6月,航空周刊网站(报道称,俄罗斯留里卡设计局的首席执行官表示,装配了土星AL-41F-1发动机的苏-57,必须开启加力燃烧才能突破超声速、进行超声速巡航。
俄罗斯中央空气流体动力研究院(下称俄罗斯流体院)在其撰写的《超声速飞机空气动力学和飞行力学》中,总结了俄罗斯从二战结束到20世纪90年代的超声速飞机研究成果,并对高速类飞机的技术水平进行了分代。
发展发动机和空气动力学,需要完成3次主要飞跃:转入超声速,马赫数为2~3;不用加力飞行状态,以马赫数1.7~3.0作超声速飞行;对于机动飞机,不用发动机加力推力,转入马赫数1.5~1.8的超声速巡航飞行状态。
用实际型号举例,米格-21和F-4战斗机是第一次飞跃的典型代表,米格-25/31也没有超出这一范畴。“黑鸟”SR-71、“协和”和图-144等飞机则是第二次飞跃的典型代表。F-22是第三次飞跃的典型代表。
显而易见,在俄罗斯流体院的评价体系中,3次飞跃实际上全部与“超声速飞行过程要不要加力燃烧”直接相关。
这并不难理解:在航空发动机的工作原理上,加力燃烧模式的动力效率是非常低的;它是在技术水平有限的前提下,为了能在极短的时间内获得更高的极限推力,不得已而添加的设计。
首先是极高的油耗,对于绝大多数战斗机,最大加力状态只需持续几分钟到十几分钟,就足以烧净机内所有燃油。
其次,这一状态会对发动机和后机身形成极高的热负荷,如果飞机要能忍受更长时间的加力燃烧,就一定要进行大幅度的针对性强化比如用更多的钢材和镍基合金取代铝合金和钛合金,这在某种程度上预示着后机身将大幅增重。
尤其是对隐身战斗机来说,需要加力维持的超声速巡航不仅会由于高油耗缩短巡航时间和距离;持续性的高温喷流,也会形成强烈的红外辐射等信号特征。
而在相当大程度上,“隐身+超巡”,是五代战斗机实现压制性制空能力的核心基础。
因此,为实现完整的超巡能力,相较于F100、F110这样的典型三代涡扇发动机,F119为代表的四代涡扇发动机,在中高空、超声速状态下飞行时,不加力推重比要达到翻倍甚至更高。
特别是对于双发布局的飞机,发动机喷管能否与后机身实现良好的外形一体化设计,更是减小超巡阻力的决定性因素之一。
F-22和YF-23均采用了喷管与后机身在气动外形上一体化的设计,以有实际效果的减少超巡阻力。
这些都决定了涡扇发动机从三代向四代的突破,对于航空产业的基础能力要求、面临的工程技术难度和风险,远比大多数人想象得更困难。
相比而言,西方航空产业,特别是航发产业的成功之处,在于其首先实现了航空发动机与社会经济互促共赢的循环体制先进的航空理论成果、设计手段、新材料和工艺设备,一方面能够支持具有市场竞争力的飞行器,为经济发展提供优良的物流载具;另一方面,这些先进成果扩散到其他产业,尤其是能源产业后,还能够为社会产生丰厚利润,并强化国家工业基础和经济竞争力。
阻燃钛合金在F119上成功应用后迅速向别的行业扩散。比如用它制成的耐腐蚀精密高压阀门是很多先进化工企业制造高性能低成本产品的核心设备。
但上世纪中后期开始,经济和工业制度的日益僵化使得苏联航空工业乃至其军事工业,对社会“造血反哺”的能力严重不足。
从20世纪70年代末期开始,俄罗斯与西方的技术差距越拉越大,不仅体现在基于电子电气技术的电子化控制领域,甚至传统机械制造领域的高温合金部件生产加工,其基础性的工艺设备,也开始依赖欧洲技术的引进。
比如为实现AL-31发动机的量产,苏联曾通过民用渠道的掩护,从法国引进了大批数控机床,并派遣了大量技术骨干到法国进行专业技能培训。
不利因素包括国内订单和财政拨款急剧减少,训练有素、经验比较丰富的专业骨干大量流失;有利的因素则是与西方关系缓和,甚至有近20年时间与欧洲相当亲密,技术引进变得相当容易。比如在数字化发动机控制技术、先进叶片设计、发动机试验设施建造上,法国为其提供了从技术转让、设计咨询、合作研发等各种各样的形式在内的大量支持。
礼炮集团展示其使用的TURBO-BLISK 1306车床,用于加工涡轮叶片这是全发动机最关键、工作条件最严酷的部件。该车床由西方制造。
在这一背景下,俄罗斯借助军用飞机出口带来的大批量稳定订单和数据反馈,完成了土星、礼炮等关键企业从设计能力到研发制造试验设施的大规模升级。
AL-31发动机家族也正是在这20年中逐渐完备发展,大幅度弥补早期缺陷和改善关键指标,并作为关键性的试验和扩展应用平台,承担起了孵化新一代发动机技术和设计的作用。
总体上,19922014年期间,俄罗斯航发产业虽然总体上在收缩,但是其重点保护的战斗机航发领域依然出现了显著性的快速进步,与西方前沿的技术差距在明显缩小。
比如,礼炮集团在2011年底的规划中,针对99M3等AL-31家族的第三代改进型号,加入了整体叶片等具备典型四代涡扇发动机技术特征的新型重要部件,范围涵盖了低压风扇、燃烧室、高压涡轮叶片等等;而真正的四代发动机型号研制,则计划在20162017年期间启动。
2022年,俄罗斯宣称完成PD-8发动机先进控制管理系统的全国产化,并计划在2023年量产。
但2014年的克里米亚事件,完全改变了俄罗斯的战略外交形势。以法国拒绝交付“西北风”两栖攻击舰为典型案例,俄罗斯与西方的技术引进渠道被严厉封锁,航发产业相关领域尤其是重灾区;经济封锁制裁也随之而来,开启了俄罗斯持续至今的大规模经济衰退。
此外,自2014年以来,俄罗斯航发产业还遭遇了很多其他的坏因对内,苏联末期培养的骨干专家和技术人员,由于自然年龄而不断离开工作岗位;新生代从业人员在数量和质量上难以满足产业高质量发展的需要,从业人口结构和人才断层现象很严重。对外,由于部分海外客户与俄罗斯进行阵营切割、部分客户改用自研发动机,俄罗斯航发的订单量也在不断萎缩。
正是俄罗斯航发产业遭遇的诸多巨大阻力,最后导致了AL-41F-1等型号性能发展的迟缓。从目前的形势来看,俄罗斯航发产业恐怕难以在短期内摆脱艰难处境。
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