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美、中、俄第五代殲擊機發動機發展現狀研究

美、中、俄第五代殲擊機發動機發展現狀研究

知遠戰略與防務研究所/藍山 編譯

自:俄羅斯「軍事評論」網站2017年6月26日

[導讀]本文原載於俄羅斯「軍事評論」網站2017年6月26日,作者為基里爾·里亞博夫,原標題為Двигатели для истребителей пятого поколения。文章介紹了美國、、俄羅斯三國第五代殲擊機所用的航空發動機的發展情況。

在研製第五代殲擊機計劃的框架內,航空工業和協作部門必須解決一系列複雜任務並研製所有必要設備。這種計劃最複雜的任務之一是研製具有所需性能的發動機。一系列國家都在制定未來的動力裝置方案,而且已有幾個型號推進到批量生產階段。下面介紹一下該領域發展現狀。

美國

美國企業首先開始研製第五代殲擊機的發動機,也是首先完成的,然後進入批量生產和使用階段。因此,美國在此前獲得了首先宣布新紀錄和大幅度領先於國外對手的可能性。就在幾天前美國工業界宣布又完成了新的跨越。

圖1:在戰鬥部隊服役的量產型F-22A殲擊機

普拉特&惠特尼公司在ATF計劃框架內研製、現已裝備F-22殲擊機的F119是美國第一種新一代發動機。幾天前已經宣布,這種早已投入使用的發動機總飛行時間達到50萬小時。F119發動機項目負責人阿曼達·格婁德指出,這一成就突出顯示了現有技術的能力。已經生產的全部F-22殲擊機從2005年起一共飛行了20萬小時。

旨在裝備ATF計劃中的第五代殲擊機的F119發動機的研發工作早在80年代就開始了。1991年簽訂設計合同。一年後,第一台F119試驗型發動機上試驗台。1997年成品在試驗飛機上進行了試驗。試驗機是洛克希德公司的YF-22和波音公司的YF-23。後者不完全符合軍方的要求,在競爭中被淘汰。最後裝備F119-PW-100型發動機的F-22投入批量生產。

量產型F-22殲擊機裝備2台F119-PW-100型發動機。這是一種帶加力燃燒室和偏轉噴嘴(能單平面控制推力矢量)的渦輪風扇發動機。發動機採用雙軸布局,高壓和低壓迴路轉子反向旋轉。低壓壓縮機有三級,高壓壓縮機有六級。噴嘴扁平,有偏轉魚鱗板,能調節推力矢量方向。

F119-PW-100發動機總長度接近5.2米,最大直徑小於1.2米,重量1.8噸。渦輪進口溫度1647度。開加力時推力為15876公斤(另有資料說是16785公斤)。根據官方消息,2台F119-PW-100發動機能保證殲擊機推重比不小於0.88。在正常起飛重量下推重比達1.15。飛行時速可加速至2410公里。不使用加力時飛行時速可達1960公里。作戰半徑為760公里,轉場距離為2960公里。

圖2:具有可控噴嘴的F119試驗型發動機

根據現有資料,普&惠公司迄今已生產500餘台各型F-119發動機。先是用於裝備幾架F-22試驗機,後來安裝在量產型飛機上。F-22一共生產了195架,其中187架是交付空軍的量產型。根據最新資料,F-22殲擊機自正式投入使用后一共飛行了20萬小時。同時,包括試驗型試飛在內,發動機總工作時間達50萬小時。這樣,作為第五代殲擊機的第一種量產型發動機,F119創造的紀錄在最近的將來未必會被打破。

作為對昂貴的F-22重型殲擊機的補充,美國洛克希德-馬丁公司又研製了F-35殲擊機。普&惠公司則為該機研製了F135渦噴發動機。該發動機的研製始於90年代,完成於2000年代中期。F135 發動機是在F119的基礎上研製的,因此其最初被稱作F119-JSFJSF是殲擊機研發計劃名稱)。

F119-JSF / F135的第一台量產型樣機於2007年製成。後來繼續進行了修整,導致項目進度明顯延誤。但普&惠公司到2013年供應了第一百台F135。此時成功地消除了存在的主要問題,並將用於三種F-35改型的三種發動機改型投入量產。

作為已有製品的進一步發展,F135保留了其基本特點。採用雙迴路方案,壓縮機級數相同。保留了單級高壓渦輪,這樣在低壓迴路中採用了新型兩級渦輪。在各種補充裝置或技術的幫助下,研製了三種發動機型別:F135-PW-100、F135-PW-400和F135-PW-600。

圖3:飛行中的F-35殲擊機小隊

PW-100型發動機是該系列的基本製品,用於安裝在空軍F-35A型飛機上。該發動機長5.6米,直徑不超過1.17米,重1.7噸。最大推力13000公斤,開加力時推力為19500公斤。在其基礎上研製了用於配備F-35C艦載殲擊機的F135-PW-400發動機。該型發動機的唯一重大區別是採用了加強的抗腐蝕塗層。全部性能指標保持不變。

F-35B飛機採用135-PW-600發動機,能短距起飛,垂直降落。該型發動機與基本型相比具有重要區別。它具有能垂直向下改變推力方向的偏轉噴嘴。此外從發動機向前引出附加傳動軸和旋轉的升力風扇。經此改造,發動機長度增加至9.37米,其中1.35米是最大的升力風扇部分。最大推力為12250公斤,開加力時推力為18600公斤。

F-35系列飛機的頭幾架於2006年製成並升空。在過去的時間裡,三種型別的飛機已經進入量產階段,已經生產並向用戶交付了230餘架。所有這些飛機都是單發飛機。據稱最大飛行時速可達1930公里。在不開加力的情況下,飛機能以1470公里的時速飛行。作戰半徑達1400公里,航程不小於2200公里。

圖4:裝有升力風扇的F135-PW-600發動機

可見,美國先於其他國家動手,目前已經成功地研製並批量生產了兩種第五代殲擊機用的渦噴發動機。這些製品產量很大,並已在為武裝力量服務。

在第五代殲擊機及發動機研發領域取得了很大的成就。目前,工業界在同時研製兩個未來的飛機型號,並在為其研製必要的配套設備。但在發動機製造領域卻是另外一種情況。在現代化航空發動機研發領域能力有限,因此不得不積極使用國外的製品。

2011年1月,殲-20第五代殲擊機首飛成功。目前,已經製造並測試了幾架配置和機載設備組成各不相同的試驗機。例如,殲-20試驗機有兩個版本的動力裝置,即國產和進口發動機。

以前有過關於購買以性能高而著稱的俄羅斯AL-31F發動機的消息。該型發動機會一直用到飛機開始量產和具有同樣性能的國產發動機問世。還有關於飛機可能使用WS-10發動機的最新改型的消息。它是在俄羅斯AL-31發動機的基礎上發展出來的。

圖5:殲-20表演飛行

根據最新資料,量產型殲-20飛機將裝備目前正在研製的WS-15渦噴發動機。WS-15項目早在九十年代就啟動了,2000年代中期開始進行試驗台試驗。到2000年代末取得了一定的成果。早些時候國外專業出版物曾推測,WS-15項目試圖仿製美國的F119發動機。還有關於打算仿製俄羅斯AL-31系列發動機最新改型的傳言。

根據現有資料,WS-15製品是帶加力燃料室的渦扇發動機。曾有報道說它使用三級低壓壓縮機和六級高壓壓縮機。發動機總長度大於5米,渦輪進口溫度約為1600攝氏度,計劃使推力達到19000至20000公斤。

根據各種評估,裝備兩台WS-15發動機的殲-20殲擊機推重比將不小於1.05。最大飛行時速達2100公里。在不開加力的情況下是否能加速至超音速暫時還不清楚。裝備經過修整的發動機的量產型飛機具備什麼樣的性能暫時也不得而知。

第五代輕型殲擊機殲-31從2012年起繼續試飛。根據現有資料,至少在一定的時間裡,經過特別配置的該機進行了試驗。該機裝備兩台RD-93渦噴發動機。2000年代理順了版RD-93發動機——WS-13——的生產。在可預見的將來計劃為殲-31飛機裝備WS-13E改進型發動機。

圖6:航展上的殲-31輕型殲擊機

根據以前公布的消息,WS-13E發動機將是雙軸渦扇發動機,它是RD-93的進一步發展。WS-13基本型的量產型製品有八級高壓和低壓壓縮機。長度小於4.2米,直徑約1米,重1.14噸。現有製品開加力時最大推力超過8800公斤。計劃使WS-13新改型開加力時的推力增加至9000-9100公斤。

因為可以理解的原因,WS-13EWS-15未來項目的準確情況沒有公布。國防工業界在傳統上保守自己的主要秘密,並且不急於宣布關於新項目的最令人感興趣的信息。

俄羅斯

俄羅斯工業界在繼續攻關自己的第五代殲擊機——T-50。還正在大規模計劃的框架內研製具有更高性能和新能力的未來發動機。但是工作的複雜性導致試驗型飛機不得不裝備性能尚可接受的現有發動機型號。T-50的原型機暫時裝備AL-41F1渦噴發動機。計劃下一步完成暫時被稱作「製品30」或「30型」的全新發動機並投入量產。

T-50計劃中,「製品30」被視為第二階段發動機。「製品30」暫時只是工作代號,下一步可能會採用以AL開頭的新代號。早些時候曾報道,目前已經擬定了設計資料並已開始組裝試驗型發動機。計劃今年年底將「製品30」裝上試驗型飛機進行首飛。計劃未來幾年進行新測試,2020年進行國家試驗。

圖7:T-50試驗機中的一架

幾天前,俄羅斯《報紙報》披露了從留里卡設計局匿名消息人士獲得的關於「製品30」項目進展的新細節:該企業正在三班倒地工作,以在預定期限之前完成任務,確保嚴格執行預定時間表。同時,協作單位存在一些問題:發動機自動控制裝置供貨單位沒有完成其任務。當前的工作完成後,計劃將試驗型發動機裝上飛行試驗室進行試飛。計劃11月6日進行第一次試飛。但如果協作單位不能按計劃完成自己的任務,試驗時間表有可能調整。

《報紙報》的消息人士還證實,未來的發動機與AL-41F1這些現有製品有顯著的區別:採用新型渦輪和全數字控制系統,因此將達到推力更大、油耗更低的目標。所有這些都將使裝備「製品30」的飛機無須開加力就能進行超音速飛行,這對整個飛機的使用會帶來相應的積極效果。

根據各種資料,未來的發動機不開加力時最大推力將達11000公斤,開加力時達18000公斤。由此,T-50飛機的推重比將不會小於1(具體取決於起飛重量),最大飛行時速估計為2500-2600公里,不開加力時最大飛行時速可達2000公里。「30型」發動機將裝備能控制推力矢量的偏轉噴嘴。這將使飛機在所有飛行狀態下都具有更高的機動性。

圖8:T-50原型機上使用的AL-41-F1發動機

結語

儘管無線電電子系統迅猛發展,重要性日益提高,但發動機仍將是未來飛機最重要和最複雜的部分之一。對第五代殲擊機的特別要求也對發動機製造提出了相應的要求。設計師們需要完成特別複雜的任務,否則無法滿足用戶的所有要求,無法研製出具有所需性能的飛機。

目前,有多個國家在同時攻關自己的第五代殲擊機,但是遠非所有計劃都推進得相當遠。不僅如此,目前只有一個國家的第五代殲擊機投入了批量生產。其他國家暫時還處於試驗階段或試驗設計階段。但很顯然,美國一枝獨秀的局面未來幾年將會被打破,因為多個國外型號可能會很快投入量產。

未來殲擊機所用發動機的情況看上去差不多,但有明顯區別。例如,美國已經擁有兩個量產型發動機型號,其中一個型號有三個改型。俄羅斯只有一個型號在準備試驗。而項目的進程幾乎不得而知。同時,很顯然,未來發動機及其配套設備的研發在繼續,並在逐步取得日新月異的成果。所有項目的最終目標都是開始批量生產用於裝備量產型飛機的新型發動機。已經有兩種新一代發動機完成了這項任務,其餘的則需要繼續努力。(全文完)

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