一直以来中国航空发动机因为推力小、性能不过硬而饱受诟病,但如今经过数十年几代航空人的奋斗,中国航发已经不同于往日,本期将带大家弄清楚航空发动机的各个种类,我国历代的主力航发在全球又处于什么水平?
现今航空发动机主要分为“活塞式航空发动机”、“冲压发动机”和“燃气涡轮发动机”三个大类,从年世界上第一架飞机诞生,到二次世界大战结束后,几乎所有的战机都是采用活塞式航空发动机,比如德国的Ta-、美国的P-51D战斗机,还有二战时美国飞虎队使用的P-40。这类航发通过推动螺旋桨使得飞机获得动力,但由于发动机功率增大,重量也随之增大,功重比较低,活塞式航发也逐渐退出历史舞台,但今日我们还能看到它的影子,比如空中撒农药的“安-2”。
冲压发动机因为结构简单、推重比大,主要用在各种洲际飞航导弹、中近程导弹上。冲压发动机主要是由进气道、燃烧室和推进喷管构成,它通过进气道将高速气流升压减速,然后使其在燃烧室内与燃料充分燃烧,最后产生的高温燃气经过推进喷管来产生动力。这种发动机缺点是需要其他发动机作为助推器,因为冲压发动机无法使飞行器从静止启动,所以需要助推器产生一定的速度才能工作。
最后是燃气涡轮发动机,这个大类的小种类也非常多,如涡轮喷气发动机、涡轮风扇、涡轮螺桨和涡轮轴发动机,其中涡轴主要用在直升机上,涡桨则用于支线小飞机或者私人飞机上,例如我国即将首飞的新一代高速涡桨支线客机——新舟。
由于涡轴、涡桨同属于螺旋桨发动机,无法让飞机速度达到音速以上。为了冲破音速,螺旋桨这样的传统发动机就不再适用。随着各国战机的更新换代,涡喷发动机便应运而生,这类发动机由压气机、燃烧室、涡轮和喷管四部分组成。具体工作过程与上面提到了的冲压发动机类似,只是比冲压发动机多出了压气机和涡轮。
为什么冲压发动机会少这两个部件呢?因为冲压和涡喷应用的场景不同,冲压发动机的速度更高,可以达到高超音速,所以进入发动机的气体直接是高压气体,并不需要压气机,而且不需要涡轮,直接利用喷出的气体就可以获得动力。
涡喷已经很接近现代战机的航发,但由于涡喷在低速飞行时效率比较低,当我们在涡喷结构中的压气机前面加上一个大风扇时,就成为了涡扇发动机,不同于涡喷仅利用高压气体向后喷出获得动力,涡扇除了向后喷出气体外,还有前方大风扇产生的推力,效率更高、推力更大、飞机航程更远。不过到超音速就不行了,因为加了风扇阻力也更大,所以这时涡喷还是最适合。
中国航空发动机的研发,可追溯到上世纪60年代至80年代中期,这阶段主要以仿制结合、自主研发的方式,例如在苏制爱尔德-9Б基础上仿制的涡喷-6,是我国强-5、歼-6第一代机采用的发动机型号,经过涡喷-6甲和涡喷-6乙两个改进型的发展后,性能上接近二代机的水平。
上世纪70年代过后,欧美推出的三代机基本采用的是涡扇发动机,于是我国从英国罗罗公司引进了斯贝MK,在此基础上研发了涡扇-9,从年全面试制到年正式生产定型,这个命名为“秦岭”的发动机,研发历程经过了整30年,主要被我国飞豹战机列装。
从80年代中期到21世纪初,我国开始自主研发航空发动机,主要类型有涡喷-14昆仑发动机,和涡扇-10太行发动机。涡喷-14是我国完全自主研发的中等推力涡喷发动机,改进型有昆仑I和昆仑II型,其中昆仑II型应用在歼7、歼8二代机身上,整体上相当于上世纪80年代中期的水平。
我国首台大推力涡扇发动机——涡扇10,属于我国第四代机的标配,是我国继涡扇6失败之后的又一次尝试。涡扇10于年由苏27搭载进行了首飞,在涡扇10基础上发展而来的涡扇-10A,推重比达8.1,于年由歼11A安装首飞,涡扇-10A是我国追赶世界先进水平而研发的。歼20最早也搭载过涡扇10B,其推力最高可达14吨,推重比在7到8之间。目前涡扇10和改进型号已经上装了歼10、歼11B、歼16等国产主力战机。
最后就是大家最熟悉的涡扇-15,这是我国为国产五代战机歼-20,专门研发配备的三维大推力矢量涡扇,代号峨眉发动机。这款发动机的推重比将超过10,最大推力可达18吨,而美国F35采用的F发动机,推重比为11.7,最大推力19吨。接下来涡扇15如果能解决寿命问题,相信国产航发的水平将会更上一层楼。