豪掷3000亿!歼20发动机追赶F-22发动机推力之路

前言：航空发动机一种需要在高温高压等恶劣条件下使用，具有极高的军事价值、经济价值和政治价值的机械，西方国家长期不遗余力的投资让其一度牢牢占据航空发动机的顶尖水平，并严禁向中国出口其关键技术，也是长期羁绊中国战斗机发展的绊脚石，中国在最近二十年投入几百上千亿巨资，过程曲折心酸，如今终于见到了曙光，近日歼-20隐形战斗机换上涡扇-15发动机首度成功试飞，这是歼-20战斗机的一大里程碑，在解决最后一块拼图后，中国之后的战斗机发展将一马绝尘。

一：强劲发动机对空战的影响

发动机是飞机的心脏，有了先进的航空发动机才能够获得性能优越的战斗机，二战时的“零式”，P-51战斗机无不是凭借着一台强劲的心脏成为战场霸主，拥有更强劲动力的喷气式发动机诞生后，安装这种发动机的战斗机在爬升率、加速性都远远超过安装活塞式发动机的螺旋桨战斗机，螺旋桨战斗机要十分钟才能爬到的高度喷气式战斗机只要两分钟，喷气式发动机推力越大在制空作战中就越有优势，早期喷气式战斗机安装的是油耗很大的涡喷发动机，第一代涡扇发动机虽然油耗低，但推重比也低,无法用于战斗机。

第二代涡扇发动机推重比达到5-6，与涡喷发动机差不多了，于是开始成为战斗机发动机，以美国的F100、F110、F404，苏联的RD-33和AL-31F发动机为代表的第三代涡扇发动机推重比达到了8.0，使得战斗机的推重比从50年代的0.3~0.4，到60年代的0.7，再到80年代的1.0-1.3，更强大的推重比给战斗机带来更快的飞行速度、更高的升限、更优秀加速性能和空中机动性能，使战斗机有跨代优势，在空战中有更大胜算，作为世界第一种第五代战斗机，超机动性是F-22战斗机4S标准之一，F-22安装的F119发动机单台加力推力比F-15战斗机增加50%，达到156千牛(15.9吨)，在24.3吨的标准空战重量时，推重比接近1.4。

F-35安装的F135的性能和技术水准还高于F119，不过，考虑在单发重量低、结构效率高、气动阻力小，双发需要更宽的机身、更大的钛合金隔框，更多的载油系数，加上美国人认为F-35只要雷达、航电、导弹、信息能力等方面领先同样可以碾压所有可以找得到的第四代战斗机，所以F-35战斗机只安装了一台F-135型发动机，这台发动机推力达到了178千牛(18.2吨)，但F-35战斗机空战状态下重量是18吨，这台推力空前巨大的战斗机发动机只能使F-35战斗机的推重比勉强达到1.01，还不如F-15，F/A-18战斗机的1.3。

虽然安装一台大推力发动机的中型战斗机比安装两台中推力发动机的中型战斗机有减轻结构的优势，但安装两台大推力发动机的重型战斗机又比安装1台大推力发动机的中型战斗机有推重比优势，推重比会影响到战斗机的爬升率，而爬升率是战斗机最为重要的飞行性能，空战中爬升得越快就能越快占据有利的空战位置，2018年，F-35与F-22战斗机进行模拟空战，F-35和F-22在同一高度同时开始爬升占位，每一秒F-22可比F-35爬升多100米，始终保持着高度优势从容选择攻击时机，而F-35的位置几乎完全处于劣势，推重比也影响稳定盘旋能力，推重比较低的的F-35会在在盘旋中因能量损失大和补充能力不足而越来越不利。

在飞行速度上，F-35最大速度只有1.6倍音速，而且只有开加力才有几分钟的超音速飞行时间，正常巡航速度只能是高亚音速，而F-22最大速度达2倍音速，可以以1.45马赫的巡航速度飞行半小时，假设要拦截580千米外的敌机，F-22从进入起飞跑道到抵达作战空域只耗时25分钟，以高亚音速飞行的F-35则要50分钟，如果都按25分钟抵达作战空域为标准，F-35的防空覆盖区只有F-22的四分之一，一架F-22的控制空域，需要四架F-35才行，在F-22和F-35的对抗中，F-22依靠速度和爬升率优势，总处于更有利的占位，就算F-35占有数量优势也会被F-22的绝对性能优势抵消。

二：中国航空发动机的麻烦

21世纪前，中国战斗机都存在“近视眼”和“心脏病”两种顽症，近视眼就是机载雷达，2000年以前中国的机载雷达性能非常低下，在近20年对电子工业的海量投资下，中国的机载雷达性能突飞猛进，完全压倒了欧洲和俄罗斯，和美国也不相上。但作为“心脏病”的航空发动机，中国航空工业一直只知其然不知其所以然，在21世纪之前，中国的航空发动机全是仿制和从国外购买的，歼-7用的是仿制的苏联R11发动机，歼-81I战斗机用的是仿制的苏联R13发动机，“飞豹战斗轰炸机使用是购买的英国“斯贝”发动机，仿制的涡扇-9发动机用了30年才能仿制成功，

自研的航空发动机一直受技术工艺、加工精度、大修时距、数字控制系统等问题困扰，直到2002年涡喷-14“昆仑”涡喷发动机研制成功后，中国才掌握了航空发动机全部研制环节，“昆仑”发动机是中国第一台完全自行设计、试制、试验和试飞的发动机，可以说是中国航空动力的跨越和地基。这台发动机从1983年开始设计，选用了涡喷-13发动机的低压压气机和“斯贝"发动机的高压压气机，并参考涡扇-6以及涡喷-15发动机设计的燃烧室、高低压涡轮和加力燃烧室，相继攻克高低压压气机的不匹配，涡轮叶片根部断裂，高速喘振停车、管路渗漏油.空中滑油消耗量大、舱温高、加力脉动、加力点火成功率低、切断加力停车等十几项重大技术难关，最终在2002年定型。

纸面上，“昆仑”发动机推力大，油耗低，性能非常不错，但是装在歼-8F战斗机上振动和空中停车犹如家常便饭，仅仅生产了100台就被部队认定发动机根本不能用，把装了“昆仑”发动机的战斗机退回沈阳飞机制造厂，最终项目不了了之。歼-10战斗机的发动机原计划是仿制米格-23的R-29涡喷发动机，这种发动机推力11.3吨，缺点是重量高达1.8吨，油耗巨大，鉴于“昆仑”发动机问题太多，空军并不看这个极度落后的涡喷-15发动机，为了给歼-10战斗机配套涡扇发动机，1987年正式立项涡扇-10“太行"发动机。

“太行”发动机3+9+1+1的架构其实不错的，总压比、效率、喘震余度高于AL―31F，设计推力高达129.97千牛，推重比在7.5以上，核心机技术是八十年代引进的CFM56发动机，CFM56发动机源自著名的F110系列发动机，但CFM56是民用发动机，高压压气机的增压比太高，流量又偏小，裕度很小，AL-31、F100和F404发动机增压比在21~25之间，“太行”达到了32，结果造成燃烧室进口温度比F100、AL-31发动机高了100多度。以现代航空发动机的技术而言，涡轮的耐温提高10-20度已经非常困难，F110系列发动机花了十几年搞岀三代单晶叶片才解决问题，中国连第一代单晶叶片也搞不出，只好采用复杂的冷却和加重加厚的定向凝固金属涡轮，导致发动机过重和涡轮频频破裂飞散喷零件，

另一个严重问题是分开设计的风扇和核心机无法配合，风扇在某些状态下流速下后面的压气机就无法工作了，导致非常容易空中停车，还有工厂制造水平不匹配，擅自改动生产工艺，由于不断拖沓，样机从87年到98年还没有经过任何机载测试，歼-10只安装了飞了一次就拆下来送回工厂，所以成飞只有暂时用俄制AL-31FN发动机给歼-10战斗机配套，AL-31发动机推力比F100-PW-100发动机大1.7吨，而且有现货，只是需要向俄方研发费用将附件机匣从本体上方移动到下方,拆掉内外涵流道的分流隔板以安装歼-10上，改型后重量减轻23千克，长度少40毫米，其他不变。

三：涡扇10发动机

安装AL-31FN发动机试飞成为后，中国花了2亿美元购买了54台AL31FN发动机开始批量生产，但交付部队后坠毁了几架，多数问题是AL-31F发动机过度追求减重，发动机润滑要求偏低，轴承加工工艺又差，封严技术7落后，最终导致抱轴停车坠机，而俄罗斯的都是双发战斗机，单发停车也不会坠机，所以中国多次提出让俄罗斯解决润滑问题，俄罗斯都不答应。但中国也没办法，成飞两条生产线一年共可下线40架歼10，首批54台AL－31FN于2002年交货后装备了40架歼10A后，第二期又引进了100台，全部应用于歼10。

而歼11的生产和SU27升级的AL－31发动机还要另行采购，预计要花12－14亿美元引进多达200~400台，原本高层计划仿制这种发动机，但航空工业17位院士联名反对，认为会毁灭国内航空发动机研发，因此没有引进AL－31F发动机的生产技术，但“太行”发动机试车中经常生产压气机四级盘破裂，不明“怪响”，滑油管裂缝，“突停”，，几乎各个测试环节都有问题，2003年就“先后发生200多项各种技术问题和故障，5次试飞中3次出现“特情”。

2004年定型考核试飞也发生左发“突停”，幸亏试飞员使飞机单发着陆，考核”以失败告终，种种问题暴露出606所和黎明厂质量管理和人员工作作风的问题，国家甚至下达了“不换思想就换人”、考核不过就下马的命令，同时中国与俄罗斯签定250台AL－31FN的引进协议，总金额价值11亿美元，并紧锣密鼓的洽谈引进AL－31技术，面对压力，606所召开誓师签字大会，终于2005年11月通过最后的检测关，2006年歼11刚刚量产，年产17架，这个批战机要40－45台发动机，早期采用的是AL3IF发动机，后续生产的则采用了“太行”发动机。

采用这些发动机的歼11B战斗机三年间爆发了了2万多个不同类型的问题和故障，是"昆仑"的故障好几倍，装备“太行”发动机的歼-11战斗机甚至还上不了青藏高原，空海军坚决要求整顿发动机工业，彻底解决“太行“问题，606研究所成立了三个团队，分别进行研究攻关，A组主要工作是修正发动机主要问题，排除了制造工艺以及结构问题，B组主要工作是设计单晶涡轮叶片，实现发动机的可靠性和将推力增加到137千牛，C组主要工作是重新设计的风扇、高低压涡轮，燃烧室，加力燃烧室以及尾喷管，提高的可靠性，寿命，维护性能和将最大推力增加到145千牛。

经过10年左右的奋斗，“太行”B发动机正式定型,基本稳定了质量，可靠性基本和AL-31发动机持平，新生产的“太行”B发动机最大推力达到13.5吨，比AL--31F提高0.5吨，推重比达到8，与俄罗斯的117S相当，歼-11B换装后空战推重比达到1.2，使用寿命达到2000小时，比AL-31FN高出一倍，接近F100-PW-220发动机，全权限数字电子控制系统可以从传感器中获取数据，可改变喷口面积、监控发动机状态、诊断故障，对飞机性能提升带来本质性的改变,是中国在航空发动机的原材料、加工、设计等领域的重大技术突破，2016年后新出厂的战斗机全部装备了“太行”发动机。

四：涡扇15发动机

歼-20战斗机也是基于高空高速思路发展的制空战斗机，2000年开始策划歼-20战斗机时技术指标都对标F-22战斗机，只是空军和航空部门对当时的技术都比较悲观，所以隐身指标初步设定在0.4平方米，作战半径指标设定在1500千米，超音速巡航指标设定在1.4马赫，歼-20战斗机在2007年正式立项时，配套的涡扇-15也同时立项了，要求是涵道比0.3以下，涡轮前温度2000度，推力15.5吨，推比为10，但这仅仅是立项，真实的涡扇-15连影子都没有，歼-20开始试飞的前后，黎明公司已经生产了266台“太行"A，工作寿命等尚不及AL-3IF发动机，为了确保安全，试飞的歼-20采成熟的AL·-31发动机。

虽然AL-31很落后了，但歼-20采用了大量新材料，新技术和新工艺，空重只有15吨，气动布局设计优秀，升阻比在5~6之间，优于F-22，使用AL-31发动机也可以进行1.5马赫巡航，不过AL-31发动机不是以长时间超音速巡航设计的，最大推力时间限制在5分钟内，长时间最大推力非常伤发动机，每超时每一分钟涡轮检修间隔就要缩短3-5小时，从2016年开始，歼-20歼-20终于慢慢换装“太行”B发动机，最明显的改变就是发动机尾部喷管成锯齿化状，“太行”B发动机自重1700千克，和AL-31系列类似，和AL-31可互换安装，因此换装无需做多少调整，

改进的“太行”B发动机最大加力推力是14.2吨，只要2.5吨推力就可以让歼-20以1马赫巡航，歼-20标准空战重量是20.3吨，最大加力推力时推重比接近F-22，不加力最大推力为8吨，比F119少2吨，所以歼20的气动设计几乎达到完美，但机动性很难超越带二维矢量喷嘴的F-22，不过“太行”B发动机只是涡扇-15发动机一时半会上不来的替代品，中国空军苦苦等待的涡扇15核心机已在2005年完成研制，这台核心机源自雅克-141的R-79B-300发动机，中在1996年从俄罗斯引进了设计图纸和技术资料并进行了十年研究，突破了120余项关键技术，在2011年交付验证机，2015年开始进行高空台实验。

涡扇15发动机由10个单元体组成，设计和F119很相似，采用了较高的涡轮进口温度、中等总增压比和比较低的涵道比，应用有损伤容限和高效率的宽弦叶片，三维粘性叶轮机，整体叶盘风扇和压气机、单晶气冷涡轮叶片、粉末冶金涡轮盘，复合材料外涵机匣、整体加力燃烧室，陶瓷喷管调节片、三元矢量喷管和双余度全权数字电子控制系统，第一款型号推力是16吨，涵道比是0.3，装备涡扇15发动机的歼-20超音速巡航速度能达到1.7~1.8马赫，爬升加速更可观，空战中面对F22时就像前文所说的F22面对F-35一样了，当推重比在10以上，最大推力在18吨以上、配备矢量喷管的涡扇15发动机装备后，将会补齐歼-20最后一块短板，彻底发挥出歼-20的所有性能时，F22就成了昨日黄花了。

五：结语

中国航空发动机这二十来年经历了无数困难和艰辛，仅仅在20年里投入多达3000亿人民币研发资金，不舍的努力终于收到了丰硕的成果，和美俄有了一较高下的能力，现在多款先进涡扇发动机项目正在齐头并进，未来还会投入3000亿人民币，在5到10年时间里超越美国，美国当年也是仿制英国喷气发动机起家，也经历过F100-PW-100发动机的惨痛麻烦，美国可以超越英国，中国当然也可以超越美国，科技永无止境，没人可以永远领先的。