殲-20與渦扇15_風聞
晨枫-军事撰稿人-古今多少事,都付笑谈中07-03 09:52
寫下這個標題的時候,突然想起一首老歌:蝸牛與黃鸝鳥。在這裏,殲-20可能算黃鸝鳥,渦扇15還真是姍姍來遲的蝸牛。
據説殲-20從一開始就是以渦扇15作為目標發動機設計的,但渦扇15進度嚴重落後於殲-20的進度,這一拖就拖到了現在:坊間終於流傳裝上渦扇15的殲-20在黃田壩升空的視頻,沉悶的聲音揭示了更加強勁的動力。
有説法渦扇15是從俄羅斯的圖曼斯基R79發展過來的。在蘇聯解體的時候,R79的研發只是初步完成,夠雅克-141試飛,但還沒有達到批量生產的成熟程度。研發階段的蘇聯技術的粗糙程度較高,所以按照西方標準,R79可能只相當於YF119那樣的成熟程度,還達不到F119。
R79的加力推力為152kN,軍用推力為88kN,比AL31的122kN和76kN要高,但對於殲-20來説,還是不夠的。且不説殲-20比F-22還要重,F119的加力推力為156kN,和R79相差不大,但軍用推力達到105kN,差距就大了。
軍用推力指非加力狀態下的最大推力,這是超巡的關鍵。戰鬥機要達到有意義的超巡,需要在軍推下戰鬥機推重比超過0.7。F119做到了,渦扇15要做到,也需要從R79的基礎上大大提高軍推。
在蘇聯時代,留裏卡AL31和克里莫夫RD33是第一代戰鬥機渦扇發動機,圖曼斯基R79和留裏卡AL41(“真版”,不是AL31的拉皮版)可算第二代。技術更先進,但雅克-141沒有超巡要求,所以軍推要求不高。提高軍推比提高加力推力更難。
加力推力靠在渦輪後高温燃氣里加注燃油,進一步提高燃氣温度,提高推力。這是純粹用燃油“死燒”出來的,沒有壓氣機的加成,耗油驚人。提高軍推則需要從壓氣機、燃燒室到渦輪的全面提升,這是脱胎換骨的大改。
如果傳説為真,渦扇最多隻是利用了一些R79的關鍵技術或者思路而已,但基本上是全新設計的,還不只是從R79基礎上的放大。實在要比較,好比看着桑塔納設計別克君威,還是一台發動機四個輪子,但什麼都不一樣了。
在傳説裏,圖曼斯基提供了“全套技術資料”,但這和所有“全套技術資料”一樣,永遠不可能是“全套”,因為圖曼斯基只能提供圖曼斯基自有資料,所有來自供應鏈的東西都超出圖曼斯基自有,想提供也提供不了。這好比華為能向榮耀提供榮耀手機的全套技術資料,但從芯片到操作系統(鴻蒙之前)到應用的技術資料,華為就沒法提供了。
圖曼斯基留下的所有缺口當然只有中國自己解決。這需要時間,也需要打造先進、完整的供應鏈。渦扇10走出了第一步,渦扇15走出了第二步。在某種程度上,這第二步可能比第一步更大。
渦扇10與CFM56的淵源坊間多有述説,這裏不再重複。CFM56與F110是同源的,當然只有核心發動機相通,包括高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪;低壓壓氣機、風扇和低壓渦輪不一樣,更是沒有加力燃燒室。
通過渦扇10,中國走完了現代戰鬥機渦扇的完整研發、生產、技術支援的路,但渦扇10相比於CFM56/F110,在技術上沒有太多的代際升級。渦扇10也對標早期CFM56/F110,依然足夠先進,但不是最先進的。
渦扇15不僅在技術上是代際升級,也在性能上對標F119,甚至有所趕超。
不斷有人指出,渦扇15的推力還是不及F135,儘管誰都説不清楚渦扇15的推力到底是多少。但這樣的比較是不對的。F135因為降低了超音速飛行的要求和提高升力風扇所需的機械出力,增大了涵道比,修改了渦輪,重新優化了熱工細數,才有更大的推力。
渦扇的推力來自風扇和噴流直接推力的組合。增加涵道比以提高風扇出力、降低對噴流直接推力的依賴,是提高推力的最快途徑。涵道比實際上代表了外涵道與內涵道的推力比。CFM56的涵道比比F110高得多,非加力推力就超過F110的加力推力,但對戰鬥機一點用處都沒有。F135只是沒有那麼極端罷了。但非常粗略地計算一下,F135和F119的核心發動機相同,假定提供相同的推力;F119的涵道比為0.3,F135為0.57,涵道比的差別就使得F119的156kN增長到135的188kN,已經離實際的195kN很接近了。
實際上增加涵道比要降低一點核心發動機的推力,因為更多能量轉化為機械能去驅動風扇了。F135還強化了熱工參數,各種提高温度曾經很有降低壽命的顧慮,現在看來問題解決了。
説起來,F135或許可算“後期F119”的核心機技術,F119只有前期,因為F-22早早停產,沒有後期。F135因為F-35超重和性能種種不達標,而被迫一再增推,所以核心機的熱工參數比F119更加極端。但把F135直接與渦扇15相比依然是不妥的,只要把F119和F135的加力推力與軍推之比相比較,就知道這是兩種不同用途的發動機。
F119的加力推力為156kN,軍推105kN,兩者之比為1.34。F135的加力推力為195kN,軍推125kN,兩者之比為1.56。這個比值越低,説明越是以高軍推為設計基點;越高則説明最大推力(加力)越是靠“死燒”燃油硬推出來的,只能用於起飛和短時間的超音速衝刺,並不代表真正的設計水平。F135的軍推依然比F119高,但這正是通過提高涵道比得到的,0.3到0.57的涵道比差別就足以使的F119的105kN軍推提高到126.8kN。巧嗎?不巧。
渦扇15對標的是F119,不是F135。 有説法渦扇15的加力推力達到180kN級,比照F119的話,軍推就達132kN級了,那已經相當於AL31後期的加力推力了。這才叫真給力。
F135與F119的另一個不同是噴口。F135用帶鋸齒的圓噴口,推力損失比F119的矩形噴口要低,這也幫助F135在推力標定上“佔便宜”。
F-135沒有推力轉向,但在理論上是可以加三維推力轉向的,美國有這個技術。F119用二維推力轉向不是因為二維比三維簡單。這事少了一維反而難度更高,但性能更加優秀,而不是相反。
三維噴口用偏轉羽片束來改變噴流方向。羽片在偏轉中有錯動,所以需要互相緊密重疊,導致偏轉中的摩擦較大,推力轉向動作相對遲鈍。
二維噴口只有上下板整體偏轉,密封靠板沿與側壁的緊密配合,但動作乾脆、敏捷。在技術上,這對加工精度和材料有非常嚴格的要求,但在道理上講,與汽車發動機氣缸和活塞沒有本質的不同,所以是可以解決的。
三維噴口在理論上可以上下左右全向偏轉,但由於機體結構的緣故,實用中很少用到左右偏轉。緊密並排的雙發左右偏轉互相礙事;寬間距並排雙發之間的尾椎起到後體減阻的作用,並不能輕易取消。
最重要的是,急轉彎不是用垂尾舵面或者推力轉向實現的,而是用向轉彎方向橫滾到側立時拉桿抬頭實現的。這不僅是借用機翼升力實現轉彎力的緣故,也與飛行員抗負荷只能沿脊椎方向的緣故,不能側着來,人體受不了。一般人垂直過載受個4g沒問題,但賽車手跑S道也只有1g,就是差別。
所以二維推力轉向對於機動性夠用了,三維並無優越性。三維噴口更先進是常見的誤解。
三維的優越性實際上在於適裝性。三維噴管一般直徑與非推力轉向噴管差不多,飛機後體不需要多少改裝就可適裝。二維噴管是矩形的,為了降低圓形發動機截面向矩形噴口的推力損失,一般矩形噴口要比發動機截面大好多,戰鬥機後體就要完全重新設計才能適裝了。
現在裝上殲-20的渦扇15依然是圓噴口,是否帶三維噴口視頻裏也看不清楚,估計沒有。從長遠來説,可能還是二維噴口更好。
二維的矩形噴口不僅雷達和紅外隱身更好,也與戰鬥機後體減阻的要求更加匹配。F-22的後體逐漸扁平,就是有利於超巡減阻的構型。
殲-20的後體有點奇怪,似乎在扁平減阻和圓形發動機艙之間拿不定主意。很有可能一開始就是為二維噴口和扁平減阻設計的,但渦扇15跟不上進度,只有改用AL31然後是渦扇10過渡,所以成為現在的樣子。改回到扁平減阻應該不難,但這是新的壓型,現有殲-20有可能換渦扇15,但不大可能換二維噴口。
採用二維噴口的另一個好處是:低空低速防滾轉失控可以用左右噴口的上下差動轉向解決。
殲-20對機動性的追求幾乎變態,低空低速滾轉失控就是必須考慮的問題。在低空低速飛行時,大迎角本身已經達到氣動控制能力的邊緣,氣流擾動可能導致左右機翼升力不對稱,或者機頭滑向一邊,一旦進入這樣的狀態,左右機翼的不對稱升力迅速增加,導致不受控制的滾轉,直至墜機。
殲-20為了避免在大迎角狀態下進入偏航和滾轉,在後機身下有一對大型腹鰭。有人説這對噴口形成遮擋,有利於雷達隱身,這是牽強附會的。噴口隱身不是靠腹鰭實現的,二維噴口才是根本解決辦法。
二維噴口(其實三維也行)也可以取消腹鰭,降低阻力,也改善隱身。所有突出物都是隱身的大敵。
但殲-20至少現在依然在用圓噴口。這可能是“推力不足症”的後遺症,更可能是二維噴口技術尚未足夠成熟。
2022年珠海航展上展示了二維噴口版的渦扇10,説明中國已經初步掌握相關技術。渦扇10二維推力型將首先在什麼戰鬥機上使用還是一個迷,但渦扇15二維推力型肯定要用在殲-20上的。
也就是説,黃田壩的殲-20未必是完全版,帶二維推力的才是。
但對於殲-20,也不比糾結於現在是不是已經到了完全版,殲-20將一直在不斷發展,完全版形成的那一天,可能只是殲-20的終點、殲- XX的起點。美國正在大力推進第六代戰鬥機的研製,中國依然稱殲-20為第四代,下一代的劃代是會與美俄“接軌”,還是繼續“差一拍”也不清楚,但下一代對標美標第六代是無疑的。
叫第幾代無所謂,重要的是實質。下一代戰鬥機將具有什麼樣的特質,現在誰都説不清楚。歐洲“新兩風”在信息技術上可能有下一代的特質,但在航空技術上最多比F-22/殲-20這一代領先半代,可能連這都做不到。
中國不會滿足於殲-20,更不會滿足於歐洲“新兩風”代表的技術水平,但完成版殲-20的更加先進的信息技術、二維推力轉向都是必要的墊腳石。在某種意義上,完成對下一代戰鬥機的技術準備,等美國的第六代戰鬥機成型後再看準方向趕超,未必不是好辦法。
殲-20一路發展到現在,實際上已經“小換代”好幾次了。除了顯然的發動機從AL31換到渦扇10,還出現了雙座型、“粗脖子”型。
雙座殲-20不是戰鬥轟炸機,更不是教練型,從現有教練體系換飛殲-20並無特殊困難。但信息化、網絡化、忠誠僚機的新型作戰環境使得單座有點管不過來,雙座十分必要。
另一方面,人工智能和自動化又大量解放了原來必須人工完成的任務,單座又有了前所未有的作戰能力。
新雙座和先進單座並不是矛盾的,更不是互相替代的,而是互相補充的。這正是“粗脖子”殲-20的原因。
“粗脖子“並不是減阻用的。跨音速面積律要求飛機截面積均勻過渡,“原始”殲-20就是按照這個要求最優化的,多走一步都不再是減阻,而是增阻。
但戰鬥機不是為減阻而生的,是為戰鬥而生的。減阻是手段,不是目的。雙座和單座最大程度通用化降低製造成本,“粗脖子”增加機內容積,可用於更多的燃油或者設備,都對提高戰鬥力有用。
單雙座“同體”是以色列“拉維”戰鬥機開始的。“拉維”在設計時就有單座和雙座型號,為了最大限度地簡化設計和製造,單雙座共用相同的座艙蓋,單座後座位置用蓋板覆蓋,裏面用於更多的燃油和設備。
美國F-15X也有單雙座同體的設計,儘管後來放棄單座,只有雙座。
殲-20“粗脖子“大概率也是出於單雙座同體的考慮,而不是減阻,增加燃油和設備容量是很受歡迎的額外好處。
另外,渦扇15現在才是基本型,肯定有增推路線圖。一些技術是在基本型凍結後才成熟的,來不及用上了;還有一些技術來自基本型使用中發現的問題或者機會,改進得來的。二維噴口有推力損失問題,增推的改進型渦扇15正好補償,使得完成版殲-20“有得無失”。
圓噴口渦扇15版殲-20將是十分接近完成版的殲-20,二維噴口渦扇15版才是完成版。