在F22的設計中,利用發動機和機身的一體化設計實現高效率的隱身、低阻力、以及額外的高效飛行控制手段,是一個極為核心的環節。
這個環節的實現,依靠的是帶有兩元矢量噴口的F119發動機。目前國內的殲20,和F22差距最大的環節,就在於發動機——不僅包括發動機本身的推力等性能指標,同時發動機與機身的一體化設計才是更關鍵的地方。
蘇聯時代曾經試圖緊密跟蹤美國在矢量推力上的研究和發展步伐,但是遭遇到了非常大的困難——兩元矢量噴口和圓形矢量噴管相比,設計製造難度上的難度非常高;蘇聯當時的工業能力,必須要用遠高於美國的重量和部件體積作為代價,才能獲得近似的基本功能,裝在飛機上性能不增反降。
兩元噴口最大、最核心的問題,在於方形、特別是壓得很扁的方形噴口;在高溫、高壓、高速的燃氣沖蝕下,受熱和受力是極度不均勻的——特別是在上下折流板和側壁之間的角落區域和縫隙處。
而由於發動機處於飛機遠離重心的末端,為了保持重心的均衡,後頭重了前頭也得跟着重;因此發動機的增重,一定會被加倍放大到全機上。按照一般設計規律來講,一直有發動機增重一公斤,飛機空重至少要增重三公斤以上。
因此兩元噴口的核心問題,就在於是否能夠以非常輕巧緊湊的結構,實現耐受高溫燃氣的能力——在絕對重量上,兩元噴口面對圓形噴管是完全處於下風的,這毫無疑問。由於本身體積小得多,軸對稱噴管使用傳統的耐高溫合金材料帶來的增重依然是能接受的,但在兩元上完全不行。
所以兩元噴口這個設計,不僅需要特別高的設計水平,也需要特別高的材料和工藝水平做為支撐,才能發揮出性能上的優勢——這不是看得見別人的好處,想抄就能抄來的。
飛機的製造上,鈦合金並不是真正的耐高溫材料——它只是相對鋁合金和增強塑料(各類復材)來說耐高溫。實際上鈦在高溫下化學性質非常活躍,愛起火而且起火異常猛烈,發動機的傳統鈦合金壓氣機葉片一旦起火,4-20秒就會燃燒結束。
80年代F404等發動機上,耐高溫鈦合金被應用於溫度較低的機匣部件上仍然屢屢起火,甚至有個專門的名詞叫“鈦火”。
但是比鈦更耐高溫的,就只有韌性好、耐衝擊,但是異常沉重的鋼材和鎳基合金;以及更耐熱、但是韌性差、不耐衝擊的陶瓷材料。
兩元噴口要減重,要輕薄;就必須有輕質、高強度、高韌性的材料。而唯一可行的總體方案,就是以儘量輕的高耐熱金屬材料做主要的承力結構,用陶瓷隔絕燃氣沖蝕,將金屬承力結構保護在後面,並且完成吸波等隱身功能要求。
F22為了控制尾噴管的重量,研製了很多全新的材料——比如50%鈦、35%釩、15%鉻成分的Tidyne 3515/Alloy C鈦合金。這種鈦合金被稱為“阻燃鈦合金”,在激光點燃測試中,起火的燃點比三代機用在發動機區域裡的傳統耐高溫鈦合金,高出整整500度。
實際上不只是鈦合金,為了應對兩元噴口的苛刻要求,F119的折流板所用陶瓷等其它材料,也同樣是相較於傳統產品性能有代差性提升的全新產品。
國內在八五期間跟蹤美國進展,也開發了自己的阻燃鈦合金;目前較為成熟、而且正在嘗試工程化應用的是Ti40,根據2013-2015年間公開論文的披露,該鈦合金計劃首先用於新型發動機的機匣上——自然也就是渦扇15上。而且目前Ti40的長期穩定工作溫度設計在500度,仍然比Tidyne 3515要低10%以上。
所以殲20與t50不採用兩元噴口,最大的理由不複雜,就是能力不足。就現在國內的情況,殲20設計師沒有在發動機噴管形式上的選擇餘地,只能有什麼用什麼,僅此而已。