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两次换“心”,首飞10年才用上国产发动机,浅析歼20坎坷的换发史

作者:世界军武速递

《解放军报》19日发表了歼-20副总设计师龚峰的演讲,其中提到歼20在首飞10年后终于换上了国产发动机。有分析称其采用的这款国产发动机最大加力推力达14.5吨,已经能够媲美苏35S使用的117S发动机,显示经过30多年的发展,太行发动机已经渐入佳境。但是太行发动机并非是歼-20的原始配套发动机,要全部释放歼-20全部的潜力还需要配套的涡扇15发动机。今天让我们来简单回顾下歼20坎坷的换发历程。

两次换“心”,首飞10年才用上国产发动机,浅析歼20坎坷的换发史

歼-20第一次换发——俄制AL-31F-M1应急

正如歼-20副总设计师龚峰在演讲中提到,“过去的发动机(俄制发动机和国产太行)不是为歼-20量身定制的。一方面,我们要想很多办法让飞机去适应发动机,以满足作战需求。另一方面,飞机不得不做出一些让步和妥协”。

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一直以来,歼-20都在等一款合适的发动机。不过这也可以理解,毕竟先进航空发动机的研制时间都很长,美国F-22的配套发动机F-119研制成功用了12年,达到量产标准又用了8年,一共花了整整20年。但是与美国采取的“F-22与配套的F-119发动机同时间研制”的做法不同,涡扇-15的立项研制是在2006年,比歼-20整整晚了9年,验证机交付是在2011年,与歼-20原型机试飞几乎同一时间。不过有可能是我们真的小瞧了五代战斗机发动机的研制难度,歼-20和涡扇-15发动机的后续发展在很长一段时间里给人一种“分道扬镳”的感觉。歼-20顺风顺水,2016年1月18日量产机型首飞,并在同年的珠海航展上公开亮相。2017年7月30日歼-20参加了建军90周年沙场大阅兵,2018年2月9日正式列装作战部队。

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而配套的涡扇-15则遇到了太多的问题,这也导致歼-20不得不紧急“换发”,从第一架原型机开始便使用俄制发动机应急。发动机的型号为“AL-31F-M1”,是俄罗斯“礼炮”生产企业在AL-31F发动机上小幅度优化改进的产品,2005年完成国家定型试验。

AL-31F-M1发动机的军用推力从7.7吨增加到8.25吨,最大加力推力提高了1吨,达到了13.5吨。同时耗油量进一步下降,AL-31F的耗油量约为0.78kg/kgf.h,AL-31F-M1则下降到0.77kg/kgf.h,并且使用寿命延长到4000小时。不过付出的代价就是风扇尺寸从905毫米增加到924毫米,重量也相应地从1.49吨增加到1.52吨。

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AL-31F-M1发动机

结合俄罗斯等媒体的消息判断,中国应该是在2011年前便已经选定了这款发动机作为过渡型号使用,并采购了少量用于原型机试飞。然后从2014年开始批量采购AL-31F-M1发动机,用于装备首批量产型歼-20。

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采用俄制发动机虽然解了燃眉之急,首批歼-20也得以顺利服役。但是AL-31F-M1发动机毕竟只是一款上世纪七八十年代研制的发动机,无法真正发挥出五代机的性能,最重要的一点就是无法让歼-20具备与F-22一样的超巡性能(1.5马赫飞行30分钟)。下面我们用F-22的数据来简单推导下。

歼-20的重量数据官方没有给,不过官方给出了歼-20的尺寸数据:机身长21.2米,高4.69米,翼展13.01米。美国F-22的尺寸数据为:机身长18.92米,高度5.08米,翼展13.56米。很显然歼-20比F-22要更长和更高一些,但是宽度则没有F-22宽。这里我们假设歼-20的重量与F-22相当,也就是正常起飞重量在25.77吨左右(52%内油),最大起飞重量在37.6吨左右。已知F-119-PW100发动机的单台军用推力为105KN,算下来F-22超巡时的推重比为0.83。简单来说,只要歼-20正常起飞重量时的军推推重比能够达到0.83便能实现与F-22相当甚至是更强的超巡能力。已知歼-20装备的俄制AL-31F-M1发动机的单台军用推力为8.25吨,算下来的军推推重比只有0.64,虽然凭借更为细长的机身和更优秀的气动布局,歼-20的跨音速阻力比F-22更低,但一般认为装备俄制发动机的歼-20的超巡能力还是要弱于F-22。

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俄发版歼20

另外,由于发动机并非国产,AL-31F-M1发动机的“全权限数字式发动机控制”(FADEC)无法与歼20的火控系统融合(俄罗斯大概率也不配合),因此俄发版的歼-20也不支持五代机标志性的“飞火推一体化”技术,与完整版的歼-20性能上有着巨大的差距。

当然,俄发版的歼20凭借出色的“隐身性能、超强的感知能力和超音速机动性”,在超视距空战中依然能够轻松秒杀四代/四代半战机。2020年9月14日,官方媒体《解放军报》对东部战区空军某旅进行了报道,其中便提到该旅“王海大队”飞行员陈鑫浩在一次对抗训练中以“零损伤”的代价一举“击落敌机”17架。而“王海大队”正是大陆空军首批换装歼-20的部队。这也表明在与非隐身战斗机的对抗中,发动机并不会成为木桶最短的那款木板。

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歼-20第二次换发——国产太行发动机上位

也因为无法与火控系统融合,再加上为了避免因为发动机被俄罗斯拿捏导致歼-20无法大规模量产。大陆开始了歼-20的第二次换发工作,为其适配国产涡扇-10发动机。

经过18年的研制,太行发动机在2005年便设计定型, 然后开始在歼-11上进行装机试验。不过按照客观规律, 一种全新设计的发动机从设计定型到成熟有一个过程, 而且在使用初期太行发动机也出现了大量的问题, 花费了大量的时间和精力逐个解决。事实上,即使是与太行发动机配套的歼-11B、歼-10B/C在刚开始也依然使用俄制发动机。

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根据网上公开信息分析,太行发动机首次批量装机使用是在2016年服役的歼-16上。而出于可靠性的考虑,与歼-16几乎同时期服役的歼-10C要到2020年才开始全面换装太行发动机。也就是说,太行发动机真正成熟是在2020年。

太行发动机适配歼-20的时间是在2017年,由编号2021的歼-20进行,而这架歼-20也成为第一架百分之百国产化的歼-20。

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不过考虑到五代机与四代机的巨大差异,一直到在去年量产版歼-20才开始全部换装国产太行发动机,成为国内最晚装备太行发动机的机型。至于如何分辨采用俄发的歼-20和采用太行发动机的歼-20 ,方法很简单,看发动机尾喷口,像下图这样尾喷口呈现锯齿状的就算采用太行发动机的歼-20,没有的就是俄发版。

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太行版歼20

而之所以歼-20换发要历时4年之久,主要还是因为换发对歼-20而言是一件牵一发而动全身的事情,飞机的“机体、结构、管路、电路,每个子系统和分系统”都要重新设计。

换装国产太行发动机对歼-20会有什么影响呢?首先就是生产数量将不再会有被别人卡脖子的风险,想生产多少就生产多少。其次,歼-20采用的太行版属于改进型号,单台最大加推达到了14.5吨,达到了三阶段AL-31F-M3发动机的水平,总推力增加了2吨,因此太行版歼-20的加速性能、爬升性能甚至是稳盘、瞬盘性能都有不小的提升,再加上是纯国产发动机,发动机的“FADEC”与火控系统能够无缝融合,太行版歼-20实现了“飞火一体化”,虽然暂时没有推力矢量技术,太行版歼-20的近距格斗机动性依然比绝大部分四代/四代半战机出色不少。拥有中国“心”的歼-20终于实现了“身心合一,内外兼修,神形兼备”!

当然,缺点依然存在,那就是由于发动机军用推力相比AL-31F-M1发动机并没有增加,太行版歼-20的超音速巡航能力并没有提升,依然无法和F-22相比。

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第三次换发什么时候到来?

正如歼-20副总设计师龚峰在演讲中提到的那样,如果我们能用上先进的国产发动机,就会让歼-20摆脱束缚,释放出更大的潜能。那么歼-20需要到什么时候才能换上涡扇-15发动机呢?航空动力专家,工程院院士刘大响院士曾经在2018年的一次公开会议上提到,大陆第四代涡扇发动机(涡扇-15)将在四五年后定型,也就是说涡扇-15发动机最快将在今年定型,慢一点在明年定型。参考美国F-119发动机从定型到装机的时间,涡扇-15大规模装机使用可能还需要好几年。

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