来源:中国军网-解放军报
摘下“皇冠上的明珠”有多难
沈高剑 姜子晗 杨洁瑜
在去年第十三届中国国际航空航天博览会上,歼-20换装国产发动机后,先后完成斜斤斗、垂直上升等飞行动作 。换装“中国心”的歼-20,展现出良好性能,成为航展上耀眼的明星 。
众所周知,航空发动机是战机的“心脏”,其制造技术被誉为“皇冠上的明珠” 。战机的飞行动力主要依靠航空发动机的能量输出 。可以说,航空发动机的性能直接决定战机的作战性能,其研发制造水平决定着一个国家航空工业发展水平 。
目前,世界上只有美、俄、英、法、中等少数国家能够独立研发喷气式航空发动机 。有数据表明,在过去50年,美国已经在航空发动机领域投入超过1000亿美元,研发F-100系列航空发动机用了20多年,其技术难度可见一斑 。那么,航空发动机曾走过怎样的发展历程?研制现代航空发动机又需要攻克哪些技术难题?本文为您一一解读 。
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文章插图
2018年11月6日,加装了矢量喷口的歼-10B推力矢量验证机亮相第十二届中国国际航空航天博览会,飞出“眼镜蛇”“落叶飘”等超级机动动作,标志着中国国产发动机技术取得重要突破并进入实用阶段 。资料照片
一代发动机决定一代战机
1903年,“飞行者一号”飞机试飞成功,翻开了人类航空史的新篇章,莱特兄弟的事迹迅速登上世界各大媒体报刊的头条 。
莱特兄弟一举成名,却很少有人关注这次人类首飞的“幕后英雄”——查理·泰勒 。就是这位名不见经传的技师,将汽车发动机的活塞缸体加固改造,与螺旋桨相连,为“飞行者一号”制造出人类历史上第一台航空发动机 。
随后几十年,世界航空工业蓬勃发展,活塞式发动机摆脱了汽车发动机的影子,发展成多缸星型排列的样式 。活塞式发动机与螺旋桨的强大动力组合,迅速成为大型轰炸机、运输机的“心脏” 。
受两次世界大战影响,活塞式发动机得到快速发展,性能指数持续攀升,单机输出功率从8.95千瓦增长到2500千瓦 。
然而,活塞发动机的输出功率达到一定数值时即遭遇瓶颈——以“野马”战机为代表的螺旋桨战机发动机接连发生超重和音障的问题 。一时间,科研人员陷入困境,开始艰难的探索之旅 。
无巧不成书 。德国科学家冯·奥海因无意中捕捉到了创新灵感 。一次飞行旅行,活塞式飞机的振动让奥海因感到十分不适,他灵机一动:“能否发明一种能持续燃烧和喷流、没有往复运动的发动机呢?”大学期间,奥海因对喷气推进的原理和可行性进行深入研究,绘制出第一张喷气发动机的设计图纸 。
从哥廷根大学空气动力专业博士毕业后,奥海因很快将设想付诸实践,他把离心压缩机和汽轮机组合在一起,推出首台涡喷发动机 。1937年9月的一天,奥海因按下发动机试验台启动按钮,大量气体被发动机瞬间吸入,经过压缩燃烧后,喷出阵阵气浪……发动机初步试验宣告成功 。短短2年后,加装涡喷发动机的He-178喷气式战机顺利升空 。
二战后,涡喷发动机成为航空界的“新宠” 。20世纪40年代末,第一批加装涡喷发动机的F-86战机和米格-15战机,飞行速度均超过900公里/小时 。数年后,加装加力燃烧室的美军F-100战机突破音速,飞行速度达到1.3马赫 。
当时,涡喷发动机在超音速飞行方面展现出独特优势 。不过,科研人员很快发现涡喷发动机的一个致命缺陷:大量高温燃气被直接喷出,导致燃气热能浪费、油耗加大、航程缩短 。
如何提升发动机能量使用效率?1959年,英国罗罗公司在VC-10客机上,巧妙地用一个“风扇”解决了难题——在发动机头部加装一个“风扇”,将其与发动机后部涡轮相连,由燃烧室喷出的高温燃气驱动涡轮和“风扇”一同旋转,将燃气的热能转化为发动机的前向拉力,涡扇发动机由此诞生 。
然而,“风扇”加大了迎风面积,速度越快阻力越大,这对高速飞行的战机极为不利 。因此,一开始涡扇发动机只能在货运大飞机上使用 。
20世纪60年代,英国研制出装配小型“风扇”的航空发动机,加装到“鬼怪”战机上可以达到与同时期涡喷发动机相近的推重比,且耗油率更低、航程更大 。一时间,涡扇发动机成为现代航空发动机的主角 。时至今日,涡扇发动机仍是各国战机的主要选择 。
航空界有句名言:“一代发动机决定一代战机 。”涡扇发动机在近60年的发展中,伴随了三代战机的成长起飞 。事实上,这是一个复杂又漫长的过程,以俄罗斯AL-31F加力式涡扇发动机为例,其研制过程耗时12年,试验机多达51台,总运转22900小时 。由此可见,研制航空发动机并非易事,需要反复试验论证,才能加装到战机上 。
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