XF9-1发动机
       去年6月29日，重工制造商IHI株式会社向防卫装备厅提供了被称为 “XF9-1”的研究原型喷气发动机，这给一直以来被认为是日本弱点的“战斗机用喷气发动机国产化”难题带来了很大进展。
同年7月，在没有加力燃烧室的情况下，它达到了11吨以上的推力。另外在8月，使用加力燃烧室后最大推力为15吨以上。 （加力燃烧室是一种通过将燃料再次喷射到喷气发动机的废气中并燃烧它来短时间增加推力的装置。）
       安装在美国空军历史上最强劲的隐形战斗机“F-22 猛禽”上的发动机“F119”的加力燃烧最大推力公称为15.9吨，而XF9-1的推力则可以媲美这一数字。
日本迄今为止只生产了加力燃烧最大推力为5吨级的发动机，而如今突然创造了世界级的发动机，从航空相关人员到稍微吵闹的军事狂热爱好者，都受到了巨大的惊吓。
       确实，日本被俄罗斯和中国所包围，这些国家在美国之后发展了隐形战斗机。对于在地球上拥有如此罕见地位的日本而言，能够独立创造出可以用于最新一代战斗机的发动机的意义非常重大。
       但是为什么现在才做到呢？又是怎么做到的？带着这些问题，我们采访了曾在防卫装备厅航空装备研究所工作，并作为发动机技术研究部部长参与了XF9-1的开发工作的高原雄儿先生：
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 XF9-1的最大推力确认试验图像，实现了加力推力15吨以上



讲述人高原雄儿先生，原防卫装备厅航空研究所发动机技术研究部部长（现任防卫装备厅长官秘书长）


      高原雄儿是国防工程师，工程博士，喷气发动机专家。进入防卫省后他在发动机实验室工作。除负责预算和研究外，还担任很多经理职位，在FSX（下一代支援战斗机，现F-2战斗机）的开发办公室任职三年，后来他还担任BMD（弹道导弹防御）发展部主管，两年前回到XF9-1的开发部门航空装备研究所任职，负责XF9-1的项目管理和技术评审会议。


不利于隐身的大型发动机
 
——首先，开发XF9-1的目的是什么？ 6park.com

       该发动机的主要目的是为在国内制造战斗机发动机积累技术，因此它不是为特定战斗机制造的发动机。然而，当日本要在未来发展战斗机时，必须拥有立即制造它的技术……这就是XF 9-1用于演示测试的原因。
 
——未来是否会被自卫队使用将是另一个故事。嗯，这个引擎有什么特点？
 
       第一个特点是加力燃烧最大推力可达15吨以上。换句话说，它是一种可以垂直举起15吨的力量，能够产生那种推力的发动机在世界上只有由美国和俄罗斯能制造。
       例如，日本航空自卫队目前使用的战斗机“F-15”的发动机“F100”，即使在使用加力燃烧室之后，推力也只有大约10吨。没有加力燃烧室的XF9-1超过11吨，加力燃烧室可以提供大约1.5倍的推力。
       


与其他国家的一流发动机比较。 XF9-1的最大推力可与美国空军战斗机F-22的发动机“F119”相匹敌。此外，使用F119的主要部分并提高了推力，安装在日本引进的美制新锐战斗机F-35上的发动机“F135”，虽然推力压倒了前者，但尺寸相当大， F-22有两个发动机，而F-35只有一个。
 
——尽管如此，XF9-1全长在4.8m以下，直径在1m以下。
 
       没错，实际上制作出“又大又强的引擎”比较简单。但是因为是飞机的发动机，首先必须轻。而且考虑今后的隐形性也变得重要。
       隐形战斗机必须抑制敌人照射雷达的反射，不能象以前一样地在主翼和机体下悬挂导弹，必须塞进机体内部隐藏。那样的话同样也在飞机内部的发动机和导弹的空间会发生冲突。
      因此，发动机需要尽可能薄和轻。所需要的是“高功率超薄发动机”，那种推力高但又大又重……的发动机是已经放弃的想法。




       XF9-1的1/5模型。风扇和压缩机（蓝色）旋转以从左侧吸入空气，之后燃料被喷射并燃烧在燃烧室（银色部分上部）中的压缩空气中。然后，高温气体膨胀吹出，推动涡轮（红色）。涡轮的轴连接到风扇和压缩机的轴（蓝色），并且当涡轮机旋转时，它们也一起旋转并再次吸入空气，这是喷气发动机的基本结构。而且在红色部分之后的空腔内，在涡轮转动和燃烧后，燃料被再次喷射到废气中，加力燃烧室使其更加剧烈的膨胀。 6park.com

用细小的直径如何吸入大量空气？

——实现轻薄强大的发动机需要什么？
 
       首先是尽可能多的将空气吸入发动机。直径细的发动机不利于吸入空气，因为横截面积小。因此，在XF9-1中，如果锥体（编著：照片的上侧，向左侧突出的三角形部分）较大，则进入的空气量减少，如果使其尽可能小，则可使风扇或压缩机的形状更加高效，以便吸入空气，另外通过减少外壳和压缩机之间的间隙以防止漏气，通过使用离心力的作用，我们试图尽量吸入大量的空气。

——在有限的空间内吸入更多空气。 6park.com
      另一件事是提高燃烧气体的温度。相同数量的空气在更高温度下将更多的膨胀，涡轮将更高效的转动。但是如果简单的这么做，空气中燃料燃烧温度会升高，涡轮将不能承受高温并且会融化。
      因此为了实现这一点，必须使用镍基耐热材料，而不是普通的铁或铝。近年来的涡轮基本上由镍基材料制成，但在发动机运行时温度高于约1400℃，这是镍的熔点。因此，如果不采取任何措施，即使是耐热材料也会融化。
 
——那么，如果需要一些技术来保护它们免受高温影响，该怎么办？ 6park.com
      没错，有一种冷却方法是在镍合金涡轮叶片上钻很多小孔，当叶片高速旋转时，空气从孔中渗出。通过这种方式，将在涡轮和燃气之间产生一层冷空气。
      但是，假设你飞往火山附近。然后火山灰会卡在小孔里。火山灰是以硅为基础的，因此它会很快融化，并且堵塞小孔。 6park.com
——嗯，这是火山喷发时飞机无法飞行的原因之一。




      XF9-1高压涡轮的等比例模型。燃烧的气体首先冲击这个高压涡轮叶片并高速转动。叶片采用国产第五代镍基单晶高温合金制成，暴露在高温，高压，高转速的最恶劣环境中。此外，在叶片的表面上形成无数小孔以从内部吹送冷却空气。通过这种方式覆盖空气层并防止叶片在高温下熔化。
       每个孔的形状和数量，空气在到达孔之前通过的叶片内部的分布和图案均通过模拟和实验详细计算得到。顺便说一下，围绕叶片外侧的亚克力板原来本是称为涡轮护罩的部件，它由国产的新材料CMC（陶瓷基复合材料）制成，重量轻，可承受高温。


 世界顶级燃烧气体温度


由于采用了这些技术，XF9-1涡轮入口温度可升至1800°C以上。它通过大吸气量和高热效率来达到大推力，我想这是XF9-1的特色，
 
—— 1800°C和美国和俄罗斯发动机的温度相同吗？
准确的数据哪个国家都没有公布，估计就是这么回事， 1800℃这个数字是世界的顶级没错。我不知道是不是第一，但肯定是最高水平。
——之前的战斗机引擎“XF5-1”为1600°C，从那之后有什么样的技术创新？
XF5-1是一款大约20年前的发动机。那时，1600°C并不是世界上最好的性能。我认为从那时提升200°C温度有了很大的进步。
   实际上，耐高温的金属材料是日本最擅长的领域，镍类单晶材料的技术得到了提高。不仅仅是防卫省，NIMS（国立研究开发法人物质·材料研究机构）等也进行了基础的研究，一边继承这些东西，一边由IHI完成……这样的材料技术的进展很大。
 

加力燃烧最大推力5吨的XF5-1的实物。推力为XF9-1的1/3，尺寸也相当小。顺便说一下，“X”是表示试验型的符号，批量生产后就要去掉。
 
——原来如此，和外部机构的合作在这20年之间稳步积累。
 
而且，尽管旋转部件涡轮由镍合金制成，但非旋转外框架部件涡轮护罩由称为CMC（陶瓷基复合材料）的耐热材料制成。 陶瓷在高温下很坚固，但会断裂，为解决这个问题加入了陶瓷纤维编织材料。
       由于它非常轻且耐高温特性好，脆性在一定程度上也得到解决，它也用于活动喷嘴部件（编注：喷气发动机的末端）。日本在这项技术方面表现强劲，但还不能在旋转部件上使用。
 

由CMC制成的涡轮护罩的一部分。它与传统的金属产品相比更轻。它只由陶瓷材料组成，表面像无釉陶器一样粗糙。


目前的战斗机需要大量的电力
 
——您是否使用XF5-1的技术开发了XF9-1？ 6park.com

      高压压气机，燃烧室和高压涡轮在可以说是喷气发动机的“肝脏”，被称为“核心机”，但由于XF5-1的核心机技术确实很老，所以没有那么多部分被直接采用。
      然而，由于XF5-1实际上安装到先进技术验证机X-2进行飞行测试，因此与飞机的整合和实际飞行结果中得到的成果非常大。
 

除去XF5-1的燃烧器的核心部分(实物)。左侧是高压缩机，右侧是高压涡轮机。海上自卫队的巡逻机P-1的F7-10发动机就是沿用了这个XF5-1的核心机部分。
 
——实际试飞后又会发现不同的课题。
 
      例如，不同公司所涉及的位置不同，观点也不一样，从制造飞机的三菱重工角度来看，有待改进的地方，而我们只看发动机??，所以我们偏向于发动机的角度，但发动机只能在飞机上使用。
      我们在X-2上学习了飞机这个视角，所以这些东西从一开始就被包含在XF9-1的设计中。
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X-2的飞行试验映像
 
 
——XF9-1还有哪些其他特征？
       发电能力特别高。在飞机上能发电的部分只有发动机。如今，战斗机就是一大堆电子设备，它使用电驱动的雷达来寻找敌人并发射导弹，或者感知或躲避来自对方的雷达。
       无论未来的战斗机是什么，显而易见的是使用大量的电力，下一代发动机的发电容量必须达到与之对应所需的容量。
 
——话虽如此，你不能装一个大发电机吗？
 
       是的。如果装载非常大的发电机说不定能做出大电力输出。不过，那样的话会占用了飞机内的空间。于是，我们决定用发动机兼用起动机。
 
——启动机是类似汽车的电池启动马达的吗？
 
        是的。只是汽车的电动机在发动引擎之外并不使用。另一方面，发电机则在汽车运行期间一直使用。之前的飞机都是分开装载的。但是原理上电动机和发电机可以说是表里一体，如果施加电流就会产生动力，施加动力就会产生电流，这就是为什么我们制造了一个名为“起动发电机”的设备。
       这个是世界性的趋势。不过，想要开发没有缺点的装置做起来很难，但是作用一石二鸟，发电能力和节省空间也是XF9-1的卖点。



XF9-1在前方下侧的部分，搭载了起动发电机，发电能力是180kW级，也是世界最高水平。
 
需要担心的成本方面
 
——XF9-1是否也考虑到成本呢？
 
       正是因为成本是很重要的因素，所以非常重视。世界上制造战斗机的国家有很多，但如果成本太高，没有人会购买它。所以我们努力争取有竞争力的价格。如果它更便宜一点，可以采购更多的飞机和导弹。
       例如，制造风扇的传统方式是当叶片和轮盘为单个部件（整体叶盘）时要切削整个金属块。所以既浪费又昂贵，需要大量的时间和精力加工。如果一个地方断裂就得从头开始。
       从这种切削制造的方法中，我们尝试了通过摩擦零件之间的焊接（如3D打印技术、“线性摩擦焊”技术）降低成本。。



——毕竟，如果尺寸变大，成本问题会变得更严重吗？
        

       如果发动机增大，则难以均匀地处理金属材料。XF5-1的涡轮盘是通过粉末冶金技术制成的，但是同样的方法需要大型设备并且价格会很高。
       因此，在XF9-1上我们使用一家名为Japan Aero Forge的公司设备来制造锻造涡轮盘，该部件使用锻造工艺。



XF9-1高压涡轮的比例模型。涡轮机叶片所连接的“盘”是涡轮盘。由国产熔炼锻造镍钴基高温合金制成。熔炼合金意味着将多种金属熔化在一起。
 
——果然日本材料和加工技术都很优秀啊。
 
那也是。还有就是CFD（计算流体力学），用电脑解析流体的模拟技术也很高。如果没有这方面的技术，就无法制造XF9-1风扇的形状。当然，谈到日本的弱项，有些地方比如3D打印技术正在追赶外国。
 
—— 发动机的耐用性是否与一流的美国和欧洲同级发动机相当？ 6park.com
      基本上发动机的耐久性取决于使用方法。虽说是战斗机，但飞行方式多种多样，既有像来回踩油门和刹车那样飞行的方式，也有只踩油门的长时间巡航。然而，军用发动机的耐久性在一定程度上是确定的，我们的阶段性目标是世界标准。无论你如何使用它，都决定你需要这样的耐用性。????