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深度:太行发动机对舰载机影响(二)
送交者: x-file 2015月02月03日15:59:55 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话
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深度:太行发动机对舰载机影响(二) 一方式助起降航母

2015年02月03日 11:06  新浪军事 微博 我有话说(156人参与) 收藏本文
资料图:王伟所在海航部队已批量换装新型歼11B重型战机资料图:王伟所在海航部队已批量换装新型歼11B重型战机

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  (接上文)五、太行的艰辛与遗憾

  由于我国航空工业基础较弱,工程经验不足,某些三代机使用的典型技术在我国或者小批试用阶段,大规模应用尚需时日。例如大直径粉末冶金盘、单晶涡轮叶片、全权限数字式控制等。   

  我国研制的第一代大直径粉末冶金盘,其技术状态尚不稳定,制造工艺还欠成熟,因此定型批的“太行”涡轮盘材料仍旧是GH4169镍基变形高温合金,这势必限制了发动机的性能发挥,也不利于型号寿命。

  目前,“太行”的控制系统仍是液压机械-模拟电子混合式,相当于前苏联80年代中后期的水平,而西方的发动机早就用上了数控装置(F119使用的是第三代“双-双”余度FADEC,即两个FADEC装置同时控制)。随着航空技术的进步,控制系统已不再是简单的“供油附件”,而是对保障发动机稳定运行、性能发挥起着决定性作用。“肌肉发达、头脑简单、反应迟钝”的型号亳无疑问是失败的设计!当代先进控制系统是集光、机、电、信息与控制技术于一体的高科技产品,技术难度大,研发费用高,国外资料统计,大中型发动机控制系统的研制费用要占到全部研发经费的15%-25%。

  过去很长时间,我国对发控技术的重视程度及研究力度都不够(国内一直存在着“重性能、轻结构,重主机、轻系统”的倾向,在型号研制中通常要到验证机、甚至是原型机阶段才考虑控制等系统的研制),工程经验主要来自仿制与改型国外的成熟产品,技术储备也无法满足型号需要。在研制“太行”时就遇到了控制系统瓶颈,以致不得不暂时放弃先进却不稳定的数字电调,通过借鉴AL-31燃调的设计经验,并经适当改型后应用于“太行”发动机。虽然地面试车时发动机表现正常,可随着试验范围的逐步扩大,到髙空模拟试验及试飞阶段(尤其是在高空小表速区域)就暴露出起动、加速性能差等问题。后经修改设计,加速性有所改善,但是一系列新问题又接踵而至----地面起动时间长、热天条件下起动困难、空中起动性能恶化等严重问题,直接影响了型号的研制进度与最终定型。简单地说,引起上述问题的根本原因是移植的“斯拉夫大脑”与“盎格鲁撤克逊血统的身躯”发生了“排异”。

  当初引入AL-31燃调系统时,我国还没有掌握三代机控制系统的设计技术,试验设施也落后,而型号进度又限制了设计人员对原型机控制原理的深入研究,所以有不少参数就直接采用了原准机的设计值。事实表明,这种做法给“太行”研制带来了不小的麻烦(说到底,“太行”的控制与主机技术都是建立在“舶来品”基础上的,要把两种不同风格的产品揉合一体、特别是无缝隙匹配,必须在“吃透”原型设计的前提下方能实现,其难度不亚于全新研制。

近日,网络上曝光了一组中国空军歼-10与歼-11战斗机进行空中对抗训练的画面。可以看到战斗场面十分激烈,歼-10战斗机突然做出大机动左转意图摆脱后方歼-11战斗机的锁定,歼-11也同时减速向右下方大角度机动,欲内切再次获得攻击占位。(鸣谢:超大军事 zhang81zhang)  资料图:近日,网络上曝光了一组中国空军歼-10与歼-11战斗机进行空中对抗训练的画面。可以看到战斗场面十分激烈,歼-10战斗机突然做出大机动左转意图摆脱后方歼-11战斗机的锁定,歼-11也同时减速向右下方大角度机动,欲内切再次获得攻击占位。(鸣谢:超大军事 zhang81zhang)

  针对“太行”加速和起动性能差等问题,沈阳606所与西安113厂等参研单位进行了艰苦的联合攻关,前后研究验证了3套改进方案。通过大量地面和高空台的对比试验,最终第三套方案被确定为控制系统的定型状态。试验结果显示,改进方案(同时还换上了增大功率的燃气涡轮起动机)与发动机配合情况良好:“……地面冷、热起动兼容且起动时间相对缩短,在髙空台、45°C的条件下,均能够在型号规范规定的时间内可靠起动,在3570米高原,常温和高温起动都能够成功;高空小表速加速性问题得以根本解决(加速时间达到规范要求值,没有出现转速不跟随的情况);惯性起动、风车起动的可靠性比原方案有了较大提高。”随后又进行装机试飞,同样取得了满意的结果。

  采用改进型控制系统的具体成效表现为:地面起动时间从原来的90秒减少到60秒即可保证全部起动成功;髙空小表速加速性差的问题彻底解决,空中加速时间缩短到8秒以内,和AL-31相当;空中起动可靠性大幅改善,据有关资料介绍,经试验得到的可靠风车起动左边界高度69千米,表速范围在500?550千米/小时,相当于AL-31的水平,优于F110-GE-400。此外,经修改髙压压气机导叶角度,消除了“太行”在外场试飞中曾经出现的“响声”问题……

  解决“太行”控制设计中的关键性难题为型号设计定型扫清了最大障碍,同时也探索出一套宝贵的控制系统工程设计方法,对于大推力发动机的加速、起动规律设计具有普遍的指导意义。

  “太行”舰载改型的挑战

  “逆水行舟,不进则退”一在庆功的同时我们也要清醒看到,已落后在起跑线上的“太 行”发动机,其稳定性、成熟性相比俄制型号仍处于下风。我国舰载机的装备数量有限,对发动机的各项要求却很高,AL-31CM的出现势必会冲击国产型号,面对强手如何应对将考验我国航空人的智慧与能力。

  一、“太行”发动机通过生产定型、批量装 备是其改型成功的先决条件

  设计定型的发动机还仅是在技术状态上达到型号规范要求,具备成为生产型发动机的基础。但是由“小批生产、领先试用”向“批量生产、正式装备”的转变则又是一次严峻挑战,尤其是对以前从未批产过第三代军用发动机的企业更是如此。即便是美国,1986年F100-PW-220转入正式生产时也遇到了许多生产技术难题,影响了发动机的交付使用(比原计划晚了近一年)。近期是“太行”发动机生产工作的关键阶段,负责批生产的沈阳黎明公司正全力以赴地完成“太行”基本型的生产定型鉴定与交验工作。

近日,网络上曝光了一组中国空军歼-10与歼-11战斗机进行空中对抗训练的画面。可以看到战斗场面十分激烈,歼-10战斗机突然做出大机动左转意图摆脱后方歼-11战斗机的锁定,歼-11也同时减速向右下方大角度机动,欲内切再次获得攻击占位。(鸣谢:超大军事 zhang81zhang)  资料图:近日,网络上曝光了一组中国空军歼-10与歼-11战斗机进行空中对抗训练的画面。可以看到战斗场面十分激烈,歼-10战斗机突然做出大机动左转意图摆脱后方歼-11战斗机的锁定,歼-11也同时减速向右下方大角度机动,欲内切再次获得攻击占位。(鸣谢:超大军事 zhang81zhang)

  二、通过耐久试车考核和可靠性增长措施,确保达到较高的可靠性

  “太行”发动机的型号规范是根据与美军标准等效的“GJB241-87通用规范”编制的,在研制过程中注意吸取国内外型号的经验与教训,大力加强可靠性问题的研究及试验力度,因此笔者认为“太行”的“四性”(潜力〕是有一定优势的。

  不过,刚定型的“太行”发动机成熟度不髙,离空军的使用要求还有一定差距(现役AL-31的首翻期也有500小时)为了缩短新型号的“成熟过渡期”,西方发动机生商普遍采取“定型后加速循环耐久试验” 即或者类似项目,即在发动机定型前后继续进行多项旨在考核耐久性、可靠性的试验,及早暴露并解决存在的隐患。F100、F110定型后都安排了PACER计划,试验科目包含加速任务试车和加速模拟任务持久试车等。国内新机研制中也参照了国外的成功做法,比如为达到发动机的寿命指标并建立翻修标准,“昆仑”发动机在设计定型后增加了主要旋转部件和承力构件的寿命试验、整机两个翻修期的低周疲劳试车和1500小时总寿命加速任务试车,同时对发动机附件也提出了相应的“三期”要求,还对领先使用的发动机进行分阶段抽样返厂分解检查等措施……有了“昆仑”、“秦岭”发动机开拓性的实践,研制部门可以为“太行”制定出更加完善的定寿程序和可靠性增长计划,在较短时间内把型号首翻期延长到500小时以上,下一步则是达到“秦岭”的翻修寿命水平(850小时),同时,平均无故障间隔、空中停车率、提前换发率等可靠性指标也能够达到成熟值。

  三、舰载机发动机的特殊技术要求

  舰载机动力装置的特殊要求可概括为:

  “三抗”----抗进气畸变,抗过载,抗贫油

  “三性”----加速性,操纵性,维护性

  “四防” 一防盐雾,防湿热,防霉菌,防烟熏。

  压气机系统的防喘、抗畸变技术:压气机是稳定性相对比较脆弱的部件,易受各种因素(降稳因子)的影响,严重时会导致发动机熄火,所以必须采取多种措施来提高定工作裕度,这也是改善发动机适用性的先决条 件之一。

在中国航空博物馆新馆航空发动机展区,陈列着两部航空发动机实物。分别是中国国产FWS10太行发动机与俄制AL-31F航空发动机。这两型发动机均可装备国产歼11及歼10战机。逐步成熟化的太行发动机未来将取代俄制AL-31F成为国产战斗机的主要动力装置。  资料图:在中国航空博物馆新馆航空发动机展区,陈列着两部航空发动机实物。分别是中国国产FWS10太行发动机与俄制AL-31F航空发动机。这两型发动机均可装备国产歼11及歼10战机。逐步成熟化的太行发动机未来将取代俄制AL-31F成为国产战斗机的主要动力装置。

  “太行”现有的压气机已具有较高的喘振裕度,综合性能超越AL-31,为进一步提高其防喘能力,还可采用如下方法:

  1、应用机匣处理技术。参考EJ200、AL-31的做法,在风扇机匣沿周向设置机匣处理装置,即在机匣内壁开设处理槽,其作用是使气流周期性地进入处理机匣,然后再从前端射入主气流,形成叶尖区的一股回流。与实壁机匣相比,釆用该技术能够有效延迟压气机不稳定工况的发生,显著增加喘振裕度。这是一种比较成熟的增稳措施,过去多见于涡喷,而现在其重要性又被重新认识。处理机匣的构造比较简单,对于发动机重量、结构等影响也不大。

  2、控制系统与自动防消喘的一体化技术。“昆仑”发动机已使用了数字式防喘系统,由此推测“太行”应该也安装了类似装置,未来还计划换装全权限数控”(FADEC),这就能实现防/消喘与控制系统的一体化,大幅增强其防喘功能。防/消喘系统是在感应到失速或喘振征兆时,釆用某些措施来防止或消除喘振,例如调整导叶角度、放大喷口、 重调进气道、瞬间切油等。其中瞬时脉冲切油是通过降低发动机的转速来消除喘振,然后再迅速恢复到正常的工作状态。倘若遇到严重的不可恢复性失速,就要采取熄火---再起动的极端措施。消喘过程要求对发动机性能影响尽可能小,恢复时间尽量缩短。

  3、防喘主动抑制技术。感受到喘振前兆后,可利用控制系统迅速作用于与压气机相连的容腔来抑制喘振。

  如果未来能把三维气动设计的宽弦叶片和全权限数控/主动防喘等技术结合起来,那么“太行”的防喘能力将有更大的改善。

  四、数字化“大脑”----全权限数字式控制系统(FADEC)

  美苏研制第三代舰载发动机时,FADEC刚兴起不久,F110和AL-31都没能应用到该技术。然而20多年后的今天,航空发动机已进入數字控制时代,FADEC系统已成为发 动机的标准配置。可是由于国产电调的可靠性及电磁兼容性欠佳,“太行”至今还与“FADEC“绝缘”,笔者认为,“太行”的舰载改型必须配置FADEC,这是提高发动机四性指标的关键举措,也是增强发动机综合竞争力的必然途径。

  80年代初,美国普。惠公司曾做过研究,TF30改用第一代FADEC后,舰载机复杂的自动油门系统、进气道控制系统、飞行速度调整系统等都被取消,重量减轻了32.68千克,零件数目减少15个,而发动机“四性”推力、油耗等均有不同程度的改善。

近日国内网上流传出一张疑似歼-11BS 532号战机配备国产太行的照片,从图中看,太行发动机所用的收敛片颜色深黑,与大家熟知的银白色不同,可能系新版的改进型号  资料图:近日国内网上流传出一张疑似歼-11BS 532号战机配备国产太行的照片,从图中看,太行发动机所用的收敛片颜色深黑,与大家熟知的银白色不同,可能系新版的改进型号

  国外把发动机数控技术视为核心机密,对我国严密封锁。其实我国对技术的研究并不算晚,上世纪70年代起就开始了跟踪研究,80年代后期又将FADEC列入国家计划,并取得了重大进展。该计划是以涡喷-13AII发动机为验证平台,研制了满足型号全飞行包线需要的全权限、数字式(涡喷型)控制系统上天样机。在装机试飞前,验证机完成了各项试验测试,其中包括累计108小时的台架试车和19个试验点25小时的高空台模拟试验。2002年,一架左发换上数控的歼八II试验机开始了试飞,总共完成39个架次飞行和100多项试验任务。试飞表明数控系统在各种试验状态下都能稳定工作,发动机的加、减速均有改善,比原来型号缩短了2-3秒。发动机的适用性大幅提髙,功能也得到增强,实现了部分无约束操作。加力接通和切断过程平稳,数控装置双通道之间转换无扰动,数控和机械备份系统间切换平稳,安全。涡喷FADEC的研制成功标志着我国己初步掌握了FADEC系统的关键技术,并为将来工程应用提供了技术储备。

  在涡喷FADEC试飞的同时,两型涡扇用数控系统也在研制之中。大、中推力涡扇型系统样机已于“十五”末进行了地面台架试验,并在2006年的珠海航展上展出。这套系统是由中航动力控制系统研究所负责研制的,具有控制变量多、多余度设计、耐恶劣环境、能实现多变量、容错、性能寻优控制等特点,并具备发动机状态监控、故障诊断与容错、实现与飞机的交联等功能,总体性能达到西方90年代服役的第二代数控系统水平,经修改设计后即可用于“太行”、“泰山”或者AL-31等型号。按照计划,涡扇型FADEC验证机将于2010年前完成飞行试验并通过设计定型。“太行”发动机配备数字化“大脑”的那一天已为期不远。

  五、舰载机特殊的起降方式对发动机设计的挑战

  现代舰载固定翼飞机的起降模式通常有两种:一是垂直或短距起降,著名的“鹞”式战斗机就是代表; 另一种则是目前的主流方法---甲板上弹射起飞/拦阻索阻拦着舰。相对于陆上常规起降,后一种方式的难度髙,风险大,是舰载机研制中一项重大技术课题。

  舰载机弹射起飞过程中,航母是不断运动的舰艏大气扰动、飞行甲板的纵倾、横摇和升沉运动等对起飞的影响不容忽视。弹射装置工作后能使飞机在2、3秒时间内、通过70-90米的甲板就加速至离舰速度(将近300千米/小时),飞机承受的纵向过载峰值可达5g以上,而着舰时,舰载机在助降系统导引下:沿标定下滑通道硬着舰,即撞击式着舰,然后通过制动拦阻索强制在50-70米距离内减速制动。着舰环境是比较复杂的,飞机要受到航母航行时舰尾形成的“公鸡尾”气流(舰尾处气流呈现突然下沉、然后再上升的现象)、着舰区域紊流、舰体运动等因素综合影响,所以降落过程中对飞机速度姿态和降落轨迹进行精确控制是最核心的课 题。为使着舰速度保持在规定值(例如F/A-18进入下滑道后的速度是240千米/小时),普遍采用自动油门系统 调节发动机推力,控制飞机进场速度保持在一个恒定值。一旦着舰失敗,就要求迅速复飞,此时飞行员立刻 把油门推到最高功率位置,因此发动机必须具有快速的推力响应特性(为缩短反应时间,进场时发动机一般工作在85%-90%的军用状态)。所谓推力响应是指发动机随着油门杆角度变化而产生的推力瞬变速率,响应度越快,就越有利于着舰失败后实施复飞的操作,该项特性是衡量舰载机发动机设计优劣的关键指标。笔者认为采用FADEC系统是目前针对起降问题最适宜的技术措施。

最近网络流传的一张模糊的照片显示,疑似有四架量产型歼15战机同时出现在辽宁号航母飞行甲板上。与以前经常曝光的黄皮歼15战机不同的是,这四架歼15全是海军灰涂装,这无疑标志着辽宁舰朝着形成战斗力的一天又近了一步。(鸣谢 飞扬军事论坛海上孤狼)  资料图:最近网络流传的一张模糊的照片显示,疑似有四架量产型歼15战机同时出现在辽宁号航母飞行甲板上。与以前经常曝光的黄皮歼15战机不同的是,这四架歼15全是海军灰涂装,这无疑标志着辽宁舰朝着形成战斗力的一天又近了一步。(鸣谢 飞扬军事论坛海上孤狼)

  前面提到舰载机在起降时要承受相当大过载,所以发动机结构必须进一步增强。舰载机发动机不但承受大的纵向过载,还有很高的横向过载及冲击负荷,这是对结构设计的极大挑战。F110舰载改型时,非常注意结构部件的抗过载能力,设计留有较大的裕度。在承力结构静载荷试验中(由进口承力框架、风扇机匣外涵道和核心机模型等组成的试验件),系统顺利完成最大载荷能力的考核(极限载荷或额定工况载荷的1.5倍),测试部件没有 出现变形等问题。同样,“太行”上舰载机也必须注意其结构强度的可靠性,特别是主轴轴承、安装节、加力燃烧室、部件连接结构(安装边、螺栓)等。

  六、舰载机的“四防”措施

  上文提过,“四防”是指防盐雾、防湿热、防霉菌和防烟熏。舰 载机长期工作在海洋环境中,腐蚀性的盐雾、湿热空气、海水等对发 动机部件均构成了严重威胁,因此“四防”设计是舰载发动机设计的又一关键。为了更好地适应航母的工作环境,可采取以下技术措施:

  1、结构材料上尽量选用不易腐蚀的材料,如钛合金、合金钢等,对某些容易腐蚀的合金(如铝合金)必须进行表面防腐处理;

  2、精心设计金属零件表面的防护处理工艺,避免或减轻双金属接触腐蚀;

  3、复合材料表面的防护涂层;

  4、电子、仪表设备应采用密封等方法,防止与腐蚀介质接触;

  5、制定严格细致的维护程序,定期对发动机进行清洁维护,降低腐蚀的影响。

  除上述内容外,舰载机发动机的特殊要求还包括了起动性能、维护性、包容性、抗贫油、降噪等诸多方面,限于篇幅,不再一一展开论述。(作者署名:舰载武器)

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