挑战3马赫与组合发动机:“中国黑鸟”怎么用?

挑战3马赫与组合发动机:“中国黑鸟”怎么用?

挑战3马赫与组合发动机:“中国黑鸟”怎么用?

挑战3马赫与组合发动机:“中国黑鸟”怎么用?

“中国黑鸟”有什么用

上周一,在新出版的《中国航空报》要闻版上,介绍了中航工业庆安发动机组多型产品方案评审攻关的相关事迹。报道中,一种所谓“串联式涡轮冲压组合发动机”首次出现,并确认这种新研发动机将“为某飞机配套”。

关于这种发动机的描述,除了其名字之外,该报道并未提到多少,全部的信息只有“国内没有合适的耐高温特种材料”“没有值得借鉴的先例”等寥寥数语。不过仅从这一发动机的类型便不难看出,这款发动机具备一部分冲压发动机的结构,而通常情况下,冲压发动机要在超过3马赫以上的速度下运行才有较高的经济性。这无疑表明,这种还在设计中的飞机将会和“黑鸟”一样,是一种超过音速3倍以上的高速飞机。

即使已经首飞53年,退役近20年,A-12/SR-71黑鸟飞机依然是航空界的一个传奇。冷战期间,SR-71作为少有的几种“强行侦察机”,多次进入他国领土上空执行侦察照相任务,却从未被对手击落过,甚至有某些国家的雷达操作手只要能稳定跟踪SR-71就能获得三等功的惊人说法。苏联在冷战时研制了最大速度可达3.2马赫的“不锈钢截击机”米格-25,却也无法击落SR-71。冷战之后,随着这种传奇机型的退役,击落它的尝试也被各国逐渐放弃。

当然,对于超音速飞机而言,不被击落并不是因为飞得比导弹快(虽然对于很多拦截SR-71的导弹确实如此),而是因为该机依托高速,在良好情报保障下精心选择航线,可以做到穿透对方防空导弹的杀伤边缘而不留给对方足够的攻击时间,从而保障自己顺利完成各种侦察任务。

美国SR-71“黑鸟”战略侦察机

成就SR-71传奇的,正是其神奇而强大的J58变循环发动机。

作为一种研制于50年前的发动机,J58的推力数据十分强大,其最大推力接近15吨,但这不是该引擎最强大的地方。该引擎的特点就在“变循环”三个字上,J58的两侧有六个粗大的管子,叫涡轮旁路管道,它们起自J58的第四级与第五级压气机之间,终于涡轮后面、加力燃烧室之前。在活门的作用下,这些涡轮旁路通道使J58得以在涡喷和冲压发动机模式之间转换。

当黑鸟在低速飞行时,内部排气活门关闭,压气中所有气流进入主燃烧室,以典型的涡轮喷气方式工作。当黑鸟以三倍音速飞行时,内部排气活门开启,前四级压气机中的一部分气流通过内部活门进入涡轮旁路通道,直接进入加力燃烧室。这些经前四级压气机压缩的空气在加力燃烧室中为加力燃烧室喷出的燃料提供燃烧的氧气,从而使J58以压气机辅助冲压发动机方式工作。也就是说,黑鸟用一台发动机实现了两种不同的工作原理,因此可以满足传统的飞行模式和3倍音速以上飞行状态下的不同要求。

中国的“串联式涡轮冲压组合发动机”的结构,从名字的描述上和J58发动机有些接近,但应该有所不同。J58发动机本质上更接近于将冲压发动机包裹在涡喷发动机外的并联发动机,而中国发动机既然是“串联”,其扩压器、燃烧室和尾喷管可能更加靠后,涡轮发动机的旁路则更加接近于其进气道部分。这样做的好处应该是可以将发动机拉长,从而缩小正面面积以减小高速时的空气阻力。

中国的组合发动机能达到什么样的水平还不得而知,但从该发动机设计中“国内没有合适的耐高温特种材料,他们通过各种渠道联系国外经销商”的情况描述,该型发动机的性能应该已经达到甚至部分超出了国内耐高温材料水平的极限。这表明该型引擎依然处在较早期的设计研制阶段,其试验和量产则尚需时日。

这一消息也证明了另一个问题,那就是这种超音速飞机需要面对的是前所未有的高温热障。虽说中国的航空航天工业在研制耐热材料方面身经百战,即使是洲际导弹、返回式卫星、载人飞船所需的耐热材料也都见过,但超音速飞机的耐热问题与它们并不完全一样。

与最多只要经历几十分钟高温,且因为一次性使用可以使用消耗性烧蚀的航天器相比,飞机需要进行长达数小时甚至十几个小时的高速飞行,机身各处需要承受的温度虽然没有那么高,但其时间长度上的要求却大大提高。以SR-71为例,这种温度能让整架飞机在3马赫时比地面膨胀出7.4厘米,以至于在设计时,为了在高速状态下正常使用,不得不让机身材料在常温下留出缝隙,结果导致该机在地面加注燃料时,燃料的泄漏反而成为了常态。另外,该机上使用的螺丝顶部的纹路也要比普通产品来得复杂,以便在高温损毁部分的情况下仍然能够正常使用。这样的经验,中国航空工业还从来没有经历过。

更何况“黑鸟”的维修养护性能异常糟糕,起飞前的检查时间长达1天,着陆后则要持续几十个小时检查,每飞800个小时,这些飞机就要送回工厂进行6个月的彻底大修。即使只要经历起落的起落架轮胎往往也用不了几次。由于高速飞行所承受的巨大应力,几乎每次飞行后,飞机都能发现诸如铆钉破裂、面板破裂甚至剥落等等各种故障和损伤。从这个角度看,“黑鸟”与其说是一架飞机,不如说是一枚需要反复“再制造”的载人火箭更为恰当。同时期的米格-25战机看起来更加皮实,也确实符合正常飞机的定义,但正常飞行速度2.8马赫与3.2马赫的差别,就在于3马赫这道“坎”——“黑鸟”很多时候在飞行中突然遇到故障,但只要减速到3马赫以下就一切正常,未来的中国“黑鸟”显然也要经历这些考验。

至于这种超音速飞机的具体作用,显然是可以脑洞大开的。除了携带各种光学侦察设备模仿SR-71实施对地面目标的侦察,也可以安装大型逆合成孔径雷达对大规模水面舰艇编队进行海面侦察——由于高速的优势,这种侦察不仅在接近敌方的空域时较为安全,而且能在相同时间内搜索更为广大的海面。对于以反介入作战为核心任务之一的中国海空军和第二炮兵来说,这种比侦察卫星便捷,比传统侦察手段快速的高速侦察机必定会大受欢迎。当然,改装成高速战斗机也是可以考虑的,美国空军当年就研制过F-12高速战斗机。

对于一种还处于预研阶段的飞机而言,现在就期待其作用或许有些太早了。不过既然有了开始,我们也就有了盼头。

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