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歼-20到底用了什么发动机?
关键字: 俄发国发飞火推一体不是飞火推一锅煮但有说法,现阶段歼-20配备的不是涡扇-15,而是涡扇-10甚至AL-31。这当然也是可能的。战斗机更换发动机不是简单的事,但只要在设计时就考虑到相关问题,也不是那么不可思议的事。
历史上有很多战斗机更换发动机而失败的先例,最典型的就是英国为F-4K“鬼怪”式战斗机换用罗尔斯-罗伊斯“斯贝”涡扇发动机,更大的推力反而导致更糟糕的最大速度和超音速加速性,只有低空性能改善了。但这是有原因的。“鬼怪”式为了航母起落,具有不错的低空低速性能,但归根到底,这是典型的高空高速战斗机,是围绕着两台通用电气J79涡喷发动机设计的。在改装“斯贝”的过程中,进气道要加大流量,后机身要加大,破坏了原来的气动设计,显著增加了阻力,导致失败。
但战斗机换发的成功先例也很多。道格拉斯A-4“天鹰”是轻型舰载攻击机,在高亚音速段特别机动灵活,以至于美国海军Top Gun学校曾经用A-4作为假想红军战斗机。但A-4的普拉特-惠特尼J52涡喷不仅老旧,而且油耗很大。在80年代,新加坡A-4换装通用电气F404非加力型,推力增加15%,油耗、可靠性大大提高,机动性进一步改善。至少从换发角度来说,这是成功的改装。
以色列空军在换装F-15、F-16之后,有意对现有的“鬼怪”式大规模换用普拉特-惠特尼PW1120,这是F100的涡喷版,性能比原装的通用电气J79有显著提高,最后因为成本和装备规划问题而搁置,换发本身是成功的。F-14B/D当然也是换发成功的典型。
换装发动机后的大猫
这些还是在原设计早已定型后的换发,但在设计时就考虑到在不同发动机之间可以更换的设计,更是有诸多成功的先例。F-16C/D在一开始就考虑到可以在通用电气F110和普拉特-惠特尼F100之间选择发动机,采用F110各种亚型的称为Block 30、40、50等,采用F100各种亚型的则称为Block 32、42、52等。
F-15E在设计时也可以在F100和F110之间选择发动机,只是美国和以色列空军为了便于后勤保障,统一到F100,但盟国不乏选择F110发动机的,如韩国(第一批F-15K使用F110,第二批使用F100)、沙特、新加坡。
俄罗斯苏-57也是在设计时就考虑到不同发动机的例子,初期生产型将使用AL-31的深度发展型,亚型代号117,但计划在2020年后转用目标发动机“项目30”。
一般认为,歼-20的原型2001是用AL-31推进的。作为技术验证性质的原型机,采用推力不足的AL-31先飞起来问题不大。未来某一时候开始的目标量产型将采用涡扇-15,这也没有什么争议。问题是近期的初期生产型。
不管是使用涡扇-10(包括IPE),还是使用AL-31(包括M2),这样的歼-20的性能肯定达不到使用涡扇-15的版本。使用AL-31基本型的话,军推推重比只有0.54,这是肯定不够用的。增强到M2的话,军推推重比达到0.63,达到F-15C的0.65的水平。配合以歼-20的优秀的超音速减阻,或许能实现跨音速巡航,甚至用加力推过音速后转回军推的低超音速的“伪超巡”。这远远谈不上理想,但能用了。
使用涡扇-10和IPE的情况差不多。这能满足中国空军的要求吗?中国空军的要求是什么呢?
实际上,除了笼统的超巡和超机动,中国空军对歼-20的具体要求也是保密的,坊间的一切推断都只是推断而已,因此是不是满足中国空军的要求也无从谈起。更何况中国空军可能有阶段性的要求,在某一时间节点前要达到x要求,在更后面的另一时间节点要达到y要求,就像苏-57一样。
现在对歼-20的发动机的推断很多来自对喷口形状的观察。且不说只有模糊不清的图片可以判读,喷口形状不同,显然是不同的发动机,至少是不同的亚型。但喷口形状相似,也未必就是相同的发动机。
作为歼-20换国产发动机证据的网络照片
对于超音速战斗机来说,收敛-扩散喷口是必须的。喷流在亚音速时,收敛起加速作用;在超音速时,反而是扩散才起到加速作用。这就是拉瓦尔喷管的原理。另一方面,扩散有助于增加空气流量,增加推力,因此在起飞时喷口是张开的。但在高亚音速飞行时,喷口要收拢,确保喷流具有足够的速度。超音速时再次张开。
最典型的收敛-扩散喷口采用羽片结构,羽片的不同安排就成为各种发动机的喷口特征。事实上,羽片还有内外两层,不仅控制喷口面积,还可控制喉道面积,更加复杂的还可控制喉道位置,进一步优化喷流。双层羽片之间的空气流动还有助于散热,增强内羽片的耐热能力。宽羽片降低机械复杂性,羽片本身的刚度也容易保证;窄羽片有助于确保喷口的圆度,降低喷流的压力损失。
喷流离开喷口时,喷流不是铅笔形状的平直束,而是像钟形一样,随着离开喷口的距离而有一定的径向膨胀。这种膨胀带来一定的喷气损失,这是由于高压的喷流在横向对环境空气有很大的压力差而造成径向流动,这是不可避免的。圆形是给定面积下周长最小的形状,喷流膨胀最规则,压力损失最小。越是偏离圆形,喷流膨胀越复杂,压力损失也越大。因此,射程优先的消防龙头一定是圆喷口,覆盖面积优先的浇花龙头才可能使用扁喷口。
F-22那样的二维喷口是以可观的推力损失为代价的,也只有那样变态的大推力才能承受这样的推力损失。当然,二维喷口的好处是推力转向、收敛-扩散和雷达-红外隐身整合为一体。二维喷口把喷流压扁,强化了喷流与环境空气的混合,达到快速降温和降低红外特征的效果。扁平的二维喷口也对发动机后部形成较好地屏蔽,达到降低雷达特征的效果。扁平的二维喷口还有利于在气动上与飞机的后体整合,降低后体阻力,这对超音速减阻特别重要。
F-22的“菊花”
但二维喷口除了有推力损失问题,还有重量问题。单层的偏流板没有双层羽片之间空气流通的散热效果,只能借助于厚重的耐热设计。除了F-22,所有实用的推力转向都回到羽片式结构。
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