨级别。加力推力9吨以上的性能指标一般是以EJ200为代表的新一代中推发动机的参数。因而可以推断新中推一款新一代中等推力涡扇发动机,其推比应该在8以上,甚至达到9。目前新中推应该处于验证机或者型号研制阶段,等到新中推定型的时候,我国就真正可以说拥有了自主设计的先进中等推力航空发动机。萦绕我国四十年的中推之梦,可以变成现实了。



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