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航發(fā)：開局就是王炸，我們已經(jīng)不稀罕“彎道超車”了

點(diǎn)擊：  作者：軍武數(shù)據(jù)庫    來源：今日頭條  發(fā)布時(shí)間:2023-04-14 09:43:19

 

今天的內(nèi)容很長，耐心看完感覺會(huì)很爽

 

還是粉絲的私信，問到“我們的航發(fā)真的不行嗎？有沒有可能彎道超車？”

 

 

今天咱們就來說說W君為什么可以這么有底氣的回答，其實(shí)所謂的“彎道超車”咱們已經(jīng)不稀罕了。要說明這個(gè)問題我們還得聊聊軍用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的“近現(xiàn)代史”。

 

首先，我們要承認(rèn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)東西被譽(yù)為工業(yè)皇冠上的明珠，這點(diǎn)是毋容置疑的。但是我們?nèi)绻麖臍v史的角度上去看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)并不是一成不變的，而是在不斷的發(fā)展，也正因?yàn)楹桨l(fā)在不斷的“堆料”的過程中越來越復(fù)雜，才漸漸的成為了“工業(yè)皇冠上的明珠”。

 

 

換句話說，如果我們把幾十年前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)拿出來放在現(xiàn)在來看，這些航空發(fā)動(dòng)機(jī)就已經(jīng)不是什么明珠了。顯然在我們的眼里來看，這些老型號的發(fā)動(dòng)機(jī)和村口的拖拉機(jī)沒有太多的區(qū)別，都是一個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物，而且已經(jīng)嚴(yán)重的落后了。

 

在傳統(tǒng)的渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的領(lǐng)域上，現(xiàn)代的航發(fā)已經(jīng)越來越接近發(fā)展的天花板而舉步維艱了。

 

以目前的航空發(fā)動(dòng)機(jī)來看，F-35隱身戰(zhàn)斗機(jī)上所配備的F135發(fā)動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)最為優(yōu)秀的戰(zhàn)斗機(jī)上使用的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（沒有之一 ）。

 

 

說下數(shù)據(jù)，F135發(fā)動(dòng)機(jī)在1168.4毫米的直徑、5590毫米的長度上實(shí)現(xiàn)了124.6千牛的推力，并且可以通過在后燃器中注入燃油進(jìn)而獲得191.35千牛的推力。這種推力的實(shí)現(xiàn)可以說是狂暴了。

 

但為什么說F135已經(jīng)接近了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的天花板呢？咱們從美國的主力航空發(fā)動(dòng)機(jī)來聊一下：

 

 

在F-4的時(shí)代，F-4上裝備的是兩臺J79渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，注意，渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，并不帶有函道風(fēng)扇。這臺發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸，直徑是992毫米，長度為5301毫米，推力有52.8千牛，加力推力為80千牛。

 

到了F-15的的時(shí)代，美軍主力的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)就換成了F110，在F-15、F-16、F-14上都在使用。

 

 

這是一款渦輪風(fēng)扇式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，為了滿足推力的要求不得不在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)外側(cè)構(gòu)建涵道利用發(fā)動(dòng)機(jī)前端的風(fēng)扇帶動(dòng)氣流提供額外的推力。

 

它是怎么來的呢？其實(shí)這款發(fā)動(dòng)機(jī)是B-1B轟炸機(jī)上的F101引擎的衍生品。

 

 

F101引擎是世界上第一款帶有加力燃燒室（后燃器）的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，前面有兩級涵道風(fēng)扇。

 

在F101到F110轉(zhuǎn)變到過程中，這里面美國人玩了一個(gè)特別有意思的操作，將F101的兩級涵道風(fēng)扇換成了三級，也就成了F110。

 

加一級風(fēng)扇效率就大幅度提高了。

 

當(dāng)然了還有一個(gè)相似的例子是Tu-95轟炸機(jī)。

 

 

也是在不能繼續(xù)擴(kuò)大槳葉直徑的前提下，將飛機(jī)上的螺旋槳變?yōu)閮杉墸@也就是共舟反轉(zhuǎn)螺旋槳的設(shè)計(jì)了

 

帶有三級函道扇葉的F110可以說是當(dāng)時(shí)的創(chuàng)舉了。發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑一下子縮小到883毫米但是可以爆發(fā)出來73.9千牛的推力，加上點(diǎn)燃后燃器的推力甚至可以達(dá)到144.6千牛。其軍用推力基本上就可以達(dá)到了前一代J79發(fā)動(dòng)機(jī)的加力推力。三級函道在當(dāng)時(shí)是一個(gè)創(chuàng)舉。而且一直影響著后面美國發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。

 

而到了F-22的時(shí)候，F119發(fā)動(dòng)機(jī)則是在F110發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上加大了直徑，原因很簡單F110已經(jīng)將883毫米的直徑下的發(fā)動(dòng)機(jī)的所有潛力榨干了，也正因?yàn)檫@一個(gè)舉動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)才真的叫做工業(yè)皇冠上的明珠。最初這個(gè)評價(jià)就是來自于F110發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

而到了F119的時(shí)候……這顆明珠的光芒就開始黯淡下來了。

 

到了F135則是在F119點(diǎn)基礎(chǔ)上又改進(jìn)了更新的材料同時(shí)加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，幾乎回到了純渦輪引擎的路子上去。

 

你如果理解這段歷史，你就會(huì)知道其實(shí)F135的設(shè)計(jì)已經(jīng)走到頭了。

 

那么世界上還有沒有比F135推力更大的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)呢？其實(shí)也是有的，這就是什韋措夫D30發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

 

推力達(dá)到了125千牛，通常兩臺一起使用，裝備在米格-31戰(zhàn)機(jī)上，使得米格-31如果不加限制的話可以飛到馬赫3.2，加以限制可以輕松的在馬赫2.83的速度上飛行。

 

只不過這臺發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑已經(jīng)達(dá)到了1455毫米的級別，在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的位置已經(jīng)可以綽綽有余的蹲一個(gè)成年人了。

 

 

這款發(fā)動(dòng)機(jī)我們也有仿制，叫做渦扇-18，但我們沒有任何戰(zhàn)斗機(jī)會(huì)使用這么巨大的引擎，我們把它用在了早期型的運(yùn)-20上。

 

D30其實(shí)就是俄式的浪漫了，兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一圈就又回到了運(yùn)輸機(jī)和轟炸機(jī)上。

 

現(xiàn)在你基本上已經(jīng)了解了軍用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的“近代史”。如果理解這段故事，就會(huì)覺得美國的F135發(fā)動(dòng)機(jī)其實(shí)也已經(jīng)走到路的盡頭了。

 

那么咱們來聊聊王炸的問題

 

其實(shí)和下一代戰(zhàn)斗這個(gè)概念一樣，航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)之后也在面臨著換代的概念了。目前最具有呼聲的就是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。各個(gè)國家都在研究利用沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)替代 傳統(tǒng)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)。

 

而在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)有一款沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的類型被認(rèn)為是最適合戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。概念是從1945年就已經(jīng)開始提出了，這種發(fā)動(dòng)機(jī)就叫做旋轉(zhuǎn)爆震式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

要了解什么是選擇爆震式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)（RDE）我們還先得簡單的說下傳統(tǒng)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

 

和“等壓燃燒”的渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)不同，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是“等容燃燒”，并不維持固定的燃燒室壓力，燃料和空氣的混合物在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)直接爆燃“崩”出去。

 

 

這是一些自制的相當(dāng)簡單的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，這些沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)叫做脈沖式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，有一個(gè)很大的特點(diǎn)就是在發(fā)動(dòng)機(jī)后部分帶有一個(gè)長長的管子。其實(shí)這也是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的一部分，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料和空氣注入到燃燒室內(nèi)，當(dāng)燃料被點(diǎn)燃后會(huì)產(chǎn)生爆震，爆震波的會(huì)迅速的在管道內(nèi)擴(kuò)張將整個(gè)管道內(nèi)的燃料和空氣混合物點(diǎn)燃。如果管子過短就有兩個(gè)弊端，第一是總會(huì)有一部分空氣和燃料的混合物沒有燃燒充分造成燃料和推力兩方面的浪費(fèi)，第二則是燃?xì)鉀]有充分膨脹從噴管中噴出后還有大量的內(nèi)能沒有被利用。

 

最好的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)噴管長度是讓燃料恰好燒完、管道內(nèi)的氣壓降低到和管道外部的氣壓相同，氣體以慣性而非壓力涌出。

 

 

當(dāng)然了這個(gè)東西在不同的狀態(tài)下是很難依靠一根長度固定的管子來完成的。

 

這也就是為什傳統(tǒng)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅是被利用在飛行動(dòng)作和動(dòng)力需求比較單一的導(dǎo)彈上，而很難利用在飛機(jī)上的原因。

 

 

那么用什么方法可以讓沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能適應(yīng)更多的工況呢？把管子盤成一個(gè)圈嘛！

 

這就是旋轉(zhuǎn)震爆沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)初衷。

 

 

簡單的說就是在一個(gè)環(huán)形燃燒室內(nèi)噴出燃料，讓爆震波圍繞著燃燒室旋轉(zhuǎn)，通過改變爆震波繞行的斜率讓爆震波可以持續(xù)旋轉(zhuǎn)燃燒而且適應(yīng)不同工況。

 

這件事說起來簡單做起來相當(dāng)難，關(guān)鍵就在于爆轟波和燃燒室內(nèi)的流場極其不穩(wěn)定如果以很慢的頻率去驅(qū)動(dòng)爆轟波的旋轉(zhuǎn)這種引擎幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何推力，但如果把爆轟波的旋轉(zhuǎn)頻率提高，爆轟波又會(huì)直接點(diǎn)燃整個(gè)燃燒室使燃燒室整體燃燒而破壞掉旋轉(zhuǎn)路徑。

 

根據(jù)理論計(jì)算來說，旋轉(zhuǎn)爆轟沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)爆轟波的旋轉(zhuǎn)速度要達(dá)到每秒80圈才可以產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的推力。

 

美國在1945年就開始了這方面的研究，到目前穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)震爆沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定在20圈左右（20Hz），可以產(chǎn)生大約40-50牛的推力。

 

 

而這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置只有3英寸和6英寸的尺寸。

 

日本在這方面也在做積極的研究，它們設(shè)計(jì)了連續(xù)爆震火箭車模型，推力達(dá)到了201牛，而工作時(shí)間維持了2秒。

 

 

在這項(xiàng)技術(shù)的加持下，日本利用旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制了S520探空火箭。

 

 

雖然還是單一的飛行工況，但是已經(jīng)達(dá)到了傳統(tǒng)火箭的90%的效率。

 

美日所制作的發(fā)動(dòng)機(jī)可以說是玩具，說下咱們自己咱們的國防科技大學(xué)在2012年發(fā)表的論文中已經(jīng)公布了，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)在使用氫氣燃料的時(shí)候單波推力達(dá)到187牛頓，雙波（同時(shí)在燃燒室里產(chǎn)生兩條爆轟波）推力達(dá)到了808.5牛頓

 

 

同時(shí)我國除了國防科技大學(xué)在做這方面的研究之外北大、清華、南京理工大學(xué)都在開展這種引擎的深入研究。剛剛說到國外的旋轉(zhuǎn)爆震引擎的頻率在20Hz，作為對比，國防科技大學(xué)的吸氣式連續(xù)震爆發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了8350Hz的連續(xù)工作頻率。

 

 

在這個(gè)頻率下已經(jīng)可以達(dá)到旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)理論最大輸出的90%功率。

 

 

今年1月24日，清華大學(xué)的旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了第一次首飛，和日本的不同，日本的S520燃料和氧化劑都是內(nèi)部存儲(chǔ)，而清華射出這枚則是自然吸氣，并不攜帶氧化劑。

 

雖然現(xiàn)在各個(gè)國家都是在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷碾A段，但是我們是走在了絕對的前列。

 

 

無論是從研究團(tuán)隊(duì)的規(guī)模、到最終的研究成果都是國外這些國家望塵莫及的。其實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)換代帶來的提升并不是“彎道超車”，而是切切實(shí)實(shí)的“降維打擊”。

 

從軍迷的角度來說，現(xiàn)在只盼著我們的旋轉(zhuǎn)爆震沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)早日走出實(shí)驗(yàn)室，一旦真的裝在戰(zhàn)機(jī)上，我們再看傳統(tǒng)的使用渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的外國戰(zhàn)機(jī)，也就像是看一戰(zhàn)時(shí)期的戰(zhàn)斗機(jī)一樣的感覺了，畢竟技術(shù)的進(jìn)步帶來的代差差距是碾壓性質(zhì)的。

 

來源：“軍武數(shù)據(jù)庫”今日頭條號  侵刪