國產中等推力航發終於能趕上美國:老技術獲關鍵突破

近日,發動機設計研究所的科研人員首次披露,被我國著名科學家錢學森院士稱為“ 為中國人爭氣的重大發明”——沙丘駐渦火焰穩定器已在我國的航空、航天發動機型號中得到廣泛應用。

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據國內公開資料稱 ,沙丘駐渦火焰穩定器技術可以說是仿生學在航空發動機上最典型的應用。在戰鬥機用航空發動機中,由於加力燃燒室可成倍提高航空發動機的推力,可以說對改善戰鬥機的作戰性能極為重要。然而加力燃燒室內部處於高溫、高速、低含氧量的狀態中,因此要組織起有效的燃燒較為困難,所以火焰穩定器是加力燃燒室的核心部件。在一九四二年,德國科學家研製成功了一種火焰穩定器。這個穩定器從形狀來看就是一個V形槽,這也是沿用至今的V形火焰穩定器。由於我國早期的航空發動機技術比較落後,早期的殲6,殲7,殲8戰機一直採用V形火焰穩定器的航空發動機,極易出現發動機開加力時最大推力不達標,高空熄火,大量的航空燃油在開加力時不能充分燃燒等現象,極端情況下甚至會發生震盪爆燃。

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上述問題導致我國的航空發動機在生產試車中大批不合格,大量發動機無法出廠,且找不到具體原因,給國家和軍隊造成了重大損失和浪費。1981年,北京航空學院(現北京航空航天大學)的高歌教授受沙漠新月形沙丘啟發(不管風怎麼吹, 這個新月形沙丘都不變形, 而其他形狀的沙丘卻被風吹跑, 而這種沙丘形狀就是破壞不了),提出了新的燃燒室火焰穩定性準則和理論公式,併成功研製了沙丘駐渦火焰穩定器,提高了發動機的燃燒效率與火焰穩定性,降低了流體阻力和振盪損失,大幅度提高了航空發動機的合格率。早在1950年,我國科學家錢學森和在航空史上作出過重要貢獻的馮·卡門就在理論上推斷:如果能夠減少迴流區裡的湍流強度,同時又保證迴流區中有足夠的熱量,就能夠創造出一種高穩定的新型穩定器,但由於缺乏湍流的計算公式,一直沒有研究成功。

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美國的宇航局(NASA)在20世紀70年代資助本國科學家對沙丘駐渦做了多年研究,但卻無法解釋其現象,只是認為沙丘無法吹走與沙粒的粗細、比重、成分等有關,這令NASA大失所望,最後以科研資料中的最低級別向全世界公佈了事。當錢學森得知高歌研製出新月形沙丘火焰穩定器並瞭解其具體研究經過後大為興奮,稱之“這是為中國人爭氣的、很有價值的重要發明,是一個很大的技術突破,是在航空發動機領域裡的重大建樹”。由於目前公開的資料極少,獨立軍事觀察家對我國的三代沙丘火焰穩定器只能做一簡單推測。第一代沙丘火焰穩定器主要用於渦噴-6甲,渦噴-7甲型發動機的改進定型中,經過大量計算驗證,採用新月形穩定器來調節發動機溫度場,不僅可提高推力1%,而且比過去的V型槽穩定器擴大穩定性6到8倍,使大量無法出廠的航空發動機獲得了新生,為殲-6,殲-7 ,殲-8,強-5在80年代戰備值班做出了重大貢獻。

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在我國20世紀80年代研製的第一代衝壓發動機反艦導彈中,也採用了沙丘火焰穩定器技術,使衝壓發動機的臨界推力增加約6 至9%,反艦導彈以2倍音速超低空巡航時的航程和發動機穩定性大為增加。第二代沙丘火焰穩定器也是目前普遍應用的技術,根據資料披露,已在多個發動機型號獲得應用,目前公開型號應用的只有瀋陽發動機設計研究所研製的“崑崙II”推力增大型渦噴發動機 。該渦噴發動機主要應用在我國的殲-8D/F,殲偵-8,殲-7E/G中,其採用的3圈式環形沙丘駐渦火焰穩定器使“崑崙II”發動機的加力燃燒穩定性獲得大幅提高,加力推力也增加了1%左右,燃油消耗也有所減少。

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據悉,第三代沙丘火焰穩定器估計用於渦扇-13E推力增大型渦扇發動機和推比達9.5的渦扇-19發動機中。不僅可提高航空發動機加力推力和穩定性,而且在不開加力超音速巡航時也得到了應用。另外在鶻鷹“FC-31”的飛行表演中,經常出現冒黑煙的情況,這是因為其採用的RD-33發動機採用富油燃燒技術,來確保發動機在任何情況下都不會熄火,容易導致低空出現燃油燃燒不充分的現象。而渦扇-13E和渦扇-19在改用第三代沙丘火焰穩定器技術後,可採用貧油燃燒技術,徹底消除暴露飛機蹤跡的黑煙,而其點火性與火焰穩定性能反要優於採用富油燃燒技術的RD-33系航空發動機。


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