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航空力量的重要一极:“小”而锐利的小发

2021-03-03 09:59:30 中国航空新闻网 看航空专栏

2月25日,美军对叙利亚东部地区发起了空袭,摧毁了多处设施……迄今,美军依然拥有能在全球范围内发起空中打击的最强军事力量。

显而易见,在美国建立航空军事霸权的过程中,谱系完整的先进航空发动机为其提供了不可或缺的坚实基础。

空中实力,不仅决定于载人战斗机

但日常,人们的注意力往往会被那些发动机中的“明星”型号所吸引——比如为超声速中、重型战斗机提供动力的大推力军用发动机,比如推动中大型运输机上天的大涵道比涡扇发动机。

而那些尺寸很小、推力往往只有几吨、甚至几百公斤的小型航发,便极容易被人们所忽视。很多人都觉得,只要集中资源花大力气把大发动机都能造好了,回头搞几个小发就是“牛刀杀鸡”,水到渠成的事情。

但研判美国空中力量的航发谱系,细究航发的设计试验原则,认真梳理美国航空工业的发展历史,则必然会得出完全不同的结论:

1、小型航发在美军装备体系中,绝不只是地位低下的辅助型号。相反,小发、中大型战斗机发动机、大涵道比发动机,是美军空中打击力量的鼎立三足。

2、小型航发与大型航发之间的关系,并不是类似于“简化、低级”与“完整、高级”的递进式级层关系,而是设计思路和结构特征上就差异巨大的不同类型产品,做得好大发但做不好小发的例子在历史上普遍存在。

像“战斧”这样的中远程巡航导弹,载荷和射程性能几乎完全决定于小型涡扇发动机

从小发的重要性上来讲,至少要搭载两名飞行员的教练机并不一定必须使用小发;但是绝大多数无人机,以及各类巡航导弹,必须以小发作为主要动力。

此前美国对叙利亚发起的“战斧”导弹袭击,59枚“战斧”有58枚命中44个目标,这样的打击若使用弹道导弹,成本上是不可接受的

对于任何一个国家,中远程导弹在数量意义上的打击主力,都绝不可能是弹道导弹——尤其是主流的固体燃料火箭发动机的型号。因为它同时涉及到了多个因素:高马赫数下的高速、高温、高压,以及大直径固体燃料的浇铸;这决定了弹道导弹的造价非常高昂,对于战斗部的运载效率极为低下,不可能用于战场上大多数目标的打击任务。

现代中程巡航导弹,可以规划出非常复杂的航行轨迹,以实现隐藏发射平台方向位置,不断寻找预定的特殊地形地标进行准确定位消除飞行误差,借助峡谷等地形掩护,绕开对方防空火力点等能力。

只有巡航导弹——特别是亚声速飞行的导弹,才能用最为廉价的轻质结构,在很小的体积和重量下,就能携带足够体积重量的战斗部打击非常遥远的目标。在巡航导弹这种气动和结构都受到极大限制、各国设计风格高度趋同的布局中,导弹载荷和射程能力的高低优劣,绝大部分比重都取决于小发的性能好坏。

“战斧”导弹使用的F107-WR-103发动机同时也是隐身高机动无人机X-36的动力

从海湾战争开始,巡航导弹在美国历次军事行动都充当了非常重要的角色。因此,巡航导弹对现代军事强国有多重要,小发就应该有多重要,而且这种重要性目前还在不断上升。

此外,在不远的未来,有人机指挥无人机进行空战已经成为了必然的趋势。有人机将逐步从一线厮杀者的定位,向二线指挥者转变;而无人机则必然利用其不载人的特性,借助通信指挥技术的高速发展,走向“小而多”的集群式进攻/杀伤方向。

这意味着未来的空战和攻击主力都会有很高比例的机种是使用小发的无人机,而且比例还会越来越高。小发的性能优劣差距对于战场形势的影响,将会直逼今天载人战斗机的性能差距。

美国XQ-58A无人隐身战斗机,使用的也是小发

大发与小发,差异不仅在尺寸

从航发的设计制造角度来讲,小发和大发虽然共享了极大比例的工业基础——比如先进的材料和制造工艺,但是它们的设计差异同样极大。

因此,“今天虽然不重视小发,但是大发已经做得好了;明天重视小发后,把做大发的团队和设计技术拿去做小发,马上小发也做出大发的先进水平了”这这样的假设显然是不存在的

做不到,是因为这是两类极为不同的产品;大发设计团队要设计小发,起码要重新攻克三个完全不同的技术障碍难关:

1、转速上差了三到五倍

受制于材料的强度性能,叶片的尺寸越大,相同转速下叶尖部分的速度也越大,它能承受的转速就越低。

因此,只要大发和小发共享同一个工业基础,大发的转速永远要远远低于小发;比如F15战斗机的F100的高压压气机,转速最大也只有13450转/分——如果它也像黑鹰直升机的T700发动机那样每分钟转44770,几秒钟就得叶片崩光、发动机解体。

小型涡轮类航发的设计精髓之一,就在于用大型发动机无法承受的高转速来换取效率,进而在足够小的体积和重量限制下,获得最大的动力,并把油耗控制在可接受的水平。仅仅是转速这个区别,就决定了小发在轴系、润滑、传动设计上,不可能照搬大发的设计。

传统轴流式叶片

中法联合研制的涡轴16,压气机采用了两级的离心叶片设计

2、发动机的核心叶片类型不一样

中大型发动机的航发叶片,都会选择多级轴流式,使气流从发动机到喷口的总流经路径最短、效率最高。但是这种设计不适合小发:

在发动机尺寸缩小到一定级别后,由于空气本身的粘性,会导致轴流式叶片的效率会迅速降低,气动损失会急剧上升。这涉及到很多原因:

比如叶片和机匣之间总要留出间隙、预防碰刮,不能继续缩小;此时叶片越小,间隙的面积比例就会越大——压缩空气时“漏气”的现象就越严重。而且叶片的根部速度较小,是一个效率较低的区域,在尺寸不断缩小后,这个低功、低效率区的比例开始变大。

另外叶片变得太短太薄以后,自身强度和刚度无法得到保障,由此导致的制造难度迅速升高,也进一步显著降低了轴流式叶片设计的性价比。

F124是个典型的例子,在原有基础构架上,通过更换离心式高压压气机和匹配的燃烧室实现了跨代的性能突破

因此现代小发的一个核心技术突破方向,就是利用自身的高转速特性,用离心式叶片来取代轴流式叶片;一级新型离心压气机,压缩空气的能力抵得上轴流式压气机的好几级……而常年做大发的团队,根本没有研发离心式叶片的经验积累,这是完全不同特性的部件。

中大型发动机的主流设计类似于一根管子通到底

3、发动机结构布局和核心燃烧室设计经常存在重大差异

传统上的中大型发动机,其整个布局近似于一根管子通到底。但在小发上,为了更好的匹配离心式叶片、强化发动机整体刚度、保障燃油的高效燃烧(在燃烧室中能获得足够的燃气流经长度),很多小发往往要采用环形回流等特殊设计。

PW100发动机结构。这种弯绕曲折是先进小发的重要特征之一。该机的高、低压转子旋转方向是相反的,注意蓝色和红色涂漆的部分,它们分别代表空气和燃烧生成的燃气。离心叶片是把气流高速甩向四周的,因此发动机的气体流动路线变得十分曲折,多处出现90度、甚至180度的变向燃烧室和由此决定的发动机结构布局,都是在传统中大型发动机上所不具备的,同样不能直接使用大发的设计套路

综述,上面所概括的三个关键差异都决定了高性能小发的研制,需要与中大型发动机同等专业水平的团队,在长期的型号研制和使用过程中,逐步完成技术突破和累积研发能力,才有可能实现。

亟需独立研发,重要性凸显

因此,从设计角度上看,小发并不是大发的简化低配版本,它是在尺寸限制下,必须选择完全不同设计方向才能获得最佳性能的特殊领域产品。事实上即使是在西方国家,小发的研制也具备极强的独立性;一些型号来自于专业做小发的公司,一些是来自于大型航发集团的独立部门。

比如罗罗公司的小发部门,就是60年代末专门成立的;普惠公司的小发研发能力,实际上是70年代以后收购原加拿大联合飞机公司后才实现。通用公司能够同时研发大发和小发,但这是从60年代开始,用十年时间和以亿美元为单位投资的努力,方才换来的突破。

在远程打击已经成为战场核心手段、空中力量无人化即将到来的现在,小发的重要性和急迫性早已容不得更多的忽视。

对于美国之外的后发国家来说,重视小发的特殊性、正视小发的技术难度,并在整个业内形成深刻而普遍的共识,小发水平的奋起直追才真正能具备可行的基础。(文案: 侯知健)

责任编辑:实习编辑