交付四代核心機即將測試 日本找到未來航空發動機升級捷徑了?

6月29日,日本IHI公司將防衛廳的15噸級未來發動機項目的XF9-1原型機交付給國防裝備局航空裝備研究所。

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日本是繼美俄中之後第四個獨立研發第四代航空發動機的國家。在大家的認識之中,日本雖然軍工技術被美國長期壓制,雖然缺乏完善的高端戰鬥機整合研發和製造能力,但是在材料和工藝等方面有著豐富的技術積累。尤其是“實驗室”產品都有著不錯的性能。

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XF9-1發動機的性能指標和外形數據基本都是對標美國F-22所使用的F-119發動機:直徑1米、全場4.8米、軍用推力11噸、最大(加力)推力15噸以上。而從日本早期公佈的發動機結構圖上來看,其總體結構也和F-119一樣:3級低壓壓氣機、6級高壓壓氣機、1級高壓渦輪和1級低壓渦輪。

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XF9-1發動機結構圖

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F-119發動機結構圖

從技術成熟度而言,這次交付的是剛組裝好的發動機核心機部分。機身外表遍密密麻麻的線纜也充分說明了這是一臺試驗用發動機。還沒開始進行首次試車,是否能在實驗條件下達到宣稱的性能尚不清楚。對於這一點,我們持謹慎樂觀的態度。

作為發動機的代系劃分,四代發動機的關鍵指標就是渦輪前溫度要上1800℃、推重比達到10。因為現代軸流式渦扇發動機的工作原理就是用壓氣機將空氣進行壓縮升溫後送入燃燒室燃燒加熱。炙熱的氣流渦輪葉片旋轉釋放能量降低溫度;渦輪再帶動壓氣機完成工作循環,發動機的推力一部分面靠將燃氣通過尾噴口降溫減壓增速噴出產生,一部分靠前端的風扇直接將空氣加速通過外涵道產生。

提高發動機最簡單的辦法就是提升渦輪前溫度,這樣發動機的氣流速度更快,能產生更高的推力。三代發動機的渦輪前溫度普遍在1500℃左右,四代發動機的渦輪前溫度就達到了1800℃。但這樣一來,先前還能使用的鎳合金渦輪葉片就將面臨更加惡劣的工作環境,以往能承受1500℃的葉片材料將出現高溫蠕變。時間久了葉片就會變形斷裂,打壞發動機。

為了解決這個問題,F-119採用了新一代的單晶渦輪葉片作為材料,並在葉片上使用了氣膜冷卻技術。而在最關鍵的葉片材料上,F-119提升了一個關鍵性金屬元素的用量:錸。

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金屬錸

錸可以說是地球上儲量最少的元素:全球探明儲量只有約2500噸。與之相對的是,錸的高溫性能非常優秀。只需要在渦輪葉片的合金材料中加入3%的錸,就可以顯著提升在高溫下的抗氧化、抗蠕變和抗疲勞性能。而在F-119中,為了進一步提升性能,美國人將錸的比重增加到了6%。而全世界生產的錸,70%都進了美英生產的航空發動機。其他的則用在導彈和石化工業中。

我們回頭來看日本這邊的情況。在XF9-1核心機之前,日本四代機技術驗證機心神的發動機XF5-1雖然只有5噸的推力,但是也達到了1700℃的渦輪前溫度。而日本也成功研發了第五代耐熱合金TMS-162,含錸量接近9%。看來日本人找到了未來先進發動機的捷徑:不停的加錸!

然而為了節約錸的用量,美國的下一代發動機的渦輪葉片材料的含錸量已經降到4%左右,而日本則在加錸的道路上越走越遠。也許他們最終會效仿土星五號火箭發動機的燃燒室一樣,用純錸來製造渦輪葉片?

交付四代核心機即將測試 日本找到未來航空發動機升級捷徑了?

R-4D-14型445N高性能液體火箭發動機,採用純錸基體,外表塗層銥


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