WS-15,中國航空發動機的巔峰之作,效能如你所願

說起航空發動機的發展,中美曾經最大的差距,是在研發模式上。

我國航空發動機的研製,是先飛機後發動機,發動機的研製往往是在飛機研製型號確定後才開始的;而美國是先發動機後飛機,當研製飛機時,早已有了可以選擇的發動機。

可以說,美國的研製模式是符合航空發動機的研製規律的,這是因為航空發動機的研製技術難度要比飛機高得多,研製的時間週期也比飛機長很多。

兩種不同的研發模式,產生的後果是截然不同的。我國往往因為飛機型號的下馬,發動機便陷入絕境,最終夭折;相比之下,美國模式要好得多,即使某一兩種飛機型號下馬,也不能停止發動機的研製投入,日積月累,自然成為發動機強國。

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好在我國有關部門認識到了這一重要性,從原先把航空發動機當作飛機的一個重要附屬部件進行研製,提高到航空發動機的重要性與飛機並駕齊驅、甚至還要高出一籌。為此,航空發動機部門已從航空部門獨立出來,並專門成立“航空發動機與燃氣輪機”重大專項,撥鉅款進行研究。所以,我們有理由更樂觀地看待我國航空發動機的未來發展。

言歸正傳,話題回到本文的重點——WS-15發動機。

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大家知道,WS-15又叫“峨眉”,是我國隱身戰鬥機殲-20的標配發動機,官媒最早公開報道是在2017年,當年5月25日晚播出的央視《工匠之家》,披露了我國殲-20已經裝備了國產發動機,而且節目最後還說,從第三代已成熟的發動機“太行”系列,跨越式發展到第五代“峨眉”發動機,令全世界為之驚歎。

央視連“令全世界為之驚歎”的字眼都用上了,可見WS-15的效能確實非同一般。

其實,這次央視報道中提到的第五代“峨眉”發動機,應該是第四代,即與美國普惠公司研發的F119和F135發動機,同屬第四代;而之前的美國F110、俄羅斯AL-31,以及我國WS-10,則都屬於第三代。

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關於我國WS-15與美國F119和F135發動機的效能,軍事專家宋心之老師曾經繪製過一個表格。

從上表的資料看,WS-15的加力推力和推重比已經與F119的量產型、F135 的原型在同一水平上,但與F119 的改進型、F135的量產型還有差距。

F119的軍用推力與加力推力的比值約為0.67,F135的相應比值在0.6-0.64之間,WS-15的比值在0.57-0.64之間,似乎裝WS-15的殲-20戰機,超巡能力未必好於F-22和F-35。實際上由於殲-20全機細長又採用鴨式佈局,氣動特性上跨聲速阻力更小,超聲速巡航升阻比更高。按照殲-20飛行員的反映,戰機超聲速飛行的特性十分出色,很大程度是由於殲-20氣動外形設計優秀導致的。

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再看三種航發的涵道比,F135的涵道比是F119和WS-15的一倍還多。這反映出F135外涵道流量更大,航發直徑更粗,其好處是更加省油,壞處是阻力更大,高空推力下降更多,對實現超聲速巡航和高機動都不利。從這一點看,F-35更適合作為攻擊機使用,並不適合做制空戰鬥機。

最後再來看一下渦輪前溫度。渦輪前溫度是航空發動機先程序度的一個重要指標,在航空發動機渦輪和風扇設計水平相同的前提下,渦輪前溫度每提高100°K,推力增加15%。可見渦輪前溫度與發動機推力有很大關係。

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F119航發的渦輪前溫度達到了1977K,估計F135航發的渦輪前溫度與其在同一水平。WS-15的渦輪前溫度大約是1850-1925K,已經接近了美國兩種四代航發的水平,但比其低了約50-100K。這說明美國四代航發的熱效率更高,使用的耐熱材料更好,熱部件散熱處理更先進。WS-15的渦輪前溫度儘管已經有了大幅度提升,但與最先進水平還有差距,說明我們在耐熱材料和散熱技術方面還要繼續努力。

不過,F119也是分三級跳才實現了17.4噸的最大推力。一開始其試驗推力只有14.5噸;第二階段放寬到15.6噸;最後才到17.4噸。也就是不斷對渦輪前最高溫度加碼,達到增推的目的。而WS15由於研發時間更晚,更多地運用到了成熟的粉末渦輪盤和單晶葉片技術。尤其是6.5萬噸級的模鍛裝置在全球排名第一。因此其渦輪盤和葉片可以長期承受更高的溫度。其少量下線的第一批加力推力已經可以達到16.2噸級,超過了F119發動機第二裝機批次的水平。現在第4批次可能已下線並裝機試飛,已看齊F119增推版約18噸級推力。批次裝機殲-20後,必然登峰造極!

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也就是說,WS15的後續批次效能已經開始比肩美國的F119,再說當今新技術日新月異,我們今後彎道超車是完全有可能的。所以,最後再提一下我國的一項新型技術,即等離子體流動控制,這一技術被美國航空航天學會列為10項航空前沿技術之一。

據中國科學院院士李應紅透露,我國在等離子體流動控制領域取得巨大進展。對於航空發動機而言,等離子體流動控制可以預防最要命的喘振,以免發動機空中停車。其實,等離子體流動控制早已被一些航空強國在研製和應用,但最主要的問題是,只能在低速下起作用,高速流場則不行。因為它對流場產生的擾動太小,在低速時有效,在高速下由於動量比較大,把激勵擾動淹沒了,干擾不了流場。

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為此,我國成立專項,解決等離子體流動控制怎麼在高速流場下起作用。最終研究出在高速流場下產生有效激勵的放電方式。基本原理就是脈衝放電,在很短的時間內產生很強的擾動,區域性產生強烈的衝擊波,即衝擊波激勵,但由於是脈衝的,平均功耗並不是很大,這樣把等離子體流動控制從低速做到了高速。透過流動控制對流場進行控制,不僅可以擴大發動機的穩定裕度,還可以提升飛機氣動效能。

當然,到目前為止,飛機和發動機等離子體流動控制還是處於實驗室階段,離實際使用還有距離,不過,我們有理由相信,我國一定會在該領域取得更大的突破。

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相比傳統的航空發動機技術,在等離子體流動控制領域我國與世界航空強國幾乎同時起步,不存在任何差距,而且我們還有領跑的優勢。

我國未來的航空發動機,值得期待!

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