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歼20最后的短板世界最强航发是怎么造出来的?

  乡村游亲子游周边游人气爆棚...,上世纪80年代时,中国空军就让人震惊,其惊人点不但包括规模庞大,也包括技术落后。以战斗机为例,当时中国装备数量最大的居然是歼-6这种在西方看来几乎等同博物馆产品的型号,而同时期的伊朗和伊拉克却配备了大量F-14、米格-29以及幻影系列,更不要说对比美苏。这种差距即使在今天看起来也让人不忍直视,甚至感到后怕。

  然而短短30多年后,中国空军却犹如换了个人一样,不但三代机的数量达到了世界第二,而且更是借助名震全球的歼-20跻身四代机俱乐部。这西方也肯定郁闷:原本老美各种战斗机的一代代假想敌肯定是毛熊家的苏霍伊或米格系列,而今咋就换成中华家这个陌生的对手了呢?

  虽说歼-20的布局设计、隐形能力以及机载设备都达到世界顶尖,但自打它试飞后,发动机这块“心病”就一直被国人挂念,乃至于有些失去万年老二地位的战斗民族专家还特地抓住这点说事儿,甚至线就是个无法超音速巡航的样子货,实际战斗力还不如苏-35。这种看法自然是笑话,但中国和俄罗斯在发动机技术上存在技术差距也是不争的事实,而对比美国,这差距就更不用说了。

  早在著名的F-22试飞后,美国国防部就开始着手研发一种价格相对低廉、能兼顾多军种和外销的多用途隐身战斗机,这就催生了联合攻击战斗机(JSF)项目,这个项目最终发展出了今天F-35战斗机。按照美国历来的传统,往往是多种航空发动机是在同一核心机的基础上衍生而来。由此,JSF项目也会最大程度秉承F-22的标配技术本港台香港直播开奖!而普拉特.惠特尼公司(简称普惠或PW)这个称霸美国航发界数十年的超级巨头企业曾为F-22研发了F-119-PW-100发动机,所以也顺理成章地成为JSF项目战斗机的发动机研发者。

  正如美帝的移民国家属性一样,F-135发动机的技术也有点大杂烩属性,甚至美国技术人员还借助苏联解体初期的大环境优势,以极少的资金就获得了雅克-141这一世界首款垂直起降战斗机的重要技术,这其中自然也包括它的R79V-300发动机。

  这是由于JSF项目早在竞标时就希望发展出垂直起降的特殊改进型,因此昔日头号对手的这块石,自然可以攻自家的玉。这样一来,F-135在先天上就有了点毛熊家的基因。但话说回来,美国也只是借鉴了R79V-300发动机的部分思路,并针对其不足进行改进。

  更值得注意的是,F-135的开发团队包含了四个顶尖航空界大神级企业,除普惠(负责最终的主机和系统集成)外,还有英国老牌航空名企罗尔斯.罗伊斯(负责垂直升力系统)、美国航空航天业服务巨头伍德沃德(负责燃油系统)以及松斯特兰德(负责发动机电控系统、制动系统,变速箱和监控系统)。

  在四个大神的分工协作下,首台F-135发动机最终于2004年完成测试,5年后普惠又专门攻关增强部件领域,使其可靠性大幅提升。在该发动机逐步完善的同时,F-35系列也完成了一次次试飞。

  F-135发动机极大地推动了F-35战斗机的产量,目前这种美国第三代隐形战机的产量几乎接近700架大关,而且累计飞行小时也超过了40万。非但如此,这款世界最强航发还将配备未来可能量产180架的B-21隐形轰炸机。

  F-135系列的核心机和主要结构与F-119基本一致,但其工作温度、发动机空气流量和涵道比都有所改善。现在的F-135系列发动机分为两种型号,一种是常见的PW-100型发动机,另一种则是使用更先进材料的PW-400型发动机。从性能上看,F135面对他国大部分现役同类发动机时,都有着巨大的推重比/总推力优势,以该系列最常见的子型号PW-100为例,它的最大推力达到19.5吨,推重比达到11.5。即使不开加力,它的最大推力接近了13吨,而目前配备歼-20的涡扇-10B发动机即使开启加力,最大推力也只有14吨左右!

  目前,世界各国一级涡扇发动机中的大部分推重比都不超过9,只有俄罗斯的AL-41F(10.5-11)以及美国的F-119发动机(11.5)与F-135较为接近。但需要指出的是,AL-41F的大推重比建立在牺牲零件寿命的基础上,其运行寿命仅为4000小时。作为对比,F-119和F135系列的运行寿命甚至可达8000-10000小时!

  尽管初代机就已经如此逆天,但普惠并未因此彻底满足。今年8月12日时,该公司表示自己已推出了增强型发动机套件(F135EEP),这一经过验证的技术是唯一具有成本效益且功能强大的通用解决方案,由此实现了该系列发动机乃至F-35战斗机发展上里程碑式的进步,因为它匹配了F-35不断增长的能力,可以协助这款美国第三代隐身战斗机更好地面对未来任何可能出现的计划。

  简而言之,F135EEP会融合自适应推进技术,不但提升了电力和热量管理水平,进而更好地控制燃料效率,而且还会将最大推力从原先19.5吨的水平提升到20.4吨的水平,由此开创战斗机发动机推力纪录!然而这也远非该发动机的极限改进目标,普惠表示,下一阶段的F-135将会在推力上提升6%左右,使其推力达到23吨级别,其最终目标是在2025-2030年之间利用变循环等技术,加上两涵道升级为三涵道的改进,最终让终极版F-135具有近30吨的逆天推力!

  从F-135系列发动机推力上的稳步提升可以看出,它将会让最大起飞重量31吨的F-35战斗机在持续高速急转弯和加速度等水平迅速进步,并尽量减少燃料消耗,以便将其航程提升到新的水平。与推力指标一样引人注目的是,这种全面增强组件具有顶尖的模块化软件设计和先进的数字架构,并完全兼容已有的F135系列发动机。这种便利条件可以最大程度降低维护成本(约50%),而且不会影响发动机改进后的服役时间,最终将F-35战斗机队的出动和维护成本进一步压缩到F-15的水平上。

  不比不知道,一比吓一跳。即使是十几亿人日思夜盼的涡扇-15,其最大推力也只达到18-19吨,而且即使按照乐观估计,其量产装机服役也将在1-2年后,所以不客气地说,它的出现也只代表中国在航发领域追平了美国上世纪1990年左右的水平!更为不利的是,涡扇-15在此过程中很难避免一些依旧需要面对的技术难题,其最大寿命也很难一下子比肩世界最先进水平。

  中国如此,俄罗斯的情况也没有好到哪去。相比于AL-41F,俄罗斯的产品30发动机在重量控制和燃料消耗方面进步约30%,寿命也有所提升,最大推重比至少不亚于WS-15,但根据俄罗斯国防部2020年5月的公布信息来看,配备该发动机的苏-57要开始量产也要等到2025年左右,进步并不会线。

  不难看出,无论是涡扇-15还是产品30,其部分指标也只是接近了F-135的早期型号,而等到它们实际服役后,F-135也已完成逐步升级后再度获得明显优势。因此客观而言,中俄两国短期内均与美国在军用航发领域存在很大差距。

  很多强者的实力都不是生来自带的,美国的航发优势自然也不例外。在上世纪30年代这个航空技术日新月异的时代,美国航发水平与英德两个业内领跑者就存在不容忽略的差距,而这种差距主要体现在活塞水冷发动机和喷气发动机领域。

  美军的P-51野马战斗机堪称二战中最强战斗机,但它在诞生之初配备美国本土航发企业艾利逊公司的V-1710发动机时却表现平平,直到美国后来购入了英国罗尔斯.罗伊斯公司(以下简称罗罗)的梅林系列水冷发动机后山寨出V-1650发动机后,P-51的性能才焕然一新。

  相对早在1939年就推出世界首款喷气机的德国,以及战时推出“流星”喷气战斗机的英国,美国当时的差距就更为明显了。其首款喷气试验机XP-59同样依靠引入英国的离心式喷气发动机技术才得以在1942年试飞,但其试飞成绩甚至还不如一些高性能的活塞螺旋桨飞机!

  虽然美国的第一款喷气战斗机P-80最终在二战结束前不久交付,但当战后美军技术人员赴欧洲调查时,却惊讶地发现早已推出多种军用喷气机的德国在喷气航发领域比自己先进4年左右!对美国而言,唯一还算庆幸的是此时喷气发动机本就是新技术,自己总体而言还有一追的实力,更何况美帝家当时工业经济天下第一,底牌也算好看。

  眼看自家喷气机技术在战后初期依旧不如看似“江河日下”的大英,而昔日德国的不少航空技术也落入苏联之手,美帝心里也急的要死。怎么办?只能让国内各大名企开始同时竞争,并最大程度避免它们的技术共享,因为美帝觉得这种模式才能四面开花,到时候总有一家出息了,赶超大英也就有戏。

  而此时对普惠而言就比较尴尬了,说它弱,可它也是多年的名企,二战时还搞出了R-2800这个风冷活塞发动机界的翘楚,才成就P-47等著名美系战斗机“力大飞砖”的奇迹,航发技术底蕴肯定是有的。

  也正是由于这份自信,普惠才最终大着胆子开始竞标新型喷气航发。但普惠的弱点就在于它在此前完全没有喷气航发的开发经验,在新领域的积累明显不占优势。

  当时的美帝各大航空企业往往离不开对英国技术的山寨依赖,早期的普惠也同样通过山寨罗罗的产品搞出了自家的尼恩型发动机,但这款发动机和当时典型的入门级喷气航发一样,不但耗油高,推力低,而且持续出力时速度缓慢。

  此时的普惠认识到,山寨模式下的研发之路走不远,自家要想不出局就只能破釜沉舟自主攻关新技术。最终普惠决定将重点放在燃料利用率和推力提升环节,并通过搞定双转子技术,最终在1950年推出了划时代意义的J57喷气发动机,由此大大改变了美国喷气航发的水平。所以不惜工本攻关新技术,也成就了普惠乃至美国航发的强悍地位。

  J57不但比其他多数航发的耗油率低一半,而且推力也突破了一万磅大关(后来的改进型更是达到1.8万磅)。大喜过望的美军很快将J57作为主打品航发,将其配备到了多种名机上,这些战机就包括万年老兵B-52轰炸机、KC-135A加油机以及第一种可以持续跨音速飞行的F-100战斗机。

  受到如此鼓舞,普惠又开发出J57的民用版、JT3,并使其成为波音707的“心脏”,随后又利用耐高温的新型材料开发了J75发动机。由此,普惠当初背水一战的冒险开发取得了巨大成功,而西屋、柯蒂斯和艾利逊等此前同样实力不可小觑的企业,则因为缺乏普惠这样的举措,最终没有走出山寨模式研发之路,也就难免淡出美国航发竞争圈。

  事实证明,强大的对手会让一个强者时刻保持危机感,进而竭力维持自家地位。不少科学研究者都认为,就进步速度同向对比方面,冷战美苏争霸时代人类技术的进步效率明显超过后冷战时代。

  而普惠能在半个多世纪里避免自家霸业衰落,就要感谢其最大的竞争对手:通用电气公司(GE)。通用电气不同于此前出局的美国其他企业,它也与普惠一样十分重视自我创新和高技术攻关。

  通过成功开发可调定子系统,通用电气很快获得了优势,因为这种系统可以根据气流变化而调整仰角,这就从根本上解决发动机中的压气机失速问题,由此衍生出了J79发动机,这种发动机最终助力美军战斗机实现了双倍音速安全飞行,并最终为涡扇发动机的未来奠定了基础。

  据统计,这款香饽饽发动机的全球产量甚至超过了1.7万台!不但配备了美军的F-4B和F-104等战机,也吸引了多个北约成员国相继感兴趣,并不惜重金购入了其生产许可证。

  由此,美国军用航发领域内普惠和通用电气争霸的格局基本形成,这种模式与同时期美苏全方位争霸有极为相似之处,往往一方在某个领域取得巨大成就,另一方就会奋起直追,直到真正超越,而这也会让对手以类似方式再次竭力赶超。而这种模式就好比两个顶尖学霸通过刷题拼练习册争夺考试第一名,属于绝对的良性竞争,而最后无论哪一方在某个阶段取得优势,最后的受益者都是美军。

  以著名的F-100系列发动机为例,虽然该发动机早在1972年就完成了首飞测试,在进度上领先了竞争产品、通用电气的F-110发动机几乎十年,但对方却具有后发优势,这就使得F-110发动机在第一阶段的推力就明显超过第一次改进后的F-100,并很快让改进版F-110的推力继续提升。

  因此丝毫不敢放松的普惠只能不断挖掘F-100的潜力,不但使其单机最大推力提升近三成,而且还使多种配备增强型发动机套件的F-100发动机在耗油和可靠性方面有了彻底的改观。也正是普惠坚持几十年的升级,才让配备该发动机的F-15从最初的“机库皇后”成为“无敌战鹰”。

  一台足够出色的发动机必须满足很多苛刻而又矛盾性的要求,必须推力高、重量低、可靠性高、寿命长、油耗低,维护便利,而且还必须在高温/高压、高转速和高过载等严酷条件下保持正常。

  而军用航发往往比民用航发的运转空间更小,环境也更差,却要内置十多级风扇、压气机、涡轮、加力燃烧室等。在运行时,发动机燃烧室和涡轮部位的温度往往会很快达到1700度以上,所以只是高温合金材料不能满足要求,还必须内置复杂的冷却系统,而这种冷却系统往往还会带来曲径通幽的冷却通道,这自然加大了设计难度。

  所以复杂的技术必然也带来巨额的资金消耗,甚至动辄会达到数十亿美元,这自然让多数国家望而却步,但美国却凭借无人可比的军费以及GDP让这一切得到了实施的可能性。

  ▲GDP对比说明俄罗斯等国即使有技术,也难以如美国那样在发动机相关产业大幅投入

  如今世界上只有五个国家可以真正独立设计制造出军用喷气航发,航空发动机作为现代工业的皇冠宝石级技术,需要至少几十种相关领域的技术作为支撑,所以某些国家就算能够在经济上满足需求,但如果基础工业和其他技术产业捉急,也就无缘自主搞定先进航发。

  而部分YY作品中,弱势一方只需搞到对手航发的图纸,就能让自家航发从无到有从弱到强,但这种桥段必然是胡说。因此美国才敢放言:即使F-135的图纸给出去,别国也很难仿造出性能类似的产品。而普惠之所以能成功开发世界最强的军用航发,也离不开美国强大的特殊材料、工艺加工技术和电子技术作为依托。如果仔细研究F-135发动机内部各部件的细节,就会发现这是一个顶尖工业技术强国所有精华的大聚合。

  从F-135进气道内的风扇到压缩机,从燃烧室到高压涡轮,其基础材料就用到了高强度钛合金、有机复合材料、高强度镍基合金、浮壁陶瓷涂层镍基铸件材料、单晶镍基合金、全新热障材料等。这些种类繁多的材料也是先进航发的第一道基石,因为它可以让发动机长期运转而尽可能不出问题,而发动机内不同结构的工作环境和压力也各不同,因此对材料的种类也有着特定要求,这就要求在稀有金属控制方面严格把关。

  这必然离不开几十年材料学科研究和实际制作提取的技术积累,虽然中国近年来在材料技术上取得了较大成就,但依旧与美国相差巨大,例如单晶镍钢研发和生产方面就是一道暂时还没有闯过的难关,自然也就无法打造超高强度的涡轮叶片,而如果涡轮叶片的材料不合格,就容易在涡轮带来的巨大离心力面前断裂或变形。

  即使有了先进的设计图纸以及足够数量和质量的材料,也需要超强的加工工艺。以单晶涡轮叶片为例,其精铸误差必须控制在0.1毫米内,才能保证叶片之间正常工作,而多种合金材料的共同加工,也同样需要对应的工艺和技巧,先进的加工设备也必不可少。

  而美国在高尖端机床领域的优势,也是几乎无敌的,甚至可以说是数控机床的鼻祖。虽然德日看似在机床领域超过了美国,但美国依旧密不外泄且依旧在发展的机床技术却无人可比,哪怕在上世纪后期的制造业转移浪潮中,美国也竭力将其核心技术保留在本土,而今的哈斯、赫克、马格等世界顶尖的机床企业,就引领着高端机床的发展。

  在美国机床飞速发展的数十年内,相关人才和技术的储备也让美国吃足了红利,更有甚者,美国军工企业还经常用各种手段将各大机床企业的人才收为己用。所以,美国航发的第二道保险又就此锁定了。

  而美国航发的第三张王牌,就是出色的电子技术了,F-135同样验证了这一点,它配备了可以高度控制发动机运作的PTMS系统,该系统可以满足自启动、主发动机启动、冷却和应急动力四种模式,这就保证了发动机在任何情况下都可以在油耗、电力输出或运作方式下达到均衡。

  这种技术同样是数十年技术积累的成就,早在上世纪70年代数字化电子技术和集成电路得到迅速发展时,普惠就通过和NASA联合研发了真正意义上的全权限数字电子控制系统,进而改变了此前发动机内部依靠液压或不完全电子控制的局面。这种技术一经问世,就被普惠用于TF30发动机上,而随后美国的数字电子发动机又相继走过了监控型数字电子监控和全权限数字电子控制两个阶段。

  在所有类似发动机的开发中,普惠公司都集中了财力物力和技术精英,专门开发了新型传感器和诊断软件,而这同样仰仗了美国长时间在电子和计算机领域内的绝对优势地位。

  中国航发之所以落后程度较大,也是多方面导致的。从历史上看,新中国空军在最初阶段曾高度依靠苏联,而自身综合技术产业和工业的薄弱,也限制了国产发动机的进程。

  在上世纪70-80年代,发达国家都在材料、电子和工艺等领域取得了很大进展,并呈现出代代经验技术积累和传递升级的快车道发展趋势,而中国却因历史背景因素再度错过了大时代班车。而由于技术、可用资源和子产业水平限制,中国航空业自然不能贸然在短期内直接挑战发达水平,往往是有了具体目标型号后,才去进行基础研究、探索测试和其他后续工作,而这自然也会再度耽误时间。

  ▲运-20的数字化生产线,中国若想在航发领域实现赶超,也离不开数字化产业的支持

  而即使到了今天,中国的总体国力虽然有了很大进步,但一些关键性技术依然有待发展。简而言之,中国的高性能机床自给率严重不足,而且同类产品的精度水平也和美国存在一定差距。

  其次,中国的传感器发展水平依旧偏低,明显缺乏灵敏高端的传感器。除此以外,中国依旧有不少领域的功课需要补,而从国际环境来看,中国已经愈发难以从其他传统强国引入此类技术,而且少量的引入不但无法在整体上进行弥补,其技术水平也不可能真正和世界先进级别挂钩。

  而且从航空相关产业来看,中国也存在生产标准化问题,这往往意味着同型号产品如果由不同工厂或人制造,质量却存在差异,这就必然会对产品的可靠性带来影响。

  所以中国必须首先从设计上下苦功夫,建立一套严格而科学化的流程标准,并在其过程中尽量实现高度数字化。

  例如设计时尽量依靠计算机实现图纸的立体化,而仿真中也要通过数字化建模,并将不同的方案用超级计算机反复模拟,以便确定其各自优缺点,最后从中选优后将其作为范本,直接传输到相应的工厂,而生产线也同样必须依靠同样的数字化生产线,以兼顾生产速度和生产质量。而在系统上,就必须将研发、生产、供应和服务四大环节整合成链式结构,并绝对确保研发环节处于核心地位。

  此前提到即使涡扇-15成熟量产,也无法真正弥补差距,考虑到美国的发展,这种趋势就更为明显。

  不夸张地讲,中国航发的情况与二战后初期的美国类似,即难以抵消技术底蕴的差距。更不利的是,当年的美国好歹还能不断借鉴英国的技术,而今的中国却根本没有这个条件!

  所以如果只是机械地在现有技术领域内被动追赶,必然是下策,而最佳的选择,就是不但在能力范围内深挖涡扇发动机的发展潜力,也要借鉴普惠当年在不利条件下拼死一搏的经验,将重点放在基于新概念技术的下一代发动机开发,才可能真正有机会在自己昔日的短板领域和对手争取平起平坐的机会,毕竟美国等传统航发强国在全新概念发动机上的积累也相对有限。

  在新概念发动机领域内的竞争先决条件相对公平,中国将完全可能通过自身超级计算机、大型风洞等新崛起的自身优势技术产业,实现反败为胜。