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歼20换发动机后喷口仍不隐身 航发材料大幅落后美国
送交者: 大鱼海棠 2017年09月09日07:48:52 于 [世界军事论坛] 发送悄悄话

在F22的设计中,利用发动机和机身的一体化设计实现高效率的隐身、低阻力、以及额外的高效飞行控制手段,是一个极为核心的环节。

  这个环节的实现,依靠的是带有两元矢量喷口的F119发动机。目前国内的歼20,和F22差距最大的环节,就在于发动机——不仅包括发动机本身的推力等性能指标,同时发动机与机身的一体化设计才是更关键的地方。

  苏联时代曾经试图紧密跟踪美国在矢量推力上的研究和发展步伐,但是遭遇到了非常大的困难——两元矢量喷口和圆形矢量喷管相比,设计制造难度上的难度非常高;苏联当时的工业能力,必须要用远高于美国的重量和部件体积作为代价,才能获得近似的基本功能,装在飞机上性能不增反降。

  两元喷口最大、最核心的问题,在于方形、特别是压得很扁的方形喷口;在高温、高压、高速的燃气冲蚀下,受热和受力是极度不均匀的——特别是在上下折流板和侧壁之间的角落区域和缝隙处。

  而由于发动机处于飞机远离重心的末端,为了保持重心的均衡,后头重了前头也得跟着重;因此发动机的增重,一定会被加倍放大到全机上。按照一般设计规律来讲,一直有发动机增重一公斤,飞机空重至少要增重三公斤以上。

  因此两元喷口的核心问题,就在于是否能够以非常轻巧紧凑的结构,实现耐受高温燃气的能力——在绝对重量上,两元喷口面对圆形喷管是完全处于下风的,这毫无疑问。由于本身体积小得多,轴对称喷管使用传统的耐高温合金材料带来的增重依然是能接受的,但在两元上完全不行。

  所以两元喷口这个设计,不仅需要特别高的设计水平,也需要特别高的材料和工艺水平做为支撑,才能发挥出性能上的优势——这不是看得见别人的好处,想抄就能抄来的。

  飞机的制造上,钛合金并不是真正的耐高温材料——它只是相对铝合金和增强塑料(各类复材)来说耐高温。实际上钛在高温下化学性质非常活跃,爱起火而且起火异常猛烈,发动机的传统钛合金压气机叶片一旦起火,4-20秒就会燃烧结束。

  80年代F404等发动机上,耐高温钛合金被应用于温度较低的机匣部件上仍然屡屡起火,甚至有个专门的名词叫“钛火”。

  但是比钛更耐高温的,就只有韧性好、耐冲击,但是异常沉重的钢材和镍基合金;以及更耐热、但是韧性差、不耐冲击的陶瓷材料。

  两元喷口要减重,要轻薄;就必须有轻质、高强度、高韧性的材料。而唯一可行的总体方案,就是以尽量轻的高耐热金属材料做主要的承力结构,用陶瓷隔绝燃气冲蚀,将金属承力结构保护在后面,并且完成吸波等隐身功能要求。

  F22为了控制尾喷管的重量,研制了很多全新的材料——比如50%钛、35%钒、15%铬成分的Tidyne 3515/Alloy C钛合金。这种钛合金被称为“阻燃钛合金”,在激光点燃测试中,起火的燃点比三代机用在发动机区域里的传统耐高温钛合金,高出整整500度。

  实际上不只是钛合金,为了应对两元喷口的苛刻要求,F119的折流板所用陶瓷等其它材料,也同样是相较于传统产品性能有代差性提升的全新产品。

  国内在八五期间跟踪美国进展,也开发了自己的阻燃钛合金;目前较为成熟、而且正在尝试工程化应用的是Ti40,根据2013-2015年间公开论文的披露,该钛合金计划首先用于新型发动机的机匣上——自然也就是涡扇15上。而且目前Ti40的长期稳定工作温度设计在500度,仍然比Tidyne 3515要低10%以上。

  所以歼20与t50不采用两元喷口,最大的理由不复杂,就是能力不足。就现在国内的情况,歼20设计师没有在发动机喷管形式上的选择余地,只能有什么用什么,仅此而已。


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