神鹰振翅飞,清波自在垂——从中国研发垂直起降战机浅谈STOVL发动机.第二篇

在第一篇中,我们介绍了STOVL发动机的发展历程和技术路线。有朋友着急了,拖拖拉拉讲了一大篇,咱们中国的情形如何呢?

有了前面的知识做铺垫,咱们从这一篇开始,就聚焦中国的STOVL发动机。

事实上,中国对短垂战机的关注很早就开始了。根据新浪军事的报道,1969年初,601所就将短距起落喷气襟翼可变机翼飞机列入专题科研项目。仅仅从专题项目讲,比苏联只晚2年,比美国早10年。但由于各种因素,1972年“四号任务”下马后长期未有音讯。直到2015年3月,中航工业披露了中国海军的STOVL推进系统探索项目。

STOVL战机最核心的问题,其实还是推进系统。有了鹞式和雅克的失落,有了四号任务的下马,这一次,军迷们不免要提出这样一个问题:

中国如果要搞STOVL发动机,需要和正在攻克解决哪些技术难题呢?

这一部分,特别是国内进展,兵器迷了解不多——多了就麻烦了,呵呵。

当然,知道的虽少,但管中窥豹,略见一斑。从完全公开的信息看,中国新一轮的STOVL预研,至少已经进行了十几年。拣几条介绍下,中国STOVL的技术路线是什么,似已初现端倪。

不过,要了解技术难题,自然文字中专业词汇堆砌,非常干涩难解,不仔细琢磨根本如同嚼蜡。兵器迷自己也是囫囵吞枣消化不良。因此,感兴趣的朋友,欢迎探讨;不感兴趣的朋友,请直接飘过。

一、发动机整体设计技术

STOVL发动机最大的特点,就是多设计点和多工作模态。

1、多设计点技术,是指STOVL战机的起飞设计点和垂直降落设计点。研制方需要具备发动机多设计点性能模拟技术,将发动机部件抽象成不同工质、部件及系统构成的数学模型,研制发动机性能模拟专业软件。这个比较好理解。

2、多工作模态设计技术,是指短垂发动机工作的状态模式多变。这个嘛……挠挠头,咱举个例子吧。

比如,在垂直降落过程中,STOVL推进系统就有“打开发动机辅助进气口、打开蛤壳式气门、联通连轴器、调整涡轮导向器、调节喷口(风扇喷管、滚转喷管、三轴承偏转喷管)”一系列操作。

这些操作的接续就是工作模态的转换。在转换过程中,控制变量多,控制过程异常复杂。因此,风扇与发动机之间的转速匹配、功率匹配非常重要,而且还要考虑不同模态下滚转喷管引气时对发动机性能的影响。

多模态设计技术,就是根据发动机工作模态的转换,进行转换区间、原则、控制方法和控制率的设计技术。

点评

STOVL发动机一方面用于推进,一方面用于直接力控制。推力和矢量由双余度全权限数字电子控制系统控制,按风扇转速和核心机压比调节发动机工作,有故障隔离功能。其发动机FADEC控制率和战机整体控制率的难度之高是难以想象的。怪不得F-35B的代码第一版1160万行,目前却已经超过2400万行(F-22的第一版据说才220万行),而且还在增加。

国内方面

某所、军方某部、西南某厂,联合进行了STOVL推进系统关键技术的分析研究,体系化的提出了STOVL推进系统总体设计关键设计技术的相关需求。关键技术的分析和分解,是基础研究的基础,能够将一件复杂事务进行有效分解,也是一种进步。因为只有如此,才能汇集行业各方面的力量,对各种问题进行针对性的研究和逐步破解。

某所预先研究总体设计部(兵器迷眼睛一亮),研究了基于国内某型发动机修改成为STOVL推进动力时,巡航发动机与升力风扇之间的匹配和约束关系。研究表明,基于某型14.9吨推力发动机(兵器迷眼睛又一亮)改STOVL 发动机时,如果仅修改低压涡轮,STOVL发动机总升力可达到15.51吨,而如全新设计主发动机低压部件(低压风扇和低压涡轮),并将涡轮前温度提高87K,STOVL发动机总升力可以达到17.38吨。(比F-35B还是差一点,呵呵。)

二、升力风扇技术

3、对转气动设计技术:STOVL升力风扇一般采用对转结构。而对转风扇的下游叶排转子进口马赫数高,效率偏低。因此需要具备对转气动设计技术,包括叶片级间参数匹配、结构形式、动力传输和气动布局技术。

4、非设计点调节技术:STOVL升力风扇工作模态多样化,侧风和温度畸变影响较大。在非设计点下,第一级静子出口气流角偏离设计点后,对后排叶面造成影响,且与传统非对转结构的结果相反。特别是变转速时,下游叶排工况恶化甚至可以造成失速,需要用可调叶片方式加以应对。或者,变背压方式变工况时,也会造成对转压气机的非设计点性能恶化。因此非设计点如何进行变工况调节,以对抗气流偏离造成的进气畸变,是一项非常重要的技术。

5、噪声、振动、高周疲劳对抗技术:对转造成叶表压强非定常脉动频率几乎加倍,使得噪声和振动能量增加,噪声危害和高周疲劳危险都很大。因此需要采用特殊技术,以降低叶片排之间的非定常干扰。

点评

升力风扇技术,既是STOVL战机柳暗花明的技术创新路线,也是常规涡扇动力从未遇到的技术挑战,美帝在这方面投入巨资,成效显著,但依然不能说有十足把握。看看F-35B一再拖延的试飞和层出不穷的问题,动力问题是关键因素之一,升力风扇又是动力的关键问题之一。这些问题,不仅考验着美国人的头脑,也将同样考验着中国军工人的智慧和勇气。

国内方面

某大学和某所,共同研究升力风扇的减重问题——超重是困扰F-35B多年的痼疾。在常规无对转双级升力风扇的基础上,设计了第一级无静子的对转风扇,叶片数量从160片减少到74片,理论减重效果明显。在与F-35B的升力风扇尺寸相同的情况下,理论升力达到120千牛,比F-35B的88.3千牛高36%。应用畸变三维非定常计算程序,研究了对转双级升力风扇的周向压力畸变和影响,证明对转风扇有较好的抗进口流场畸变能力,发展了在设计阶段就可用计算预估畸变影响的设计方法。该研究为中国升力模拟复杂工况下的进气效率创造了一套新方法,为风扇的创新设计开辟了一条新路子。