[返回军事纵横首页]·[所有跟帖]·[ 回复本帖 ] ·[热门原创] ·[繁體閱讀]·[版主管理]
深度长文:解析歼10B配矢量发动机亮相珠海
送交者: 熠熠童心[★★★★仁党文化部长★★★★] 于 2019-10-21 23:37 已读 1713 次  

熠熠童心的个人频道

2018-10-31 6park.com

日前,珠海航展布展现场来了一位重量级的明星---歼-10B战斗机。这架1034号歼-10B发动机配备了锯齿状的矢量喷管的试验机。换句话说,传说中的国产矢量航发终于要露出庐山真面目了。今天小兵兵就和大家好好聊一聊咱们的国产发动机。

Image result for ws 10 tvc

随着《航空知识》杂志将中国矢量推力验证机的照片曝光,那架编号1034的国产歼10B改装的技术验证机,让很多人的满腔热血涌上大脑,欢心不已,仿佛中国空军的战斗力,有了从地狱到天堂的跨越。但事实真的如此吗? 6park.com

首先需要强调,中国的航空发动机技术水平虽然落后世界先进水平很多,目前已经服役且技术相对成熟的“涡扇10太行”,也不过是与美国1968年就开始选型,1974年11月交付的F100发动机,处于同一技术水平。但这并不妨碍中国在发动机的矢量推力喷口方面有所突破。

当然,有关国产矢量推力技术的公开资料极少,而且有着一个很长的空白期。早在大约15年前,也就是2003年12月15日的中央电视台《百家讲坛》节目,中国工程院院士刘大响教授就成披露,国产的全向轴对称矢量推力喷管,已经进入了台架试车阶段,并在试车中运转顺利。同时,鉴于刘大响院士在节目中提到了,有着某种竞争关系的中航研究院606所(沈阳)和624所(成都),我们有理由相信,当时进入台架试验阶段的国产矢量推力喷管,应该不止一种。而同样是15年前流传出的,当时国家领导人亲手操控国产矢量推力喷管原理样机(或原型机)的照片,也佐证了刘大响院士的爆料。但在此之后的15年中,有关国产矢量推力技术、产品的新闻,几乎绝迹。甚至在这次《航空知识》杂志曝光相关照片前,最热闹的一次有关矢量推力领域的大讨论,都是一些有关“俄罗斯出口中国的苏35SK战机矢量推力喷管被焊死,以避免中国山寨”一类的传言。

Image result for su 35sk

从这些信息中,我们隐约可以看出,国产的矢量推力喷管很有可能早已研发出来,只不过出于某种原因,直到现在才开始装配在国产发动机上进行进一步的技术验证。按照工业产品研发、生产的基本流程,我们有理由认为,国产矢量推力喷管,已经完成了设计定型的阶段,目前正处于生产定型前的最后验证阶段。

当然,仅从已知的信息,还存在另外一种可能,也就是我们在研制国产矢量推力喷管时,并不像15年前刘大响院士说得那么乐观,而是遇到了重大的技术障碍。如果这种情况属实,那么即便国产矢量推力喷管现在已经装机验证,其也有可能仍然处于设计定型阶段,距离正式装备在国产战机上,还有相当长的一段时间。那么事实到底是如何呢?

鉴于有关国产矢量推力喷管研制的资料太少,我们只能从常规的发动机尾喷管的技术发展,以及国外矢量推力喷管的研发情况,进行一些推断。

首先来看常规的发动机尾喷管。

目前军用喷气式发动机,尤其是最主流的中小涵道比涡轮风扇发动机的尾喷管,都采用“可调式收敛-扩散喷管”设计,部分先进发动机在主喷管外部加装备了固定或可调式的引设套管。但无论如何变化,有关发动机尾喷口的收敛-扩散设计,其根本目的只有一个,就是适应战斗机在不同飞行条件下对推力的要求,使发动机工作的效率最大化。

众所周知,目前广泛使用的涡轮喷气式发动机,是将吸入发动机内的空气点燃,并在一系列机械组件的作用下,产生高温高压气体,并喷射出去,通过进出发动机的空气流速的巨大差异,来推动飞机前进的。具体说来,按照喷气式发动机做功的顺序:被吸入发动机的空气在燃烧室被点燃,向后喷出产生推力的同时,带动燃烧室后面的涡轮旋转,并通过传动轴,使燃烧室前面的“压气机”旋转,将外部空气吸入发动机并加压进入燃烧室,周而复始。如果从气流流动的顺序,就是外部空气被压气机吸入发动机,并在加压后进入燃烧室,在燃烧室点然后向后喷出产生推力,而空气在被点燃向后喷出的过程中,需要首先带动涡轮,并由涡轮驱动压气机运转。

按照我们的一般理解,只要发动机向后喷射的气流速度越快,压力越大,发动机产生的推力就越大。如同我们用水管浇花,减少水管喷水口的截面积,比如捏住一半的喷水口,水流就会加大,水压也会上升,相应的水流的喷射距离也会越远。因此,当涡轮发动机的进气、燃烧等工况保持不变的情况下,缩小发动机尾喷口的截面积,就会相应的提高发动机的推力。如果发动机尾喷口被做成可调的,那么发动机就可以灵活的调整推力,以满足战斗机在各种飞行状态下的需求。这也就是发动机可调式尾喷口的技术原理。从技术实现上来说,发动机的尾喷口需要由“调节片”与“密封片”间隔排列,并通过“动作筒”等控制装置,通过改变“调节片”的位置,来实现发动机喷口截面积的变化。而这一技术的难点,并不在于“可调式尾喷口”的研制,而是加工和装配“调节片”与“密封片”的工艺水平,毕竟这两样叶片需要在承受发动机所喷出的高温高压气体。

因此,从发动机的工作原理上我们可以看出,喷气式发动机是离不开可调式尾喷管的,其技术难度也远没有想象的大。我国早在1965年改进发展 “涡喷7乙”型发动机时,就在其仿制原型:“苏联P11-Ф-300涡喷发动机”的基础上,改进了其上使用的可调式收敛喷口。虽然涡喷7乙型发动机直到1979年8月才最终正式定型,但这种尾喷口的生产、研制,对中国军工而言,并没有什么不可逾越的技术障碍。

6park.com

Image result for 涡扇10

在此之后,随着现代战斗机的发展,其所处的飞行环境、飞行状态,都对发动机提出了更高的要求,单单通过收敛的方式,改变发动机尾喷口截面积来调节发动机推力,已经无法满足现代战斗机的需求。从技术角度来说,发动机向外喷出的气流,并不是压力越大越好:当喷管出口处,发动机气流的静压等于当时外部环境的大气压力时,发动机气流被称为“完全膨胀”,此时其性能也是最佳的;而当喷管出口处,发动机气流大于外界大气压力时,发动机气流的压力没有充分转化为动能,被称为不完全膨胀;与之相反,当发动机气流在喷口出口处的静压小于外界大气压时,将会产生负的压力推力。考虑到战斗机在作战时,其将在0.6-1.2马赫的速度,以及3000至15000米高度范围,进行快速的大范围机动。此时不仅是发动机尾喷口外部的大气压力会产生巨大的变化,包括发动机进气压力,空气含氧量等其他影响发动机运行的外部环境,也会发生极大的变化,如果仅仅通过发动机尾喷口的截面积调节,显然是无法满足战斗机作战需求的。根据各国喷气式发动机研制的经验,仅在不完全膨胀这一项上,飞行速度在1.5马赫时,发动机将损失14%的推力,而在3马赫时,发动机将损失超过50%的推力!

为此,各国在发动机尾喷管的研制上,引入了当年多用于火箭发动机的“拉瓦尔喷管”,也就是我们常说的“收敛-扩散喷管”的设计理念。并利用当时已经相对成熟的发动机喷管可调技术应用其中,形成了现在装备最广泛的“可调式收敛-扩散喷管”。简单来说,“收敛-扩散喷管”就是通过一个沙漏型的喷管,先通过逐步缩小的喷口,将发动机向外喷射的气流加速、加压,在达到临界面积后,再逐步扩大喷口的截面积,是发动机气流的压力与外界压力尽可能的保持一致,从而获得最大的推力。而可调式的“收敛-扩散喷管”,则可以根据飞机飞行的状态,及其对发动机推力的要求,对发动机喷射出气流的流速、压力进行时时调节,以达到最佳的效果。而要想实现这一技术,则需要在刚才提到的“可调收敛喷管”的基础上,进一步增加喷管的可动环节,从而形成两段式,或者三段式的的可调喷管。

Image result for 涡扇10

目前国产涡扇10太行发动机的尾喷管,就是采用的“可调收敛喷管”,而且根据目前太行发动机曝光图片的细节判断,其很有可能采用了某种新型的三段式“可调收敛-扩散喷管”,引入了部分喷射喷管的设计,使其在通过机械叶片改变喷管截面积的同时,也可以像引射喷管一样,通过引射作用带动的气流来约束发动机气流的膨胀,进而改变喷出气流的压力。当然,因为国产太行发动机的大部分技术性能还处于保密的状态,其具体是采用了可调式引射喷管,还是具有部分引射喷管优势的“三段式可调收敛-扩散喷管”,亦或只是普通的可调式收敛扩散喷管,还无法给出一个明确的结论。但仅从目前曝光的多角度照片,相对复杂的国产太行发动机尾喷管,意味着中国在可调式尾喷管的设计,以及活动部件在高温高压下的密封等关键环节,早已突破。而这些,也恰恰是矢量推力喷管研发、生产中,最为困难的地方。因此,仅从目前国内所掌握的发动机尾喷管的设计、生产能力上,我们可以看出,中国军工研制矢量推力喷管,其实并不存在什么技术难度,甚至在某种程度上来说,国产涡扇10太行发动机目前正在使用的尾喷管,其技术难度是高于一些早期的矢量推力喷管的。

这是因为,矢量喷管其实也是可调式收敛扩散喷管的一种,或者说,无论是矩形的,还是圆形的,矢量喷管也像刚才提到的那些喷管一样,是可以对发动机尾喷口截面积进行调节的,甚至是可以进行二段调节的。其实当我们仔细比较一下矢量喷管与可调式收敛扩散喷管的结构图,尤其是圆形喷口的轴对称矢量喷管,我们可以清楚的发现,二者是没有太大的区别的。全向可动的轴对称矢量喷管只是让可调式收敛扩散喷管上面调节片、密封片都可以进行活动,并且加大了他们的活动范围,然后对其进行控制,仅此而已。

早在1993年,美军的F-16MATV(多轴推力矢量)研究项目,通用和普惠这两大发动机巨头,就分别拿出了自己的全向轴对称喷管。并分别安装在F110-GE-100和F100-PW-229两型发动机上进行了测试。只不过由于当时的一些问题,通过NF-16D进行测试的只有装载通用F110发动机上的尾喷管。而普惠公司的尾喷管,在1996年,被安装在F-15 STOL/MTD验证机上进行了测试。当然,这家F15验证机更著名的测试,是1989年安装二元矢量/反推喷管之后所进行的,并为后来美军装备在F22战机上的低可探测二元矢量喷管,铺平了技术道路。

Image result for f 22 exhaust nozzle

从技术上讲,美国通用安装在F110发动机上的矢量喷管,是将发动机尾喷口可以产生偏流的叶片环形排列一圈,通过3个具有独立动力的动作筒来进行控制。而普惠安装在F100发动机上的,又被称为俯仰/偏航平衡梁式(P/YBBN)轴对称矢量喷管,则是将每个发动机尾喷口的叶片,单独通过可以活动的机械机构,与一个“同步环”相连接,通过控制“同步环”的运动,来实现矢量推力的。而这种方式,看上去虽然比原有的进行尾喷口截面积调节的喷口,增加了一整套控制装置,但由于这种方式降低了尾喷管的整体密封要求,复杂程度也远低于通用公司的产品,因此结构重量反而更轻。欧洲发动机公司为EJ200研制的矢量喷管,在技术上与普惠是一致的,也是通过“同步环”来实现的。

另外,我们最常见的俄罗斯安装在AL31发动机上,成天拿出来表演的矢量推力喷管,在技术上,是比上述两种轴对称矢量喷管落后的。不知出于何种目的,俄罗斯的矢量推力喷口,虽然也是圆形截面的,但它并不是全向可动的轴对称矢量喷管,其与F22上只能进行上下偏转的二元喷口一样,只能在一个方向上,进行正负15度的偏转。究其原因,俄罗斯在研制这型矢量喷管时,直接在原先的可调式尾喷管与发动机之间,加装了一个可以偏转的仰俯转轴。虽然这种方式在设计上非常简单,但在实际生产中,为了保证这个“仰俯转轴”的密封,以及原先可调式喷管动力与控制管线的布置。这种尾喷管不仅十分笨重,而且使用寿命极短。

说到这里,相信大家可以看出,矢量推力喷管与现在应用最广泛的可调式喷管的区别,只是通过一组控制设备,让发动机尾喷管的的叶片可以在更大范围运动,并可以进行一些“差动”。而在尾喷口生产工艺最关键的密封上,并没有什么不可逾越的技术障碍。而这一点,其实在中俄之间的军贸上,也被证实过了。早在2003年,俄罗斯莫斯科礼炮航空发动机联合体就曾开发出新型的全向轴对称矢量喷管,并装在苏27LL验证机上进行了试飞。这款远比俄罗斯在苏35S,苏30SM,以及出口型苏30MKI上装备的,只能在一个矢量方向上进行正负15度偏转的二元轴对称矢量喷管,先进很多的产品,其实是俄罗斯计划装在苏27SKM和苏30MK3战机上,向中国出口的,却被拒绝的。而随着俄罗斯苏57战机的研发,我们发现,直到现在,俄罗斯也未能完成这款全向轴对称矢量喷管研发,只是计划应用在下一代发动机“产品30”上,我们有理由认为,当时俄罗斯向我们推销的产品,技术远未成熟,需要中国的资金支持,才能开发出来。而我们没有采购这款产品的最大原因,极有可能是当时国产矢量推力喷管的研制情况,已经使我们不在需要从俄罗斯引进技术或产品了。

当然,矢量推力喷管也不是一段没有什么技术难度,谁都能搞出来的产品。大家可以从之前的对比中看出,凡是能够参与比较,有自己产品的,无一不是这个世界上科技、工业水平最领先的国家。对我们没难度,并不意味着对所有人都没难度。而且在中美俄欧各自的产品上,技术水平也是存在较大差距的。

具体来说,矢量推力喷管研制的关键障碍,是当发动机尾喷口对气流进行偏转时,气流会形成相对复杂,并且相互干扰的流场,并在尾喷口形成拥堵。这种拥堵将使发动机对外喷射的气流变得极其复杂,并会导致发动机推力的下降。情况严重时,拥堵的气流会反向冲击发动机内部,更大的影响发动机进气、压缩、燃烧等一系列工作。在这一点上,美国装在F22上的矩型二元矢量喷口的技术难度,远高于这些圆形截面的轴对称矢量喷口。毕竟发动机本身是圆的,从发动机燃烧室的圆形出口喷出的气流,进入矩形尾喷口时,必然发生极大的扰动,对发动机喷出的气流,产生极大的影响。这也是矩形的二元矢量喷口导致发动机推力下降的主要原因。而圆形的轴对称喷管,只有开启矢量推力之后,对喷出气流的方向进行调整时,才会出现这种状况。而依据流体力学的理论,气流从发动机燃烧室喷出,到最后喷射到大气中的距离越短,这种负面效应的影响就越小。因此,在某种程度上,发动机尾喷管的长度,也成为了我们判断矢量推力喷口技术先进程度的一个重要依据。

Image result for 歼10B军网

说回到这次在国产1034号歼10B型验证机上出现的矢量喷口,虽然像开头所述,我们无法从公开的数据上,了解其各项技术性能。但通过本文的分析,相信我们可以得出这样的结论,国产发动机矢量喷口极有可能早已研发成功,甚至已经完成了各项测试,已经处于可以列装的状态;而其技术先进程度,起码是可以超过俄罗斯目前安装在自用型苏35S、苏30SM,以及出口型苏35SK和苏30MKI上的那款产品的。

另外,在仔细观察这次曝光的国产矢量喷管照片时,我们可以发现,这几乎是目前世界上最短的轴对称发动机喷管。同时,在喷管的每个收敛调节片末端,都疑似加装了一个独立的偏转调节片,如果国产矢量喷管改变喷射气流方向,完全由这些偏转调节片来负责,我们甚至可以认为,矢量喷管对发动机推力产生负面影响的偏转扰动,在国产矢量喷管上,将会被降低到一个难以想象的程度。换言之,我们完全可以对国产矢量喷口报以一个乐观的期待:这可能是目前世界上最先进的轴对称矢量推力喷管。


贴主:熠熠童心于2019_10_22 0:07:21编辑
喜欢熠熠童心朋友的这个贴子的话, 请点这里投票,“赞”助支持!
[举报反馈]·[ 熠熠童心的个人频道 ]·[-->>参与评论回复]·[用户前期主贴]·[手机扫描浏览分享]·[返回军事纵横首页]
帖子内容是网友自行贴上分享,如果您认为其中内容违规或者侵犯了您的权益,请与我们联系,我们核实后会第一时间删除。

所有跟帖:        ( 主贴楼主有权删除不文明回复,拉黑不受欢迎的用户 )


    用户名:密码:[--注册ID--]

    标 题:

    粗体 斜体 下划线 居中 插入图片插入图片 插入Flash插入Flash动画


         图片上传  Youtube代码器  预览辅助

    打开微信,扫一扫[Scan QR Code]
    进入内容页点击屏幕右上分享按钮

    楼主本栏目热帖推荐:

    >>>>查看更多楼主社区动态...






    [ 留园条例 ] [ 广告服务 ] [ 联系我们 ] [ 个人帐户 ] [ 版主申请 ] [ Contact us ]