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成飛六代機的中發問題
送交者: 三把刀 2025年01月27日15:36:59 於 [軍事天地] 發送悄悄話

成飛很會挑逗人,六代機弄個三發出來,用中發給軍迷燒腦。

目標前對這個中發有真中發黨和APU黨的分歧,真中發黨堅持這是推進發動機,APU黨堅持這不是推進發動機,是超級APU和冷卻空氣通道。不大聽到的是折衷派,中發是具有大大加大發電能力但保留有限推進能力的“半推進發動機”。本人是APU黨的,但中發黨是大多數。

中發黨也有渦扇派和衝壓派,還有較小的爆震派。

渦扇派認為中發是和兩側發動機同型的渦扇發動機,試飛時用的是渦扇10,將來用渦扇15,目標是變循環。這是主流派。

衝壓派認為中發是衝壓,專用於超巡,在M1.5以上甚至M2才啟動,低速時不工作。衝壓派里有超燃衝壓支流,把亞燃衝壓換成超燃衝壓了。

爆震派認為中發是爆震發動機,主流認為是旋轉爆震,支流有認為是脈衝爆震的。

圖片

這麼多門派,基本點都是:

1、成六太大太重,兩台渦扇的推重比太低,達不到必要的超巡和機動性。

2、成六的超巡必須高於殲-20的M1.6-1.8,達到M2.5一級。

成六很大,看着就重,但到底多重,沒人知道,只是根據雙輪前起和雙輪主起在猜,估計達到50噸。

渦扇15的加力推力估計18噸,軍推12噸。渦扇10的加力推力估計14噸,軍推8.5噸。比照F-22,軍推推重比需要在0.7一級才能達到M1.6一級的超巡。

不過超巡也與減阻高度相關。協和式用加力達到巡航速度後,用非加力推力維持超巡,加力推重比只有0.372,非加力推重比降低到0.306,比波音737Max8(0.311)和空客A320NEO(0.310)還低。SR-71的推重比也只有0.44。不過SR-71的發動機很獨特,已經不能用常見的加力、軍推來描述了。

成六無尾,機翼和機體減阻技術也遠遠高於60年前,需要多少推重比才能達到超巡,這是一個問題。

已知成六採用兩側加萊特進氣道和背部DSI,同樣已知加萊特的超音速性能優於DSI。換句話說,側發的超巡工況比中發更好,這一點值得注意。DSI不是不能達到M2.5,殲-20就是DSI。但高超音速(high supersonic,不是hypersonic,沒辦法,中文術語裡似乎找不到更加適合的說法)DSI的錐體更加尖銳、向前延伸更多,成六的DSI明顯和殲-20不同,DSI鼓包圓鈍低矮短小,暗示這並非為高超音速大推力優化的。

不管用什麼進氣道,發動機的推力和空氣流量相關。在缺乏更加精細的圖片數據情況下,目測兩側加萊特進氣口的截獲面積比中間DSI的更大,這意味着同型中發在同樣飛行狀態下有進氣流量不足的問題,這個問題在極限飛行和機動飛行等需要推大推重比的時候最大。也就是說,中發在最需要出力的時候,可能最不給力。

這些對渦扇派是不利證據。

同型三發的話,推力比雙發增加50%,油耗也增加50%。航程與載油係數(燃油重量與正常起飛重量之比)相關,相同載油係數差不多決定了相同航程;結構係數(結構重量與正常起飛重量之比)在同時代戰機里變化較小,也是水漲船高,可大體看作三發比雙發重50%;發動機推重比由給定的發動機決定,三發就是簡單地比雙發重50%。只有在武器、電子設備重量占比降低的情況下,三發才能提高戰鬥機推重比。但50噸超重戰只能攜帶30+噸重戰的武器和電子設備的話,對立項不友好,降低燃油係數和航程更加不可接受。同比提高的話,推重比並不因為三發而提高。

也就是說,三發並不是提高推重比的穩賺不賠的好辦法。

對於戰鬥機設計來說,重量是個綱,綱舉目張。如果成六確實50噸、三發,需要弄清楚的是為什麼50噸。如果是更大的超遠程空空導彈決定了機內武器艙的尺度和攜帶的重量,進而決定飛機的尺度和重量,進而決定了三發要求,這是合理的。但這也決定了成六並不能期望更高的推重比。50噸六代與30+噸五代相比,三發只是恢復推重比,但不提高。同時,沈六為什麼對於同樣的設計要求能用較小的尺度和雙發?這也很好奇。

恢復推重比對加速性和穩盤機動性有利。協和式、SR-71的加速很慢,也談不上機動性,這對偵察機、客機問題不大。對戰鬥機問題大嗎?加速性和機動性對視距內空戰非常重要,對超視距空戰沒有那麼重要。目標遙遠不說,讓導彈加速和拉高g不比逼着戰鬥機加速和拉高g香嗎?加速性和機動性似乎和主流的“六代只需要掠襲”的思路有衝突。成六到底需要多少加速性和機動性?這也是一個問題。

協和式是高度特化的,一切為了M2.2巡航,發動機是加力渦噴。同時代的圖-144的巡航速度還略高,但用加力渦扇,實際上油耗比協和式更高。超巡最省油的不是渦扇,而是渦噴。變循環在超音速下處於渦噴狀態,在亞音速下處於渦扇狀態。渦扇的外涵道和內涵到的推力比等於涵道比,在內涵道推力不變的情況下,提高涵道比就提高總推力。但實際變循環在轉入渦扇狀態的時候,內涵道能量一部分轉化為機械能和外涵道流量,內涵道推力有所下降,所以變循環並不增加最終推力,增加的複雜性還增加重量,降低發動機推重比。

一些人指望變循環能提供更大的推力,不知道依據是什麼?

總的說來,三發同型渦扇的話,機背DSI似乎意味着,在最需要中發的M2.5超巡時,中發“幫倒忙”的可能性還略大於“幫忙”。

衝壓派的問題更大。亞燃衝壓在M0.5以下是廢物一個,M1.0勉強活過來,M2-3才得心應手,M4以上則有機體結構氣動加熱過度的問題,隱身塗層也可能受不了高熱。這樣看來,M2.5超巡用衝壓正好,渦扇側發可以索性關機,用整流蓋板減阻,或者漏點氣進去,渦扇保持怠速運轉待機。

衝壓發動機用進氣動壓壓縮空氣,不需要壓氣機,簡單、輕巧,但工作範圍很窄小。用於定速定高飛行的反艦導彈、巡航導彈問題不大,用於變速變高的空空導彈已經問題多多,用於變速變高變推力範圍更大的戰鬥機還沒有先例。

壓氣機有諸多弊端,但好處是在大範圍進氣條件下,都能在進氣口與燃燒室之間保持有效緩衝,保證燃燒室工況穩定。衝壓就做不到了。

在低超音速(low supersonic,M1.2以下)情況下,衝壓發動機用簡單的皮托管進氣口,進氣唇口形成正激波,激波後空氣流動減速,然後在進氣道內擴張段減速增壓,直到進入燃燒室。

在高超音速(high supersonic,M1.5以上)情況下,衝壓發動機用進氣錐體在唇口前形成斜激波,首先將來流減速,然後在唇口形成正激波,後面的都一樣。速度較高時,還會用雙錐體,更加尖銳的錐體前部首先產生角度較大的斜激波,相對較鈍的錐體後段接着產生角度較小的斜激波,最後才在唇口產生正激波。斜激波和正激波需要在唇口匯合,否則要造成漏氣損失,或者激波進入進氣道內壁、造成損壞。更加複雜的是斜激波進入進氣口,在收斂段內壁形成發射和對消,最後在收斂段到擴張段轉折的喉道形成正激波。這樣的總壓恢復高,但對激波控制的要求更高。

同一個錐體,速度越大,斜激波的角度越大。所以戰鬥機進氣口會用可調裝置調節斜激波的位置。DSI是不可調的,只能將激波位置移動在不同速度下最小化。渦扇對進氣條件相對“皮實”,衝壓就比較“嬌氣”。這是成六DSI不大可能用衝壓中發的最大理由。

另一個問題是油耗。衝壓比渦扇效率高,是指在同樣的高超音速下,比如說同在M3.5。對於戰鬥機的實用油耗來說,更加有意義的是M1.5渦扇超巡和M2.5衝壓超巡的油耗。

最接近用衝壓發動機巡航的是SR-71。這東西油耗驚人,從英國飛到利比亞再返航,需要8架KC-135空中加油。SR-71可不是小飛機,機載燃油高達46噸。在遠離基地的地方,這就相當於8架KC-135專門伺候這架SR-71了。換一個視角:SR-71的油耗為16-20噸/小時!這不是外界毛估估的,是Beale空軍基地公布的數據。SR-71早就退役了,數據公開沒問題。Beale有最後一個SR-71的專用油庫。SR-71用專用航空煤油,幫助過熱的發動機降溫。作為比照,蘇-27號稱機內燃油多得很,設計時根本不帶副油箱,機內燃油只有9.4噸,夠SR-71用半小時;F-15沒有那麼牛掰,從一開始就可帶副油箱,機內燃油6.1噸,擱SR-71也就夠用20分鐘。

即使新技術大大降低衝壓發動機的油耗,比如只有SR-71的一半,那依然是逆天的油耗。SR-71是M3.2超巡,但也是極端減阻的,毫無加速和機動性考慮,發動機也是為單一工況極端優化的。戰鬥機不大可能做到那樣的極端減阻,無尾是減阻的,但機翼和進氣口必須考慮機動性要求。發動機的工作範圍也必須大得多,不能那樣優化。

SR-71的J58發動機相當於渦噴-衝壓變循環,但這只是最簡單化的描述。J58的工作模式非常複雜,令人眼花繚亂的各種活門在不同的速度段開開關關、吸氣放氣,避免氣流堵塞造成喘振,也將冷卻空氣流經機匣外部、降低溫度、最終進入加力燃燒室。加力燃燒室的空氣部分來自旁通吸氣,部分來自壓氣機,這才是J58渦噴-衝壓變循環的意思。

如果用兩台側發取代J58的渦噴部分,衝壓部分就簡化多了,也避免了各種活門帶來的機械複雜性和進氣動能的損失。但還是有兩個問題:

1、衝壓發動機油耗高是“天生”的。渦扇的空燃比在0.025以下,衝壓在0.01-0.07範圍。推力來自於空氣流量,條件是噴氣速度必須高於飛行速度。速度越高,進氣動壓越高,進氣能量越高,需要燃燒膨脹的補能越少,但這個基礎速度本來就是“燒出來”的。希勒(Hiller)直升機比較異類,採用旋翼翼尖衝壓發動機驅動旋翼,簡單,沒有反扭力問題,但油耗驚人,噪聲也超大,只好放棄。

2、在衝壓發動機沒有啟動之前,或者由於變工況(如機動飛行)而啟動不了,成六隻有兩台側發,推重比豈不又慘不忍睹了?

三發同型的話,耗油已經比雙發增加50%。中發衝壓的話,哪怕側發怠速,油耗更將過度感人。

至於有些人想象的M3-3.5巡航,氣動加熱對蒙皮材料的影響可能比發動機更加不好解決。戰鬥機不比導彈或者航天飛機,這是要日常出動的,既不是一次性使用,也沒有金枝玉葉的伺候條件,還有隱身塗料的耐熱問題。協和式巡航速度“降低”到M2.2不是發動機的原因,而是鋁合金的耐熱限制。新型材料會耐熱更好,但成六的超巡速度不大可能超過M2.5,猜測起來更可能在M2.0-2.2,甚至M1.5-1.8。在這樣的速度範圍下,衝壓相對於渦噴可能就不足以解釋其必要性和優越性了。

不管是旋轉爆震還是脈衝爆震,爆震派是把科幻當現實了。爆震發動機很有潛力,但離戰鬥機需要的大推力、長時間工作、可靠啟動還差距很遠。“你怎麼知道不行”沒用,需要的是“我證明給你看,這行的”。在沒有任何爆震發動機成功飛行試驗的消息的情況下,就直接作為成六的唯一的超巡發動機,這是不負責任的,也是違反工程常識的。

最大的“漏洞”是:爆震不比衝壓,可以從零速一直工作到M4,而且理論油耗低於渦扇。如果爆震裝上成六,那兩台側發也應該是爆震,而沒有理由雙渦扇+中爆震。

成六是三發嗎?這當然是可能的,但從人們信誓旦旦的三發優越性出發,似乎並不優越。還是有很多問題沒有得到解答。

不大有人提到的是折衷方案:中發是具有有限推進能力的同型渦扇,但具有大得多的發電能力,所以對進氣條件不敏感,但對推進也不是一點沒有幫助。這個折衷還需要再想想有什麼樣的優缺點。

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