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亚太军情观察 | 国产矢量发动机疑似在歼10上装机首测

2017/12/26 17:14 BY 亚太日报

亚太日报评论员 石宏

近日网上出现了一张歼10换装新型发动机进行测试的照片,有消息称这是国产的矢量发动机,而且这款矢量发动机采用了先进的三维轴对称喷管,也就是能够提供全向矢量推力,这也意味着国产发动机技术又获得了突破,是我国航空发动机领域的一个新的里程碑。

矢量发动机的优势在于能够改变推力方向,不像传统的航空喷气发动机那样只能向后喷气而提供向前的推力。这种改变推力方向意味着战机能够做出很多超常规的动作,也就是具备人们常说的超常规机动能力。在空战中,特别是近距格斗空战中,超常规机动可以让战机获得明显的优势,从而占据主动。例如同样是突然的空中减速,采用“眼镜蛇”机动动作的战斗机会丧失能量优势,在做这个机动动作的时候战斗机的飞行姿态难以再做其他调整,所以这个战术动作的实用性一直备受质疑;而装矢量发动机的战斗机在突然减速时,能量优势几乎不下降,战机的飞行姿态可以做其他调整,因为其是依靠发动机喷口方向的变化来实现的,不像“眼镜蛇”动作那样是靠飞控系统操纵机体来实现。此外,矢量发动机还能提高战机的敏捷性(例如缩短起飞滑跑距离),以及有助于隐身等效果。

但是矢量发动机技术难度很大,首先是对结构和材料要求极高,用于战斗机的大推力航空喷气发动机在1米左右的距离,不开加力也能轻松的吹翻一辆大卡车,这样的推力被强制改变方向,那么矢量喷管的结构强度和材料不过硬绝对不行。而且由于长期工作、热胀冷缩等原因,喷管材料的耐热、耐形变性能必须好,否则在正常温度范围内运行可靠的机械机构在高温高压条件下就未必能进行可靠的动作,或者长时间使用可能会造成部件变形,导致不能正常工作。其次是喷管密封技术要非常好,因为密封是推力矢量控制的关键技术之一。带有矢量喷管的发动机的加力燃烧室与可转动喷管之间的密封联接技术极其复杂,而且要求极高,因为这些位置处于发动机的高温、高压区,同时在喷管转动时要保持密封,在强大热喷流下,喷管壁必须保持结构完整,否则就会出现漏气,并引起发动机着火。再次是要实现飞火推一体化。

要想实现矢量发动机与战机协同工作,不但发动机本身要有全权限数字化电子控制系统(FADEC),还要将战机的电传操纵系统、火控系统与发动机推力控制系统实现一体化设计,使战机的平尾、方向舵、襟副翼、前缘襟翼和发动机喷管等操纵部件的运动达到最佳化,协调一致,时刻保持最佳决策和最优执行。这就需要由机载计算机自动控制,并且要全面考虑各种因素,采集非常多的数据,编写运行可靠稳定的控制程序。第四是发动机推力要足够大。因为矢量喷管在偏转时,会损失一小部分推力(研究表明在14~17%左右),所以发动机必须具备极大的推力,这样才能不在乎矢量喷管偏转所引起的推力损失。

目前世界上矢量发动机技术处于领先地位的是美国和俄罗斯,其中美国研究时间最早,从1973年就开始了。由于经济实力和技术基础都很雄厚,所以美国的研究工作开展的非常广泛,研制了多种技术验证机,如F-15STOL/MTD短距起落/机动性技术验证机、F/A-18 HARV大迎角研究机、F-16/MATV多轴推力研究机和与德国合作研制的X-31增强机动性验证机等,并研制出世界上第一款装备矢量发动机的第四代先进战斗机F-22A。

美国研究矢量发动机的最初目的是改善战斗机的起降性能和常规机动性能。由于二元矢量喷管的结构简单,推力偏转控制易于实现,所以矢量喷管的研究首先从二元喷管开始,而且早期的二元矢量喷管具有推力转向和推力反向功能。二元喷管由转接段和喷管本体两部分组成。转接段将发动机的圆截面过渡到喷管的矩形截面。喷管本体由2块收敛板、扩张板及2块侧板构成。随着对推力矢量技术研究方向的明确,反推力装置后来被拿掉,改善了可靠性,减轻了重量,最终普•惠公司研制出了真正实用的具有俯仰推力矢量的二元收敛-扩张喷管的F119-PW-100涡扇发动机,并成为F-22A的动力装置。

二元矢量喷管内流特性好,目标特性信号低,利于隐身,易于与飞机进行一体化设计,是一种很好的喷管方案。但其结构笨重,是常规轴对称收敛-扩张喷管重量的2倍,且不易用于现有发动机的改装,因此,二元矢量喷管比较适合于全新设计的飞机发动机采用,特别适合于双发战机。

鉴于二元矢量喷管不能侧向偏转,无法提供偏航控制力矩,也不易实现对第三代战斗机发动机的改造,所以美国从上世纪80年代末开始了三维轴对称矢量喷管的研究,以成熟的轴对称收敛-扩张喷管技术为基础,增加了推力偏转机构和控制系统,研制出轴对称矢量喷管。其主要技术方案有两个,分别为通用电气公司在F110发动机上发展的AVEN喷管和普•惠公司在F100上发展的P/YBBN喷管。两种喷管均在保持原喷管收敛段不变的情况下,可在360°范围内偏转0~17°,从而获得俯仰、偏航、横滚等全向矢量推力。这两种喷管均于1991年进行了地面试车,并于1993年分别装在F-16(即前面提到的F-16/MATV)和F-15上进行了试飞。据称试飞结果达到了预期目标。

轴对称矢量喷管不仅能提供全向推力,而且结构重量轻,仅比常规轴对称收敛-扩张喷管喷管重30~50%,而且与发动机的连接不变,因此特别适合对现役战机的改造。轴对称矢量喷管的不足之处是目标特性信号比二元喷管高,对隐身来说不是十分理想。

针对二元矢量喷管和轴对称矢量喷管各自的缺点,普•惠公司于1986年研制了一种多功能二元矢量喷管——球面收敛段矢量喷管(SCFN)。其收敛段为球面,扩张段为矩形,扩张段可俯仰偏转,整个喷管绕前支点左右偏转,从而产生全向矢量推力。该喷管重量比二元喷管轻,隐身性能比轴对称喷管好。1995年,SCFN装在XTC-65/2联合技术验证机上进行了地面试车,基本达到了预期目标。普•惠公司原计划以该喷管取代二元收敛-扩张喷管,但最后没有实现。

俄罗斯的推力矢量研究始于上世纪80年代初。1989年,当时的苏联研制出了二元矢量喷管和轴对称矢量喷管,分别装在苏-27UBLL-PS和苏-27LMK-2405上进行了飞行验证。苏联解体之后,由于经济和技术基础两方面的原因,俄罗斯推迟了第四代战斗机的研制,主要进行了第三代战斗机的改型,强调应用研究和现役战斗机的改造,因此将发展重点放在轴对称矢量喷管上。不过,俄罗斯最早的轴对称矢量喷管并不能提供全向推力,而是提供俯仰推力矢量,例如装在苏-37战斗机上的AL-31FU、苏-30MKI上的AL-31FP等两款发动机的轴对称矢量喷管,是以苏-27的AL-31F发动机的轴对称收敛-扩张喷管为基础改进的,基本保持原喷管结构不变,只是在喷管与加力燃烧室之间增加了一个球形转接段,通过作动系统带动喷管整体作俯仰偏转,从而产生俯仰推力矢量,其俯仰角为15°。这种喷管方案控制简单,喷管特性不变,但转动力矩大,球面转接段密封困难重量也较大,所以俄罗斯最终没有继续发展,而是转到了真正的三维轴对称矢量喷管上,最终的产品就是装在苏-30SM和苏-35上的117S,以及刚刚装在苏-57上测试的30系列发动机。

至于世界上出现的垂直/短距起降战斗机所采用的发动机,如苏联时期研制的雅克-141采用的R-79-300发动机、美国F-135B采用的F135-PW-600等的喷管虽然也都能向下偏转90°,但并不属于矢量发动机,因为它们的喷管只是在垂直起降时向下偏转,在空中飞行时是不偏转的,仍然像传统喷气发动机一样向后喷气,不改变推力方向。

根据网上曝光的资料,中国多年来一直在研究发动机的矢量推力技术,先后攻克了耐热耐变形材料、喷管密封、飞火推一体化等诸多关键技术。其中在材料方面,从资料可以看出,国产矢量推力发动机的喷管材料采用了耐高温合金、陶瓷和碳纤维增强树脂基复合材料。在矢量喷管结构设计上与美国通用电气公司当年发展的AVEN喷管相似,但总体技术更先进,而且具有更好的隐身性能。现在的装机测试,说明国产矢量发动机已经进入了实用化阶段。

至于装有矢量喷管的发动机型号是哪个,几乎可以肯定是国产“太行”涡扇发动机,因为“太行”是目前国产技术最成熟的大推力军用涡扇发动机,并且采用了全权限数字化电子控制系统,最新改进的“太行”推力更是达到了14吨级。采用歼10这样的单发战机来测试全新的矢量推力发动机其实没有什么不可理解或者令人惊讶的,虽然国外进行测试以及服役的装备矢量推力发动机的基本都是双发战斗机,如俄罗斯研制的苏-37、苏-30MKI、苏-30SM、苏-35以及美国的F-15、F-22A等,但也有美国用F-16单发战斗机测试矢量发动机的F-16/MATV技术验证机出现。用歼10来测试国产矢量发动机,充分表明研发单位对其产品的可靠性有着强烈的自信,同时也意味着歼10战斗机的技术改进很可能仍在不断进行,倘若歼10未来换装国产矢量发动机,那么将标志着又一个新的歼10重大技术发展型问世。


作者简介

作者石宏,亚太智库研究员,资深军事媒体编辑、撰稿人,深圳卫视特约军事评论员,南方防务智库顾问,曾在国内多家军事杂志发表过大量军事装备和防务类文章,著有《日本军情》一书。

“亚太军情观察”作者均为资深军事记者和评论员,专栏紧扣全球军事热点和动态,为读者解析大国国防政策、地缘军事动向、国际军事技术、新型武器装备以及军事战略思想等。

(来源:亚太日报)

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