车间设计图:小议中国四代机动力选用 - 龙腾日月的日志 - 网易博客

小议中国四代机动力选用 

默认分类 2011-04-20 17:05:13 阅读193660 评论134   字号：大中小 订阅

本文原载于军事文摘四代机专题 

作者：龙腾日月

读者一群：32285317
       读者二群：103385250

最近互联网上开始流传疑似中国四代机的图片，这无疑大大鼓舞了我们时时刻刻关注祖国空军和航空工业的军迷们。按照先前何为荣司令的说法，四代机图片出现的时间并且综合官方报道，可以认为中国的四代战机目前处于原型机首飞前的滑跑试验阶段。预计，中国的四代机能够在今年年底实现首飞，经过严格的试飞检验和设计定型环节，在2020年前开始装备部队并且开始生成初始作战能力。而目前大家最为关心也是最担心的问题就是动力会不会再次成为四代机前进道路上的最大障碍。

四代机对于动力的性能需求

四代机重型空优机一定要能够超音速巡航。对于超因素巡航，目前网络上的一些理解并不非常准确。有些观点认为超音速巡航就是不开加力能超音速，也就是说在发动机未打开加力燃烧室的情况下能达到M1的速度。但是与美国对于F/A-22战斗机的超音速巡航要求相比，这个要求明显偏低。其实早在几十年前，英国装备的闪电战斗机就可以实现不开加力超音速。这样的性能对于飞机作战也并没有什么实质上的改善。美国90年代典型战斗机的作战飞机任务剖面各飞行航段的主要性能要求为:起飞降落滑跑距离小于457m;作战时要求高度在9144m,M从0.8到1.6的加速时间小于50s;高度在9144m,M为0.9-1.6时的正常盘旋过载均大于5g;突防和脱离战斗时能在9144m高度以M=1.5作不加力超音速巡航;在高度12190m飞机最大平飞速度达M=2.0。这些性能数据说明90年代战斗机比现役战斗机有更优越的性能。如在同样飞行条件下正常盘旋过载从4.1-4.3g增加到5g以上;要求不加力状态达到M=1.5超音速巡航等。下一代战斗机的主要作战高度和速度与三代机战斗机并没有革命性的拓展，但是追求的是包线内的机动性能大幅度提高。从美国F/A-22的飞行包线可以看出，该战斗机不追求比现役机种更高的M数(最大M数为2.0左右)，但扩大了低空大速度和高空小表速工作范围，特别是扩大了不加力工作包线范围，并且要求在发动机不加力状态下，能以M 1.4 -1.5作超音速巡航和超音速突防.而现役战斗机中个别的只能在某些条件下以不加力推力作略大于1.0的短暂飞行。

也有的观点认为超音速巡航的意义仅限于让F/A-22赶到战区快一点，通过防空火力区的时间短一点。这也是对于战斗机实际作战和动力性能理解不足的表现。超音速巡航赋予了四代作战飞机质变提升的作战效能。具备超音速巡航性能的作战飞机空优性能提升明显。不具备超音速巡航性能的战斗机一般处于高亚音速前往战区、巡逻或者进行搜索接敌。由于三代航空发动机的军用推力（不打开加力燃烧室的最大推力）根本不足以维持飞机在作战高度进行超音速飞行。打开加力后飞机虽然可以进行超音速作战，但是发动机耗油率又翻倍增长，比如AL-31F发动机军推耗油率在0.8左右，而加力耗油率则达到了2以上，相当于非加力状态的两倍以上。此时，飞机油量不足以维持飞机进行长时间超音速飞行。因此，在传统的超视距空空作战中，不具备超音速巡航的作战飞机都在接敌之前保持高亚音速飞行，在指挥系统的指引下进行战术机动，占领优势位置。一般在自身雷达发现敌机之后的必要情况下才根据作战态势开全加力进行加速，以形成对敌机的高速接近迎头拦截态势。由于空空导弹，尤其是中距空空导弹的有效射程与载机发射速度有很强的关联，因此战斗机在发射导弹之前都要尽量加速，以拓展自身导弹的有效杀伤区，为赢得空战创造条件。具有超音速巡航的四代战斗机装备的四代航空发动机军用推力相当于三代航空发动机的加力推力，而且耗油率仅仅比三代航空发动机略大。无论是发动机本身的军用推力还是耗油率，四代航空发动机都可以支持飞机进行长时间的超音速飞行。于是四代战斗机可以在进入战区后直接开始超音速巡航，时时刻刻保持自身导弹的有效射程优势。大概这也是美国在装备F/A-22以后并没有装备固体冲压火箭发动机远程空空导弹的原因之一吧。同样的导弹，装备在四代作战飞机上以后，威力却是大大增加。即便是四代战斗机处于松懈的亚音速巡逻状态下的时候紧急发现敌机，强悍的四代航空发动机也可以提供更强的加速性能以使飞机更快地达到作战速度，无疑大大增加了作战飞机的生存力和战斗力。在中距作战脱离时，仍然有敌机对于四代机具有威胁，四代机也可以以比三代机更高的生存概率脱离战区。这同样是因为空空导弹的有效射程与目标机的速度有很强关联。在迎头发射时，目标机速度越快，导弹射程越大，在尾追发射时，目标机速度越快，射程越小。在完成中距作战脱离时，四代作战飞机也完全能够保持1.4马赫左右的速度，此时敌方导弹的尾追射程和命中率大大缩水，飞机生存力大大提高。总而言之，四代航空发动机赋予四代作战飞机的是全方位的效能提升，能够让四代作战飞机在面对三代机时具有非对称的作战优势。因而我国四代机能否实现超音速巡航性能，关系到整个作战系统综合性能的实现。

四代动力之忧

第四代重型空优战斗机的主要特征是：雷达/红外/射频隐身、综合化的航空电子系统、超高机动性和超音速巡航。在隐身方面，我国在上世纪八十年代前后即开始隐身作战飞机背景研究，在九十年代中期就在网络上流传出了几个我国隐身机预研的背景型号外形图片。随着我国在飞机雷达反射截面积计算理论、算法和超级计算机领域的突破，我国对于现代隐身作战飞机外形设计有了较为深刻的认识并且具备了研制作战型号的能力。在航电方面，第四代战斗机所需要的相控阵机载火控雷达已经完成演示工作，样机的试飞工作已经全面展开，用于实际装备的雷达型号很可能即将或者已经设计定型用于装备三代改型作战飞机以及四代战机。综合航空电子系统研究也早已全面展开并且结出硕果，根据某些资料推测，在网络上新近流传出的歼十改型战斗机上就装备了具备第四代战斗机特征的综合化航空电子系统，据说其机翼上神秘的棒状天线就对敌方机载雷达有较强对抗功能，并且在电子对抗能力上与我国以往战斗机相比有了相当大的飞跃。在飞机气动设计方面，从我国三代战斗机的典型代表歼十身上我们就可以看到我国在战斗机气动布局和外形设计上的深厚功底。我国在四川地区还有着亚洲最为庞大和齐全的风洞群，为我国战斗机气动设计提供了坚实的保障。我国的四代战斗机气动外形和隐身设计一经曝光果然非同凡响，甚至已经有媒体认为中国四代机的气动设计水平超过了美国的F/A-22，此观点正确与否暂且不论，这确实反映出我国在气动设计方面上的长足进步。

但是在航空动力方面，我国的进展就不如其他方面那么顺利和迅速。建国六十年来，我国航空发动机行业以军用发动机为主，在维护修理、测绘仿制、改进改型等方面取得了很大成绩，共生产了几十个型号近6万台各型发动机，对国防建设作出了积极贡献。但是，就发动机总体技术指标而言，我国生产中的发动机（含测绘仿制和按许可证生产），相当于国外航空先进国家的20世纪60～70年代的水平；刚定型或在研的发动机，相当于国外70年代水平；预研水平，目前所处的状态相当于国外70年代末、80年代初的水平。而民用航空发动机基本上依靠国外采购。综合评估，我国在航空发动机的总体水平与世界先进水平相比大约落后一代半，即25～30年，研制和生产的型号少，而涡扇发动机更少，目前仅有3个型号。航空发动机的落后，已严重制约了航空工业的发展，成为空军武器装备发展的“瓶颈”。 我国航空发动机研制一直没有突破性进展，导致我国航空兵主力作战型号基本都采用的是国外动力系统。目前除了装备太行发动机的少量歼十一B战斗机使用国产动力系统外，所有的新研军机都是买装或仿制国外的发动机。歼十战斗机，我国进口的苏27系列战斗机和我国自主生产的歼十一A战斗机全部使用的是从俄罗斯进口的动力系统，飞豹战斗轰炸机使用的是仿制英国斯贝发动机的涡扇9“秦岭”。即便是已经退役或者退居二线的战斗机动力，也全部是测绘仿制以及改进型号。可以这样说，我国航空动力工业还未向我国航空兵提供过任何一型我国自行研制的航空发动机型号。这样的情况确实让人对于我国四代机需要使用的第四代航空发动机研制充满忧虑。

四代机动力选型之谜

中国四代机图片刚刚在互联网上曝光之时，基本可以通过喷管判断出其装备的是我国从俄罗斯进口的AL-31F系列发动机。但是随着网络图片的增加，四代机上出现了一种银白色基本无法识别型号的发动机喷管。一时间，“四代机可能有两架编号相同的原型机，分别使用两种不同发动机”，“中国四代机更换了太行改新型发动机”等消息在媒体上不断出现。笔者可以理解媒体和民众希望看到中国自研发动机安装在四代原型机上的迫切心情，但是根据中国现有装备发动机装备情况来看，恐怕大家的希望可能会落空。我们应该能够排除四代机有两架同样编号的原型机的可能，这样十分不利于原型机的识别和突发事件的处理。何况，使用这样的方法并未给四代机保密增加实用性的效果，毕竟四代机原型机的照片都已经在互联网上传播。另外目前四代机的主要任务是早日实现首飞和尽快进入定型试飞阶段，完全没有必要为了测试发动机专门组装一架原型机。目前中国四代机可能装备的发动机型号有：俄罗斯进口的AL-31F发动机、99M1发动机（AL-31F发动机的改型）、中国自研太行发动机和太行发动机的改型，以及我国为四代机研制的第四代大推力涡扇发动机（暂且称之为四代大推）。下面笔者开始一一分析这些发动机型号装配在四代原型机上的可能。

上世纪70年代初，前苏联针对美国第三代F100-PW-100高性能发动机，决定由留里卡设计局负责研制一款性能相近的战斗机发动机，项目代号99，正式的型号名称为AL-31F。AL-31F装备了前苏联研制的重型三代战斗机，就是大家耳熟能详的苏-27。后来随着中国引进苏-27SK项目，AL-31F发动机在中国开始大批量使用，中国自研的歼十战斗机因为原定的太行发动机进度不能赶上装机需求，也开始使用AL-31F发动机的单发型号AL-31FN发动机。迄今为止，AL-31F已经在我国服役了接近二十年，我国空军对其特性的掌握已经相当全面和深入。采用AL-31F发动机来保证四代机首飞和一定时间的试飞工作，应该说是最可靠和安全的办法，这也和四代机目前稳妥保证首飞的要求比较相符。不过，大家之所以不愿看到我国四代原型机上安装的是AL-31F发动机有两个原因。第一，我国自主研制的最先进战斗机依然使用俄罗斯进口发动机首飞，这样的“殊荣”让外国发动机给抢走了，实在是“肥水流了外人田”。第二，AL-31F发动机虽然服役多年，性能可靠，但是毕竟是一型第三代大推力涡扇发动机，AL-31F与我国四代机的性能要求相差甚远，无法发挥四代机的全包线飞行能力。对于这两点，笔者要强调：在我国自研四代动力系统尚未完成和成熟的阶段，过分强调使用国产发动机进行四代机首飞是违背科研规律的。另外，不管是用推力多大的第三代涡扇发动机，比如太行改，其实也都无法满足四代机的试飞要求。因为三代涡扇发动机为了追求较低的耗油率和较大的海平面推力，都采用了0.4以上的涵道比。这与四代发动机为了保证高速性能采用0.2-0.3左右的小涵道比设计的要求是矛盾的，哪怕是采用美国改进的推力达到15吨的F110三代发动机改进型，也是无法满足四代机超音速巡航的高速要求的。因而从性能和可靠性两个角度来说，AL-31F发动机目前装配四代原型机的可能性很大。起初四代机图片中的喷管也印证了这一点。

不过自从采用银白色喷管的四代机图片曝光之后，认为四代机使用太行或者太行改进型发动机的观点开始大行其道。因为这符合了大家对于四代机使用国产发动机的心理需求，而且银白色的喷管与前段时间歼十一B战斗机曝光的太行喷管在颜色上更为详尽，这也为这一论调提供了主要依据。太行发动机是我国在预研进口的美法合研CMF-56大涵道比涡扇发动机核心机基础上研制的第三代大推力加力式涡扇发动机。太行发动机于2005年设计定型，由于生产质量不稳定，在装备部队后出现了一些问题，现在仍处于由设计定型向生产定型的过度阶段。太行发动机加力推力达到了13.2吨，推比7.2左右，相比AL-31F发动机12.5吨的加力推力和6.9左右的推比确实有一定的性能优势。但是一型发动机达到稳定可靠的状态是需要长时间的飞行时数积累的，以目前太行发动机的技术状态确实并不适合执行四代机首飞和试飞如此重大的科研任务。何况从性能上来讲，太行发动机本身性能与AL-31F相比没有太大的优势，四代机不管用太行还是AL-31F发动机都无法实现全包线飞行能力；从可靠性方面来讲，AL-31F比太行发动机要成熟稳定的多。另外，现阶段太行基本型尚未成熟，太行改装备四代战斗机的可能性又能有多大呢？何况，根据四代机新出现的银白色喷管来看，其依然保持了AL-31F系列发动机特有的柔性耐热金属过渡片结构，而且喷管的收敛片的大小、形状和宽度都与AL-31F基本相同，这与太行喷管直接与加力燃烧室单元体相连而且采用更宽更短收敛片的结构完全不同。

不过AL-31F上四代原型机依然需要解决一个技术问题，那就是其采用的液压机械-模拟发动机控制系统与四代机可能会采用的数字式飞火推一体化控制系统不能实现交联。不过这个问题可以经过一定程度的发控改进来解决，另外四代机也有可能装备的是AL-31F系列发动机的改型99M1发动机。99M1发动机（AL-31F-M1发动机）是礼炮联合体在AL-31F发动机上进行小幅度优化改进的结果。该机主要更换了新研制的四级风扇，改进了发动机的涡轮单元体，控制单元改为数字式KRD-99C，加力推力达到13.5吨的加力推力，其他指标与AL-31F发动机相比略有进步。虽然99M1发动机相对于AL-31F发动机的性能提高并不明显，但是采用了数字式的发动机控制系统，可以更方便的与四代机数字式飞火推一体化系统交联。另外99M1发动机早在两年前就完成了研制，也有充足的时间被我国进口并且改进从而安装在四代原型机上。AL-31F发动机也有另外的一个改型动力——117S发动机，它也是目前四代机装备发动机呼声很高的一个型号。但是117S发动机刚刚于今年完成研制，从进度来说，没有充足的时间改进安装在今年年底就露面的四代原型机上。另外从性能上来讲，和留里卡-土星联合体宣传对117S发动机定位为“五代机过渡动力”不同，117S发动机其实就是类似AL-31F发动机的三代改进型动力，推比仅仅达到了7.5，其并不足以谈得上是五代动力的过渡型号。

根据以上分析来看，我国四代原型机目前装配的很有可能是AL-31F发动机或者其小幅度改进型99M1发动机。至于新出现的银白色喷管，笔者有点不成熟的看法，在此稍加阐述。银白色喷管有可能采用了某种新的收敛片表面处理方式，目的是保证机体介电系数的连续性，从而提高飞机的电磁隐身性能。飞机隐身设计至少要考虑两种不同的电磁波处理，一种是反射波，一种是爬行波。反射波大家都比较熟悉，就不再阐述了。爬行波就是雷达波打到机体上之后，会在机体表面继续传播，很类似是在蒙皮上“爬行”，如果爬行波遇到机体表面的介电不连续点（如缝隙，尖端），就会重新被散射到空间，从而破坏了飞机的电磁隐身特性。而AL-31F的发动机喷管，显然和四代机体的复材蒙皮的介电系数大大不同，存在破坏四代机隐身性能的可能，因而经过特殊处理以保证机体到喷管的介电连续性。

四代机目前采用第三代动力系统进行首飞和试飞让大家对于我国四代动力何时能够完成研制装配于四代机实现四代机动力瓶颈的突破格外关注。据称，我国四代动力系统的论证工作已经在上世纪九十年代初开始了四代动力系统论证工作，并于九五期间完成了高压压气机、燃烧室和涡轮三大部件的设计。2000年中国推比10一级核心机开始试制和试车。经过接近二十年的预研和数年工程阶段，我国四代大推目前已经处于原型机试车阶段，预计经过5-6年实现设计定型，从而在我国四代机装备部队之时实现换发配装。据估计，四代大推加力推力能够达到15吨左右，军用推力达到10吨，能够使四代机以1.4马赫以上的速度进行超音速巡航。