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【历史回顾】决战第五代,中国航空发动机追赶欧美引擎的那些故事

褚文 两机动力控制 2021-06-21

导读

前日,美GE公司开始进行人类首个六代机发动机核心机的测试。美媒强调这是该国在航空发动机领域的一次重要飞跃,标志着人类航空发动机技术的新一轮革命将开始。与航空工业强国相比,我国依然需要集中众多资源以实现赶超。


随着中国航空发动机集团有限公司的成立,我国摘取飞机制造工业皇冠上的明珠的步伐又进了一步。实际上,自新中国成立以来,我国便走上了研发航空发动机之路,研制了从涡喷-5到如今在研的涡扇-15等一系列航空发动机。这一路走来,成就辉煌,但与航空工业强国相比,我国依然需要集中众多资源以实现赶超。


正因此,中国航空发动机集团有限公司集中了包括22个发动机厂所在内的46家单位,北京航空材料研究院(621所),3个修理厂以及一批中小单位,总资产达1,100亿元人民币(1元约合0.1521美元)。而沈阳黎明航空发动机(集团)有限公司(410厂)、黎阳航空发动机制造公司(460厂)和西安航空发动机(集团)有限公司(430厂)这些知名发动机制造企业也将纳入中航发麾下。它势必要肩负新使命,突破当今我国战机三大主流发动机。


二代WP14行将就木

空军在2010年曾宣布,自主生产的第一代超音速战机歼-6正式退出空军编制序列;而传奇战机歼-7则被传在2013年正式停产。这意味现役战机的涡喷系列发动机仅剩WP-13和WP-14。



WP-13由WP-7发动机改进而来,加力推力达到64.7千牛,安装于歼-7后续改进机型和歼-8战机。而WP-14则是由英国“斯贝”发动机结合WP-13研制而来,加力推力达73.5千牛,被命名为“昆仑”,目前应用于歼-8H/F/G战机。


随着歼-7、歼-8逐渐退居二线,目前我国最先进中等推力军用发动机的WP-14或许成为“绝唱”,其性能难与美俄等航空强国早已经实现的主力战机的三代化动力装置相提并论。


在研发WS-10(涡扇-10)发动机之前,我国通过组装并改进“斯贝”发动机逐渐生产出WS-9发动机(加力推力91.1千牛),并在随后的国产化工作中研制出“秦岭”发动机(加力推力98千牛)。


“秦岭”被视为继“昆仑”之后又一重大突破,填补我国自主生产涡扇发动机的空白,目前应用在歼轰-7A战斗轰炸机上。但由于“斯贝”发动机属于上世纪60年代产品,耗时30年才研成的“秦岭”性能已难以跟上当今同类发动机。


三代WS10撑起中国天空

一般而言,外界将推力大于100千牛的涡扇发动机划为大推力涡扇发动机,目前全球第三代大推力涡扇发动机主要有俄制AL-31系列和美国F-100/F-110系列。而我国能与之相媲美仅有WS-10系列。



WS-10发动机项目始于1986年,被命名为“太行”,核心机改进自美国CFM56,研制之初瞄准的目标就是美制F-100-GE-129,1993年完成验证机研制,2000年开始高空台试车,2001年装机歼-11完成首飞,2006年正式定型,但直至2012年WS-10才成熟并大批量装机。在研制过程中,WS-10曾出现地面喘振、叶片断裂、突发停车等一系列故障。


通过不断研发改进,WS-10A、WS-10B等型号不断出现在媒体上,早期WS-10的加力推力为132KN,推重比为7.5,涡前温度1,474摄氏度,而俄制AL-31F涡前温度才1,392摄氏度,美制F-110系列发动机均在1,427摄氏度以上。涡前温度越大意味着排气的速度越高,推力就越大,推进就效率越高。


有资料显示,WS-10A涵道比为0.78,俄制AL-31F为0.57,美制F-110-GE-100、F-110-GE-129分别为0.87、0.76。涵道比越大就会造成高空推力急剧下降。而推重比方面,WS-10A与F-110-GE-129相当,大于F-110-GE-110、F-100-PW-220的7.07、7.4,小于F-100-PW-100的7.8。不过由于F-100-PW-100故障不断,导致可靠性、耐久性和维护性差。而其后的F-110系列虽然首次大修时间间隔超过1,000小时,但推重比仅为7.14,涵道比高达0.87。


WS-10A核心机来源于CFM56,后者与F-110系列发动机渊源颇深,我国在设计时对后者也有所参考。而俄制AL-31F在加速等性能上优势明显,且该发动机已在军中大量服役。因此,WS-10A必将博众家之长。而WS-10B发动机则在A型号基础上再次改进升级,采用了先进的对转子结构,运用了大小叶片结构,机体重量大幅减小,且燃油消耗也减少。而一体化叶盘技术也将提升发动机寿命。


正如有声音指出,俄制AL-31F在天上是一款好发动机,但在地上全寿命周期内的维护保养简直是噩梦。此前中国歼-10、歼-11等战机频繁出现故障甚至坠毁都与此有关,进而导致名声不佳。而美制F-100、F-110系列发动机由于研制时间较早,因此性能较为平平。而WS-10,不仅汲取美俄发动机的优点和教训,同时也应用了第四代发动机部分技术,因此性能远远超出美俄同代发动机,WS-10B甚至有“集东西方之大成发动机”之美誉。


据了解,正因为拥有后发优势,WS-10系列发动机在2012年成熟后便大规模装备到现役战机,包括歼-10B、歼-11B/11BH、歼-15/15S、歼-16等我国海空军主力三代及三代半战机,独自撑起一片天空。


四代WS15超俄赶美难补差距

在研发四代机歼-20的同时,中国启动了第四代发动机WS-15的研制工作,WS-15代号“峨眉”,由黎阳厂设计生产。据称,WS-15核心机2007年完成实验,2012年两台样机完成装配,2013年进行整机高空台试车。有消息指出,WS-15最有可能在2019年或2020年达到设计定型,然后批量服役。



目前公开资料显示,WS-15加力推力在160-80千牛之间,推重比在9.5左右,涵道比介于0.25和0.382之间,总压比为28-30,WS-15涡前温度可达1,650摄氏度。而美军现役四代机F-22的发动机F-119加力推力为156千牛,推重比大于9,而F-135加力推力则为190千牛,推重比高达11.467。而俄罗斯由于放弃AL-41F(117型)转而研究30型新一代发动机,后者推力加力达176千牛。


这表明,WS-15研发直接瞄准F-119甚至是F-135,而俄罗斯则与中国同处一阶段,甚至可能因为进度而落后。


WS-10系列发动机成果虽丰硕,WS-15发动机指标虽优异,但美军F-22毕竟已经服役近十年,F-35也将大规模列装,其搭载的发动机也已是数十年前的产物,仅这一项的时间差距就高达20至30年。


更令人忧心的是,近日,美航空发动机制造商GE公司开始进行人类首个六代机发动机核心机的测试(注:F-22和F-35战机原划为第4代战机,美后来把F-22战机划为第5代战机)。美媒强调这是该国在航空发动机领域的一次重要飞跃,标志着人类航空发动机技术的新一轮革命将开始。


报道称,该发动机属于变循环发动机,能够提供跨所有不同油门等级——亚声速、声速和超声速时的25%燃油效率。这意味着其可使飞机的航程扩大35%,可实现10%的推力增长。


2011年,中航工业高层也曾表示,尽管成就瞩目,但在先进喷气发动机制造领域与美国相比仍然存在较大差距。而如今,集中资源成立中航发预示我国并不满足在发动机领域的所谓的巨大进步,计划加大对航空动力的投入,希望加快追赶步伐,毕竟对手并没有慢下脚步等待自己。


不过,也有好消息指出,中航工业也曾在2012年对外透露,他们已经在研究国产变循环发动机,有着相应的计划来研究未来先进发动机。


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