01.26 新歼击机对动力的需求催生新发动机

FWS-10涡扇发动机的研制可以上溯到20世纪80年代,当时国产歼-8II的设计已经进入尾声,即将进入试飞阶段;而国外第三代作战飞机已经研制成功,美国的F-15、F-16已经批量装备部队,苏联新一代作战飞机也在发展之中。在这种情况下,中国空军开始考虑新一代战斗机的研制。1982年,邓同志在听取了空军及工业部门的汇报之后,决定“拿出5亿元,发展新一代歼击机”,由此,新歼(歼-10)的发展正式步入正轨。


新歼击机对动力的需求催生新发动机

歼-10战机

根据空军最初的要求,新歼的战术指标要优于苏联空军当时的主力战斗机米格-23,接近美国空军第三代作战飞机;而苏联/俄罗斯在研制PS-90A涡扇发动机的时候,仍需要寻求美国的技术支持。与早期作战飞机相比,第三代战机增加了超视距拦射、精确对地/海打击、电子战等功能,同时飞行性能也大幅度提高,以致飞机的空重、最大起飞重量明显增加。


根据相关资料,飞机起飞重量每增加1%,其飞行性能、起降性能相应要下降1%左右,而机动性能则要下降2%,这就需要增加飞机的升力。但升力增加,阻力也随之增加。为了保证飞机有足够的飞行、起降性能,就必须增加发动机的推力和推重比,因此第三代作战飞机(如美国的F100/F110系列和俄罗斯的AL-31系列等)都普遍配备了大推力、高推重比涡扇发动机。


从性能来看,第三代大推力、高推重比涡扇发动机比一代航空发动机有明显提高,为第三代作战飞机性能的提高打下坚实的基础。以AL-31F为例,它的重量为1500千克左右,加力推力达到12.5吨,而上一代AL-21涡喷航空发动机重2000千克,加力推力却只有11吨,也就是说,在重量减少500千克的情况下,AL-31F的推力反而增加了1.5吨左右。现代作战飞机对于重量是非常敏感的,这个意义不言而喻。


新歼击机对动力的需求催生新发动机

米格-29

稍后,苏联公开了新一代作战飞机米格-29,其战术技术指标明显优于米格-23,这样,新歼原有的战术技术已经难以适应未来战场的环境,所以空军随之调整了其战技指标,明确要求新机能够对抗米格-29这样的苏联第四代(西方标准第三代)作战飞机。要满足这样的战术技术指标,国产作战飞机就必须实现从第二代到第三代的跨越,这就要求中国航空工业乃至其他行业突破一系列关键技术问题,包括航空电子及综合航电、机载武器及火力控制系统、数字式电传操纵系统、先进材料及制造、高推重比涡扇发动机等。考虑到当时中国航空工业及其他行业研制新歼的能力仍旧不足,有关部门提出了“以我为主,力争外援”的方针,积极利用当时有利的国际环境,引进国外先进技术和系统,满足新歼的研制需要。经过努力,新歼的航空电子、数字式电传操纵、材料及工艺、机载武器等领域的对外合作都取得了明显的进展,为新歼的研制打下了良好的基础,但在关键的航空发动机方面却没有取得明显突破。


我们知道,航空发动机被称为“工业革命皇冠上的钻石”,对一个国家的经济技术基础要求极高,甚至要高于飞机本身,以至于有人说,“决定一个国家研制什么样飞机的不是飞机设计师,而是发动机设计师”。英国可以放弃整个飞机工业,但却倾其全力来保罗·罗公司,凭借罗·罗公司在航空发动机领域的雄厚实力,英国成为除美国之外能独立为民航客机生产大涵道比涡扇发动机的国家。相比之下,法国还需要与美国组建合资公司,并且在发动机关键技术领域方面依从国内外飞机设计工程经验来看,发动机重量每减少1千克,飞机的结构重量可能就会减少5千克以上。这是因为,固定设备的重量稍有增加,就需要增加飞机的容积和结构,同时为了保证翼载荷不会增加,还需要扩大机翼面积,为了保证航程,又需要增加燃料,为了保证起降架有足够的刚度和强度,还需要加强起落架。正是这样的滚雪球效应,导致飞机的空重直线上升。


新歼击机对动力的需求催生新发动机

WS-15

飞机重量的增加还会导致成本和价格攀升,现代作战飞机的造价都在数千万美元甚至上亿美元,分摊到飞机上每千克的成本非常高。考虑到现代作战飞机都是大批量采购,所以这个价格最终可能是天文数字,这也是为什么飞机设计的时候,一开始就须确定其尺寸和重量的主要原因。


1984年,成都飞机公司奉命进行新歼(歼-10)研制,设计面临的一个主要问题就是缺乏必要的发动机。这个难题一直困扰着歼-10,并且差一点导致这个型号下马。当时,国内正在研制的大推力涡扇发动机是WS-6,是中航动力所从20世纪60年代就开始研制的第二代涡扇发动机。该发动机重量2100千克,最大加力推力12.2吨左右。从这里可以看出,WS-6在推力与AL-31F相当的情况下,重量比后者增加了300-500千克左右,配备这样的发动机显然会影响歼-10的性能。另外,它的涵道比达到1,也不利于歼-10高空高速性能的发挥。从相关资料来看,WS-6当时的技术状态也难称完善。由于前期技术不足,部件试验不充分,使得发动机在试验过程中出现了大量问题,经反复调试,有关厂所做了大量工作仍旧没有完全解决。尽管为了配合新机的研制,有关厂所研制了WS-6G发动机(它在重量减少100千克的情况下,推力提高13%,推重比提高到7),但是考虑到发动机的研制进度、发展潜力等原因,最终未能立项。从1978年起,航空工业针对第三代航空发动机开始高性能推进系统的技术预研,包括主要部件、技术、材料及加工工艺等。但由于基础薄弱,需要攻克的难题太多,短时间内难以拿出大推力涡扇发动机,加上当时西方在此领域对我国采取严格封锁的政策,也无法从国外取得合适的发动机。在这种情况下,有关厂所提出两步走的策略,第一步先发展技术难度稍低的涡喷-15发动机,然后再发展大推力涡扇发动机。


新歼击机对动力的需求催生新发动机

CFM-56

涡喷-15是我国相关单位测绘仿制的R-29涡喷发动机,后者来源于我国从埃及获得的米格-23战斗机,它的重量达到2000千克,加力推力12.2吨,尽管在第二代涡喷发动机之中处于较好的水平,但与第三代涡扇发动机相比还是有较大的差距。这个选择显然是无奈之举。使用单位对这个选择持反对态度,认为配备涡喷-15的歼-10无法对抗米格-29,所以在1987年歼-10总体方案确定的时候,相关单位决定将其动力系统换为正在发展的FWS-10涡扇发动机。


FWS-10参考了我们从国外引进的先进核心机技术。当时,我国引进了CFM-56涡扇发动机,它的核心机来源于美国的F-101中涵道比涡扇发动机,在此基础上先后发展出了CFM-56大涵道比涡扇发动机和F-110小涵道比带加力涡扇发动机,后者是美国第三代战斗机的主要动力系统之一。

新歼击机对动力的需求催生新发动机

FWS-10


核心机是发动机最主要的部分,也是发动机研制的难点和关键,攻克了核心机就意味着发动机的研制完成了相当大一部分,所以,我国有关部门决定参考CFM-56的核心机,发展我国自己的大推力小涵道比涡扇发动机FWS-10,也就是所谓的“半研半仿”方针。


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