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美国F135发动机再创历史,百度福利领取中心中国不甘落后加紧研发

来源:网络 作者:小辣椒 人气: 发布时间:2018-04-16 11:44
摘要:原标题:美国F135发动机再创历史,中国不甘落后加紧研发可秒杀歼20的五代机 近日,美国航空工业巨头普拉特·惠特尼公司宣布,为F-35战机配套的F135涡扇喷气式发动机增推计划取得了实质性进展。经过两年的努力,普拉特·惠特尼公司成功实现了第一阶段的目标,

原标题:美国F135发动机再创历史,中国不甘落后加紧研发可秒杀歼20的五代机

近日,美国航空工业巨头普拉特·惠特尼公司宣布,为F-35战机配套的F135涡扇喷气式发动机增推计划取得了实质性进展。经过两年的努力,普拉特·惠特尼公司成功实现了第一阶段的目标,将F135涡扇喷气式发动机的最大加力推力由191.27千牛提升至204.12千牛——这是世界航空史上第一次出现最大加力推力超越200千牛的战斗机用涡扇喷气式发动机,具有里程碑式的意义。

更为惊人的是,普拉特·惠特尼公司的第二阶段目标,其计划在204.12千牛的基础上继续增推5~6%。以增推6%计算,F135涡扇发动机的第二阶段改进将达到216.37千牛的最大加力推力。而普拉特·惠特尼公司的终极目标则更为远大,那便是在F135涡扇发动机不断改进的基础之上,为将来的美国空军的下一代战斗机(或者更为准确的称为“空中作战系统”)研制真正具有划时代意义的第五代军用喷气式发动机。

普拉特·惠特尼公司不断改进的这款发动机可以说是很厉害了,与此同时,中国也在加紧研究下一代战斗机,可以秒杀歼20,现在就让我们具体的来看一看。

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与战后喷气式战斗机的发展历程一样,战斗机用喷气式发动机的发展也经历了四个阶段(国标四代划分法)。从早期的第一代喷气式发动机J57、AL-7F到第二代J79、J85、M53和R29,到第三代F100、F110、AL-31F、RD33以及EJ200、M88,再到目前最先进的F119、F135等型号,可以说无论每一代的技术标准和特征如何变化,增加推力都是一个亘古不变的主题。

增加喷气式发动机推力的基本原则,就是尽可能增大单位时间内发动机的进气流量、更好地利用燃料燃烧后产生的热量,并对发动机各个部分进行更为有效地控制。从这三个方面出发,那么就产生了增加喷气式发动机推力的三个基本途径:

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首先,需要增加发动机进口圆截面的直径,进而增加发动机进口面积。发动机进口面积越大,单位时间内吸入的空气也就越多,产生的推力自然也就越大。而对于目前世界各国先进战斗机普遍采用的涡扇喷气式发动机来说,涵道比也在一定程度上决定了单位推力(发动机推力与进气流量质量的比值)的大小。为了尽可能提高单位推力,就要降低涵道比,从而增加风扇压比。此外,增加风扇与压气机的总压比和每一级的压比,也有利于增加发动机推力。

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其次,在燃料热能利用率上,一方面要尽可能提升涡轮进口温度,另一方面则要对燃烧室以及加力燃烧室的结构设计进行改进,优化喷油系统的设计,等等。

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再者,喷气式发动机控制系统也要进行不断地升级和改进——从最初的机械液压式到模拟式电子控制系统,再到目前最先进的由计算机负责的全权限多通道数字式电子控制系统,其效率已经呈几何数量级的提高。

虽然方法和原理都是通行的,但是当喷气式发动机发展到第三代以及第四代时,增推技术已经是越来越难以攻关了。事实上,喷气式发动机增推技术除了结构设计的优化以外,更多的则是依靠新制造加工工艺以及新材料的出现才能有所突破。其中,最为典型的当属涡轮盘以及叶片材料、加工工艺的难关。

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▲美国F-135发动机增推的实现,与其在基础科学与研究领域长时间的积累紧密相关。

提升涡轮进口温度是增加喷气式发动机推力最为直接和有效的办法,比如第三代喷气式发动机M88的涡轮进口温度已经达到1850K,而第四代喷气式发动机F119的涡轮进口温度更是高达1973K。这么高的温度实际上已经达到了当今涡轮盘以及叶片所用的耐高温材料的极限。未来,第五代喷气式发动机的涡轮进口温度预计将突破2000K大关。如果无法研制出能够达到这一要求的耐高温材料,那么第五代喷气式发动机也只能是一个空谈。

目前,世界上正在研究和使用的喷气式发动机耐高温材料包括高温合金、钛合金、金属间化合物、难熔金属材料、金属陶瓷材料和复合材料等。这些耐高温材料的各种元素配比组成、制作工艺以及成本、耐用性和可靠性等等,都需要长时间以及大量人力、物力和财力的攻关试验。而且,试制出成品器件之后,还要安装在喷气式发动机上进行长时间的考核试车,考察其性能。如果一个国家的航空工业没有及其强大的技术储备、人才队伍、配套试验设施以及雄厚的财力支撑,很难想象能够突破这一难关。而当今世界上真正具备这一实力的,也只有美国。其他几个航空工业大国,如俄罗斯、中国、英国和法国等,都存在或多或少的短板和软肋。

除了增加喷气式发动机的最大推力这一主要目标,其实增推技术还包括了很多更为广泛的内容,比如:

减小喷气式发动机的尺寸和重量、降低各种推力状态下的耗油率、延长发动机全周期使用寿命以及提高发动机工作可靠性等诸多方面。

这一点是很好理解的,如果喷气式发动机在增加推力的同时,全重也大大增加、耗油率飙升、寿命和可靠性大幅下降,那么所带来的性能损失将大大超过增推带来的性能提升。而且,这样的喷气式发动机,战斗机研发单位也完全不可能接受。

美国航空工业之所以能够研制出一代又一代性能非常出色的喷气式发动机,最主要的原因就在于能够更好的把握推力、尺寸和重量、耗油率、寿命以及可靠性等几个方面的平衡。因此,美国才可能长期占据世界航空发动机领头羊的位置。

从目前美国普拉特·惠特尼公司在F135涡扇喷气式发动机增推项目上所取得的进展来看,在第一阶段最大加力推力突破200千牛的同时,耗油率竟然能够降低5~6%。而在第二阶段,F135涡扇喷气式发动机的耗油率将再降低5%。此外,由于采用了先进的模块化设计,已经交付的F135涡扇喷气式发动机通过更换相应的模块,就可以得到与新生产的改进型发动机相同的性能提升。这也就意味着目前几乎所有出厂和服役的各型F-35战机都将很容易获得更为出色的飞行性能以及更远的航程。

目前看来,美国已经在第四代喷气式发动机改进上取得了极为傲人的突破性进展,并且正在从容不迫地将发展重心转移到第五代上。

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在世界各国航空装备制造竞争越来越激烈的情况下,中国也在不断的提升,研发更多的新技术。歼20总师杨伟在2017年就对五代机做出过正面回应:

在未来的世界航空装备制造业格局中,是对手根据我们的装备来调整自身装备发展目标,而不是相反。我们会不停止地发展新的装备,这是毫无疑义的。歼20只是走向“中国制造2025”途中完成的一个小目标。我们现在正处于新技术诞生的前夜,它的出现将为世界航空武器的研发提供新的支撑,而我们或许就是这些技术的拥有者。

▲正在批量生产的歼20

五代机的关键指标就是要能秒杀以歼20、F35为代表的四代机的战力,具备更远的航程与作战半径,更加隐身的机体、以及不依赖雷达的被动探测能力、基于人工智能的操控系统、不仅具备强悍的导弹攻击力,更拥有可以单独发起电子战攻击的能力。而这些功能的开发需要强大的子系统支持,这也是杨伟总师所说的:新一代战斗机需要跨代技术的推动,这些跨代技术就是新的材料、新的探测方式、新的作战武器、新的发动机。

▲我国正在测试中的爆震脉冲发动机

罗伯特·米切尔森是美国业内著名的无人机工程师,他说中国人非常善于把不可能变为可能。罗伯特·米切尔森在一次中国无人机大赛上担任国际评委,他惊讶地发现,中国南京航空航天大学的参赛无人机,应用了高压等离子技术,可以吸收和反射雷达波,达到隐身飞行的性能,而这一技术在美国都还是空白。

高压等离子体隐身正是第五代战斗机追求极致隐身效果的理想技术,因为这一技术不再受制于棱角分明的四代机隐身外形,可以更加符合空气气动原理。而这已经是2013年的事情。

▲五代机飞翼布局进一步降低雷达反射面积

未来的第五代战机甚至有可能取消传统雷达。取而代之的将是以中国率先突破的量子技术为基础研发的量子雷达。早在2016年中国电科14所就研制成功了探测距离达100公里的地面量子雷达。量子雷达是基于光子纠缠原理,任何物体接收到光子信号后都会产生扰动,所以不论当下的隐身飞机再怎么改变气动外形也是无济于事。

▲歼20即将形成整建制作战能力

第五代战斗机还将有一个显著的特征就是智能化水平更高,高水平的智能化系统,牵扯到另一个话题,就是五代机是无人还是有人,歼20总师杨伟是这样说的:

人机混合智能化在一定时期肯定会起到更好的效果。也就是说我们不必纠结有人还是无人,智能化结合人工在高危复杂的空战环境中将能产生1+1大于2的效果。

目前中国已经成为世界人工智能AI科研人员最密集的国家,有460万刚刚毕业于科工专业的研究生,这对比美国有着绝对的优势,同时中国的AI应用市场也是全球最大,巨大需求将会促使这场国际AI竞赛的胜利女神向中国招手。而这些科研成果很容易被转化成武器装备上的战斗力。

本文综合自:澎湃新闻、巅峰高地

编辑| 周君

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