“長空之王”！殲20換裝最強“中國心”

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導(dǎo)語：6月底，根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)消息顯示，疑似雙發(fā)渦扇-15小涵道比大推力發(fā)動機的改款殲-20在某地一飛沖天，盡管圖片和錄像的清晰度不佳，難以從外觀判斷信息的真實性，還是讓廣大軍迷振奮不已，航空發(fā)動機是戰(zhàn)斗機的心臟，下面就為你解讀這顆萬眾期待的殲20最強“中國心”。

圖源：電影《長空之王》

一、“峨嵋”為何是小涵道比大推力

渦扇-15，代號“峨嵋”，它是一款中國自主設(shè)計生產(chǎn)的小涵道比大推力渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動機，渦扇15的推力達到18.5噸，超過了美國F119發(fā)動機。

根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，渦槳發(fā)動機幾乎完全依靠扇葉帶動空氣流動的力量推進，涵道比極大；渦噴發(fā)動機完全利用高溫高壓的燃氣氣流產(chǎn)生推力，涵道比為零；而結(jié)合這兩者的渦扇發(fā)動機動力分配均衡，能量效率比渦噴發(fā)動機好，也比純渦槳飛行速度快，多用于現(xiàn)代化的戰(zhàn)機和客機。

渦扇發(fā)動機示意圖

然而飛機在超音速飛行時，由于高空的低空氣密度和高速飛行產(chǎn)生附面層的影響，導(dǎo)致其風(fēng)扇帶動空氣的效率極大降低。

隨著風(fēng)扇的效益減弱，性能取向越是高速的飛機，越需要使用小涵道比的發(fā)動機。

反之亦然：冷戰(zhàn)時期的美蘇高速截擊機大多使用涵道比為零的渦噴發(fā)動機；民用大推力發(fā)動機屬于大涵道比發(fā)動機，其首要訴求是省油，因此主要依靠風(fēng)扇產(chǎn)生推力；美國F-35的F135發(fā)動機推力雖大，但較大的涵道比導(dǎo)致其高速性能較差，不適合直接與渦扇-15進行比較。

主流先進發(fā)動機參數(shù)（AL-41F1為俄標）

對于一款發(fā)動機來說，除了提升整體推力包線（指發(fā)動機在不同工況下的推力）以外，油耗、壽命也是重要的維度。前者影響到戰(zhàn)機的作戰(zhàn)半徑，后者則涉及到戰(zhàn)機的整體經(jīng)濟性。

二、新款“威龍戰(zhàn)機”完全滿足4S標準

按照美國提出的4S標準，四代機應(yīng)當擁有“超強機動”、（不開加力、僅依靠軍用推力獲得）“超音速巡航”、“超視距打擊”和“隱身能力”。

此前的殲-20未能完全達到超音速巡航能力，而F-35則不具備前兩者。如果換裝“原配”發(fā)動機渦扇-15后，殲-20將有望把這四點做到極致并全方位地壓制F-22。

作為空軍的王牌，設(shè)計空優(yōu)型四代戰(zhàn)機是一種“既要又要”的過程，在保證機體隱身性能的前提下，需要融合二代機和三代機的優(yōu)勢。

二代機擁有強悍的高速巡航能力，但機動能力較差，渦噴發(fā)動機耗油導(dǎo)致其作戰(zhàn)半徑較低；三代機擁有強大的機動性和較大的航程，但建立在發(fā)動機較大涵道比提供的大推力基礎(chǔ)上，高速性能相對較弱。要想解決這種矛盾，除了提升發(fā)動機和飛機整體技術(shù)以外沒有任何投機取巧，造成的結(jié)果是四代機發(fā)動機像是三代渦扇（涵道比大于0.5）和二代渦噴（涵道比為零）的結(jié)合。

圖源：電影《長空之王》

滿足這樣的需求使得設(shè)計四代戰(zhàn)機堪稱一場“大考”，F(xiàn)-22雖然基本滿足了4S標準，事實上也犧牲了航程作為妥協(xié)。而針對未來假想敵，殲-20則必須要面面俱到，不僅需要將4S標準做到極致，同時還得保持約2000公里的作戰(zhàn)半徑（F-22約850公里）。

設(shè)計和制造這樣的戰(zhàn)機，既需要天才的氣動構(gòu)想，也離不開純粹的硬實力。

劉大響院士在中國航空產(chǎn)業(yè)大會上介紹了WS-15的關(guān)鍵信息

根據(jù)2022在中國航空產(chǎn)業(yè)大會，中國工程院劉大響院士的報告，中國航空器動力系統(tǒng)已跨上了三個技術(shù)臺階，即三代動力（推重比8一級的渦扇發(fā)動機和功重比7一級的渦軸發(fā)動機）；四代動力（推重比10一級的渦扇發(fā)動機和功重比9一級的渦軸發(fā)動機）和五代動力（推重比12-15一級大推力渦扇發(fā)動機、功重比11-12一級渦軸發(fā)動機和渦輪沖壓組合循環(huán)發(fā)動機）。

三、最硬核科技進化的“峨嵋”

從技術(shù)預(yù)研開始，渦扇-15的總體研發(fā)已經(jīng)歷時約二十年，要實現(xiàn)突破高推重比、小涵道比、高總壓比、高渦輪進口溫度等技術(shù)難點，其中至少有過一次核心機設(shè)計的推倒重來，以及一次由于渦扇-10C的技術(shù)指標超出預(yù)期帶來的需求提升，并伴隨長期的材料性能不穩(wěn)定，可謂是歷經(jīng)了坎坷。

1）核心的指標總壓比和渦輪前溫度

渦輪是驅(qū)動壓氣機及其他附件的動力源。在壓氣機設(shè)計上，渦扇-15采用了三級風(fēng)扇、六級高壓壓氣機、一級高壓渦輪和一級低壓渦輪設(shè)計，總壓比為30.5。這意味著它要在比上一代發(fā)動機少三級高壓壓氣機的情況下，做到與之相當?shù)目倝罕?，對材料的強度、輕量化、設(shè)計的要求可想而知。

2）渦輪前溫度是發(fā)動機先進程度的最關(guān)鍵參數(shù)

渦輪前溫度最直接地體現(xiàn)了發(fā)動機的能量效率，與推力有直接關(guān)系。每一代發(fā)動機的渦輪前溫度通常要比前一代提升200K，相應(yīng)能夠提升約20%的推力。渦扇-15發(fā)動機的渦輪采用新一代鎳基單晶空心葉片，燃燒室使用阻燃鈦合金材料，使得其渦輪前溫度達到了1900K左右，基本達到了國際先進水平。

航空發(fā)動機分代數(shù)據(jù)

3）我國單晶葉片技術(shù)正穩(wěn)步提升

單晶葉片是目前發(fā)動機相關(guān)的最核心技術(shù)，被各國列為機密。除了增強材料本身在高溫工況下的力學(xué)性能外，還需要通過不斷優(yōu)化葉片形狀以及內(nèi)部孔洞，以形成環(huán)繞葉片的保護性氣膜并增強葉片的冷卻效果。在研發(fā)過程中，需要通過大量優(yōu)化性實驗不斷調(diào)整葉片的配方和設(shè)計并固化工藝，才能夠規(guī)?；L出更好的單晶葉片。發(fā)動機的渦輪前溫度正是通過這樣的優(yōu)化慢慢提升的。

高壓渦輪葉片溫度高，內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鑄造難

四、殲-20的“一機三發(fā)”

迄今為止，殲-20已生產(chǎn)二百多架，其中殲-20基本型使用俄制AL-31F發(fā)動機，殲-20A使用渦扇-10C發(fā)動機。殲-20已經(jīng)“一機三發(fā)”，堪稱我國軍用發(fā)動機戰(zhàn)略規(guī)劃的縮影，正是各個渠道的努力形成了如今的厚積薄發(fā)。

俄制AL-31F為我國空軍立下汗馬功勞

自上世紀末，我國積極采購和投資發(fā)動機相關(guān)技術(shù)，不僅長期資助俄羅斯AL-31F系列發(fā)動機的研發(fā)、采購了蘇聯(lián)末代R-79發(fā)動機的全套資料，還依靠引進蘇-35配套的AL-41F1（產(chǎn)品117）沿襲了俄羅斯的最新技術(shù)，在我國發(fā)動機產(chǎn)能不足時有效地供應(yīng)了戰(zhàn)機生產(chǎn)。相對而言，俄羅斯真正全新設(shè)計的AL-41F2（產(chǎn)品30）的研發(fā)則極為緩慢。

許多國家以成熟發(fā)動機的設(shè)計結(jié)合最新材料技術(shù)（例如AL-41F1、F100-PW-229、F110-GE-132），已達到性能的提升。

我國以渦扇-10為基礎(chǔ)進行改進，制造了用于殲-20A的渦扇-10C發(fā)動機和其他諸多衍生型號。既有力地保障了三代主力戰(zhàn)機的生產(chǎn)，也為渦扇-15的研發(fā)積累了大量經(jīng)驗。

五、變循環(huán)發(fā)動機，未來第六代戰(zhàn)機的標配

渦扇-15作為我國新一代發(fā)動機的核心設(shè)計已日趨成熟，目前主要以適配殲-20的高速性能為優(yōu)先目標，后期我國將以此為基礎(chǔ)改進并發(fā)展不同型號。

依靠渦扇-15項目，我國已經(jīng)極大追近了與世界先進水平的差距，但對手仍然十分強大，需要立即著手下一代發(fā)動機的開發(fā)。

美國第六代隱形NGAD戰(zhàn)機想象圖

據(jù)美國“動力”網(wǎng)站“戰(zhàn)區(qū)”頻道去年8月22日報道，為六代機研制新型發(fā)動機，位于俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地的空軍生命周期管理中心向5家公司授予了“下一代自適應(yīng)推進計劃”合同，每一個合同都價值9.75億美元。合同通過設(shè)計、分析、臺架試車、原型發(fā)動機測試和武器系統(tǒng)集成，使技術(shù)成熟并降低研制風(fēng)險。預(yù)計于2032年7月11日前完成。

目前在第六代戰(zhàn)斗機配裝的第六代發(fā)動機研制中，屬美國航空發(fā)動機技術(shù)積累最為雄厚、研制進度最快、技術(shù)最為成熟，其重點研制的變循環(huán)發(fā)動機，有極大可能成為未來第六代戰(zhàn)機的標配。

變循環(huán)發(fā)動機原理

變循環(huán)發(fā)動機是一種多設(shè)計點發(fā)動機，即它的設(shè)計運用范圍很寬，飛行包線遠比現(xiàn)有的航空發(fā)動機大得多。相比于傳統(tǒng)發(fā)動機，變循環(huán)發(fā)動機主要有耗油少、效率高，推力大、重量輕，兼容性強、成本低，零件少、用途多，壽命長、對飛行環(huán)境要求低等諸多特點。

此外，我國的下一代發(fā)動機也將基于變循環(huán)設(shè)計開發(fā)，已經(jīng)進入了具體設(shè)計階段。這一技術(shù)路線將成為人類最尖端科技的又一制高點。

結(jié)語:

最優(yōu)秀的發(fā)動機是買不來的，即使之前可以借鑒俄羅斯技術(shù)，但俄羅斯也逐漸在發(fā)動機競賽中掉隊。要想繼續(xù)取得技術(shù)進步，唯有依靠我國自己的力量踏踏實實地研發(fā)。目前，國內(nèi)對于先進發(fā)動機技術(shù)的原理、機理和結(jié)構(gòu)取得了一定的成果積累，相信在未來的第六代機動力系統(tǒng)——變循環(huán)發(fā)動機也不會缺席。

參考文獻：

[1] 軍事觀察.革命性的渦扇-15將讓殲-20提升多少戰(zhàn)力？

[2] 航空兵器.什么是渦扇發(fā)動機？

[3] 網(wǎng)易軍事.原來F22戰(zhàn)機的二元矢量噴口是這樣的

[4] 中國工程院.劉大響院士講座,2023.3

[5] GEAerospace. GE’s XA100: The Future of the F-35 is Adaptive