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中國(guó)六代戰(zhàn)斗機(jī)漸行漸近


作者:刀口團(tuán)隊(duì) / 92軍迷


隨著殲-20的正式入列,軍迷們開(kāi)始關(guān)心我國(guó)的第六代戰(zhàn)斗機(jī)會(huì)是什么樣?是否已經(jīng)開(kāi)始研制?與五代機(jī)相比,六代機(jī)應(yīng)該具備什么獨(dú)特的性能?最近中航工業(yè)舉辦技術(shù)成果展,其中有個(gè)視頻是關(guān)于新型發(fā)動(dòng)機(jī)。下面是視頻的截圖。

我們暫且不看圖中的文字說(shuō)明,先來(lái)看看視頻中的這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)有什么特別之處。從圖中的諸多特征可以看出,這個(gè)視頻里的飛機(jī)平臺(tái)用的是鶻鷹,這回不是視頻的制作方偷懶,而是為了保密。

根據(jù)我國(guó)軍備“使用一代、研制一代、預(yù)研一代”的原則,殲-20入列說(shuō)明下一代戰(zhàn)機(jī)的研制項(xiàng)目已經(jīng)正式上馬,預(yù)研是時(shí)間就更早,還處于保密狀態(tài)的研制平臺(tái),自然是不能曝光,哪怕是模型。

從上圖不難發(fā)現(xiàn)這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)比RD-93 / WS -13更長(zhǎng),因?yàn)樗那岸藥缀蹴數(shù)礁共繌梻}(cāng),鶻鷹如果這樣發(fā)動(dòng)機(jī)就無(wú)法進(jìn)氣了。仔細(xì)觀察增加的長(zhǎng)度是因?yàn)檫@臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室特別長(zhǎng)。

下面是根據(jù)鶻鷹和WS-13的長(zhǎng)度合成的圖,以及RD-33的實(shí)物圖,可以看出加力燃燒室的長(zhǎng)度只占發(fā)動(dòng)機(jī)總長(zhǎng)度的一小部分,而上圖的加力燃燒室占發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度的一半。

視頻中的文字說(shuō)明這是一臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),可是傳統(tǒng)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)也不可能加力室占發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度的一半,顯然這是新型的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。讀者可能會(huì)問(wèn):渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)不是被認(rèn)為是“落后”的嗎,為什么還要投入研制新的型號(hào)呢?我們先來(lái)看看渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有什么不同(下圖)。

拼圖(上)是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面圖,可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣有內(nèi)外兩個(gè)涵道。來(lái)自飛機(jī)進(jìn)氣道的氣流一部分通過(guò)高低壓壓氣機(jī)葉片的增壓進(jìn)入燃燒室,與燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣流。高壓氣流一方面向后噴射產(chǎn)生推力,一方面推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片,再通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)前面的壓氣機(jī)和風(fēng)扇。風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)所吸入的另一部分冷空氣,流經(jīng)外涵道向后噴射。我們常說(shuō)的涵道比就是指外涵道與內(nèi)涵道的面積之比。

拼圖(下)是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,它沒(méi)有風(fēng)扇和外涵道,所以發(fā)動(dòng)機(jī)的推力只有燃燒后高溫高壓氣體向后噴射所產(chǎn)生的推力。

假如是相同的核心機(jī)制成的渦噴和渦扇兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),相同數(shù)量的燃料,由于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多了風(fēng)扇和外涵道,不但增加了一部分風(fēng)扇帶來(lái)的推力(推重比高),而且燃料利用率更高,也就是耗油量更低。所以現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)都使用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),運(yùn)輸機(jī)使用的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比(風(fēng)扇直徑)更大,就是這個(gè)道理,讓更多的燃?xì)庥糜谕苿?dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力。

那么渦噴是不是就過(guò)時(shí)了呢?這點(diǎn)要一分為二地看待,事物總有兩面性,所謂“針沒(méi)有兩頭尖”,各有各的優(yōu)缺點(diǎn),技術(shù)進(jìn)步常常帶來(lái)裝備性能的螺旋式上升。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有推重比高,省油的優(yōu)點(diǎn),但外涵道氣流的流速畢竟沒(méi)有燃燒室的高壓氣流的流速大,同時(shí),燃燒后的高壓氣流還要間接推動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇做功,也會(huì)損失動(dòng)能,所以從渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)后端噴射的氣流速度,與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相比就較小。

另一方面,由于高空的空氣較稀薄,風(fēng)扇的效率大大降低,所以裝備渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)機(jī),最高航速和最大升限普遍都不如渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)機(jī),只是因?yàn)槿鷳?zhàn)機(jī)之后的空戰(zhàn)更強(qiáng)調(diào)中低空的機(jī)動(dòng)性,渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)就顯出其不足的一面。

五代機(jī)(國(guó)內(nèi)稱四代)F-22為了能超巡,其發(fā)動(dòng)機(jī)采用更小的涵道比(F-119是0.3、F-100是0.6)也是基于相同的道理,一方面通過(guò)先進(jìn)技術(shù)提高軍用推力(高推重比),一方面讓更多的高溫高壓氣流直接用于噴射推力,這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)才能滿足超巡的要求。

F-35不要求超巡,又是單發(fā),為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力和更加省油,涵道比增至5.7。由于這些渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比是固定的,它們優(yōu)缺點(diǎn)是固有的。那么有沒(méi)有一種技術(shù)能讓涵道比是可調(diào)的呢?這就涉及到“變循環(huán)”技術(shù),簡(jiǎn)單地說(shuō)就是通過(guò)特殊裝置來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)外涵道的氣流比例。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)又分成兩類(lèi),一類(lèi)是渦噴--渦扇雙模發(fā)動(dòng)機(jī)。如下圖通用公司研發(fā)的F-120。通過(guò)圖中的1#調(diào)節(jié)板,來(lái)控制流經(jīng)內(nèi)外涵道的氣流比例。當(dāng)它完全關(guān)閉時(shí),外涵道無(wú)氣流,發(fā)動(dòng)機(jī)是接近于渦噴模式。

圖中2#調(diào)節(jié)板控制的綠色氣流主要是起冷卻的作用(減低紅外信號(hào))。這樣就同時(shí)滿足三種不同狀態(tài)的氣流控制要求:渦噴的高速性、較小涵道比渦扇的超巡、較大涵道比渦扇(仍屬于小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī))的省油模式。

但是上述這種雙模變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)還只是在傳統(tǒng)的渦噴—渦扇之間變換,是為了能同時(shí)兼顧較高的突防速度與省油的巡航模式的要求,戰(zhàn)機(jī)的最高航速和升限沒(méi)有變化,所以它只是用于五代機(jī)(國(guó)內(nèi)稱四代)的改進(jìn)型,無(wú)法滿足六代機(jī)的需求。

我們回顧戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展史就會(huì)發(fā)現(xiàn),每一代的發(fā)動(dòng)機(jī)都有質(zhì)的飛躍,從而帶動(dòng)飛行品質(zhì)的較大提升,進(jìn)而產(chǎn)生新的戰(zhàn)法來(lái)戰(zhàn)勝前一代戰(zhàn)機(jī)。那么六代戰(zhàn)機(jī)會(huì)有什么特殊的作戰(zhàn)性能呢?

F-22和殲-20這代戰(zhàn)機(jī)的隱身性和航電技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn),再提升也不是質(zhì)的變化,超機(jī)動(dòng)性能已經(jīng)接近人體的極限,更高的過(guò)載只能用于無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)。但如果在最大升限和最大速度(包括巡航速度)方面有質(zhì)的飛躍,將會(huì)產(chǎn)生五代機(jī)無(wú)法具備的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法。

傳統(tǒng)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)雖然在高空高速性能上比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有優(yōu)勢(shì),但最多也只能是雙2.5,因此裝備傳統(tǒng)的渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)肯定達(dá)不到六代機(jī)的要求,必須另辟蹊徑。這就涉及另一類(lèi)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),它是將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)組合的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。下圖(上)是這類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,它加長(zhǎng)了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室,使其成為沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室。

上圖是前蘇聯(lián)曾研制的D-30-F6發(fā)動(dòng)機(jī),它有加長(zhǎng)的加力燃燒室。雖然限于當(dāng)時(shí)的技術(shù),還只是不完全的沖壓模式,但米格25的最大速度和升限也是當(dāng)時(shí)西方戰(zhàn)機(jī)無(wú)法比擬的。真正做到渦噴 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的是美國(guó)黑鳥(niǎo)的J-58發(fā)動(dòng)機(jī)(下圖)

下圖的箭頭是J-58在不同模式的氣體流向示意圖。首先它的進(jìn)氣道口有個(gè)可前后移動(dòng)的進(jìn)氣錐,低馬赫數(shù)時(shí)進(jìn)氣道口的面積大,同時(shí)渦噴的進(jìn)口導(dǎo)流片打開(kāi),氣流經(jīng)過(guò)內(nèi)涵道進(jìn)入渦噴的燃燒室。

當(dāng)飛行速度達(dá)到1.6M.,進(jìn)氣錐開(kāi)始向后移動(dòng),進(jìn)氣道口的面積逐步變小,同時(shí)渦噴的進(jìn)口導(dǎo)流片關(guān)閉,氣流不經(jīng)過(guò)內(nèi)涵道,而是直接經(jīng)外涵道進(jìn)入沖壓燃燒室,此時(shí)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作,沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作。

黑鳥(niǎo)是靠渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)起飛和爬升,當(dāng)飛機(jī)到達(dá)高空,速度達(dá)到可啟動(dòng)沖壓模式時(shí),渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口關(guān)閉,發(fā)動(dòng)機(jī)變身為沖壓模式,繼續(xù)提高飛機(jī)航速。由于氣流不經(jīng)過(guò)渦噴段,飛行的速度越高,發(fā)動(dòng)機(jī)的效率越高,并能維持3M.的巡航速度長(zhǎng)時(shí)間飛行。

下面是此次航空技術(shù)展會(huì)上播放的兩幅視頻截圖,從圖中可以看出幾點(diǎn):

(1)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的前半段是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),它與傳統(tǒng)渦噴的最大區(qū)別是有外涵道。因?yàn)闆](méi)有風(fēng)扇所以還是屬于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。中間是火焰穩(wěn)定器,后面是很長(zhǎng)的加力 / 沖壓燃燒室

(2)它不像J-58那樣有很長(zhǎng)的進(jìn)氣錐,而是像F-120那樣靠?jī)?nèi)外涵道的調(diào)節(jié)片,改變氣流的走向。

(3)非加力狀態(tài)下,可以使飛行速度達(dá)到2.0M.、最大升限22Km(見(jiàn)上圖的說(shuō)明文字)。說(shuō)明這是一種能達(dá)到2.0M.超音速巡航的新型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),而且推重比要比F-22的F-119更高,有可能達(dá)到15一級(jí),耗油率自然要比F-119低,這就解決了傳統(tǒng)渦噴比較耗油的缺點(diǎn)。

(4)加力狀態(tài),飛行速度可達(dá)到3.5—4.0M.,升限是30Km(見(jiàn)下圖的文字說(shuō)明)。這里的“加力”實(shí)際上是指“沖壓”模式。此時(shí)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作,壓氣機(jī)和渦輪的葉片處于“風(fēng)車(chē)”模式。

(5)沖壓燃燒室的末端有復(fù)雜的裝置,應(yīng)該是矢量噴口的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

根據(jù)上述推理,我們來(lái)猜一猜這樣的戰(zhàn)斗機(jī)有什么獨(dú)特的作戰(zhàn)性能。美國(guó)當(dāng)年的黑鳥(niǎo)只是執(zhí)行戰(zhàn)略偵察任務(wù),現(xiàn)在因?yàn)橛懈叻直媛实能娛聜刹煨l(wèi)星,對(duì)于軍事強(qiáng)國(guó)已經(jīng)沒(méi)有黑鳥(niǎo)這樣的需求,所以中國(guó)研制這種升限30Km、飛行速度3.5—4.0M.的戰(zhàn)機(jī),主要任務(wù)肯定不是用來(lái)偵察,而是第六代戰(zhàn)斗機(jī)。

這種戰(zhàn)斗機(jī)有著F-22無(wú)法比擬的飛行性能。例如當(dāng)它作為攻擊機(jī)的時(shí)候,可以在22—30Km高空以3.5—4.0M.飛行。此時(shí)即使敵方發(fā)現(xiàn),派出F-22也無(wú)法攔截。首先是F-22的升限只有19.8Km,最大速度2.25M.,想近距格斗是不可能的。

那么能不能迎頭攔截呢?同樣不行。首先F-119是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),在高空它的風(fēng)扇效率低,推力肯定達(dá)不到最大推力,F(xiàn)-22的最大航速將打折扣,這樣就無(wú)法給攔截彈提供太多額外的初速;其次攔截彈要爬升數(shù)公里,速度大大減低,以3.5—4.0M.速度飛行的六代機(jī),通過(guò)矢量噴管做出超機(jī)動(dòng)規(guī)避動(dòng)作,攔截彈根本就追不上。

反過(guò)來(lái)六代機(jī)卻可以利用自身的超高速,賦予己方的攔截彈更高的初速,攔截彈自身的發(fā)動(dòng)機(jī)加速,以及向下飛行的加速相疊加,導(dǎo)彈是速度驚人,對(duì)敵方戰(zhàn)機(jī)的不可逃逸距離則大大增加。簡(jiǎn)單地說(shuō),派五代機(jī)去攔截高空高速飛行的六代機(jī),不但攔不了還很可能被擊落。

六代機(jī)在執(zhí)行對(duì)地攻擊時(shí)也不一定非要減低高度,因?yàn)閷?duì)地攻擊的導(dǎo)彈或滑翔炸彈,可以使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航,所以普通的遠(yuǎn)中近程防空導(dǎo)彈都難以對(duì)六代機(jī)構(gòu)成威脅。

在執(zhí)行防空和護(hù)航任務(wù)時(shí),它的高速性能對(duì)敵機(jī)也同樣是致命性的優(yōu)勢(shì),這點(diǎn)在之前有關(guān)殲-20的分析文章中,超音速巡航和超機(jī)動(dòng)對(duì)現(xiàn)有主力戰(zhàn)機(jī)的空戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)已有闡述,這里不重復(fù)。

六代機(jī)既是具備很強(qiáng)突防能力的攻擊機(jī),又是具備比五代機(jī)更高空戰(zhàn)性能的殲擊機(jī)。從某種意義上說(shuō),可以看成是殲擊轟炸機(jī)的重生。

推重比15的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)肯定采用許多新技術(shù)、新材料和新的加工工藝,林左鳴曾介紹的可耐2000度高溫的葉片材料,應(yīng)該是其中一項(xiàng)。另外,在高速氣流中要點(diǎn)燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī),燃燒室的火焰穩(wěn)定器設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中國(guó)走在世界前列,高歌在八十年代研制的沙丘火焰穩(wěn)定器就是世界先進(jìn)技術(shù)。

上圖是最新研發(fā)的基于CDV燃燒器的單管型和環(huán)形貧直噴燃燒室,它獲得2015年中國(guó)航空學(xué)會(huì)的優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。

最近幾年我們已經(jīng)成功研制了多款超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī),超燃是指沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的流速是超音速,飛行器的速度要達(dá)到6.0M.才能啟動(dòng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)的高超音速飛行器多次失敗,無(wú)法啟動(dòng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是原因之一。

六代機(jī)的渦噴—沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)屬于亞燃沖壓,所以火焰穩(wěn)定器更不成問(wèn)題。我國(guó)在研制太行、峨眉等先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí),一直在研究渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),最先進(jìn)的航發(fā)技術(shù)同樣會(huì)用于新型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。

同時(shí)我國(guó)又有先進(jìn)的超燃和亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù),成功研制渦噴/沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)指日可待。因?yàn)橹肮倜皆鴪?bào)道,我國(guó)已經(jīng)成功研制出渦噴 / 沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證機(jī)。

先進(jìn)的3D打印技術(shù)、新型復(fù)合材料的開(kāi)發(fā),以及水漂彈的多次成功試驗(yàn),證明我國(guó)航空技術(shù)已經(jīng)能夠滿足六代機(jī)機(jī)體重量輕、耐高溫的要求。所以有理由相信我國(guó)的六代機(jī)首飛的腳步聲越來(lái)越近。下圖是軍迷設(shè)想的我國(guó)六代戰(zhàn)機(jī)模型。


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