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中国“新原理”发动机的黑科技
中国“新原理”发动机的黑科技
2020-03-18
mclkw8
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目标:超越F135!

文|席亚洲

中科院工程热物理研究所2月22日在官方公号发表《研究所2019年十件大事评选》 ,其中列出的大事中,有一件是这样的:《新原理高推重比发动机实现整机装配集成》。

研究所自主创新的新原理高推重比发动机实现整机装配集成,建立了发动机新结构装配规范,验证了新型气动布局的发动机总体结构设计技术,为下一步发动机性能试验奠定坚实基础。该发动机集成研究所首创的低熵增激波增压技术,是国际首台采用新型气动布局大幅提高推重比的航空发动机,具有重要的应用价值。

真可谓是文字越短,事情越大。

其实关于新原理高推重比发动机的消息,此前国内网络公开消息已有一些风声。

在《中国科学院院刊》2013年第28卷 第五期的文章《未来10年中国可能发生的19个重大科技突破》中的一个副标题就是《新原理航空发动机样机有望研制成功》,这篇文章分析了我国和世界主要国家在高性能航空发动机研制领域的进展。其中指出,美国从2005年开始实施的“经济可承受多用途先进涡轮发动机计划”(VAATE)中,虽然计划在2017年研制出推重比20的新一代发动机,但实际上并未实现推重比达到16的设计目标。

事实上,今天我们已经知道,美国的下一代发动机研制进程仍在拖延,他们目前正在继续改进F135发动机,进一步提高其推力,据最新的消息其推力提高了10%,也就是推重比可能提高到了11-12的水平,但这可能已经达到这种发动机的极限。而采用变循环原理的新一代高推重比发动机目前的投资情况并不理想,可能发展速度远不如预期那么快。

在上面提到这篇文章发表的时候,我国的WS-10和WS-15都还在研制阶段,文中也有提到,表述为,涡扇-10的推比为8一级,WS-15可达10一级,属于国际上的第三代、第四代发动机。当然今天涡扇-10已经研制成熟,在未来一段时间,它的不同改进型将成为我军装备的所有国产主力战斗机的动力系统,包括目前正在生产的歼-20也继续使用这种发动机。而涡扇-15到了今年也已经开始小批量生产,距离大规模试验,乃至真正装备歼-20的时间也越来越近了。

在13年发表的这篇文章中提到,中科院工程热物理所的新型发动机计划是“基于自主创新的新型增压原理,通过系统发展压缩系统气动、结构设计方法,构建新的高推重比航空发动机技术体系,中国将很可能研制出新原理航空发动机,在国际上首次实现推重比15以上样机的演示实验。”

而在中科院工程热物理研究所的官方网站上,2016年发表的文章《中科院优秀重点培育方向“新型燃气轮机关键技术发展”概述》中, 则提到,“在新原理发动机方面,在国际上第一次实现了新型压气机增压原理的试验验证,试验获取的压气机增压效能全面领先于国际先进水平,这一自主创新的突破得到了国家领导人的关注与批示”。

从这个表述中可以看出,这个新原理发动机非同小可,已经成为了国家非常重视的,关键性项目—看得出来啊,在航空发动机这个领域,不仅仅是网民们感到憋气。

在这篇文章中也提到,“新原理发动机方向已被列入研究所“十三五”重大突破方向之一“先进轻型动力技术”,且相关研究内容已被列入国家安全领域“十三五”规划。

而且从这篇文章中我们还可以知道,该项目由我国航空发动机领域泰斗徐建中院士带领下进行。在2012年中科院第十六次院士大会上,徐院士曾说:“我国是联合国五个常任理事国中唯一不能独立研制先进航空发动机的国家……根源在于基础研究严重不足……虽然我国的航空发动机与国外有较大差距,但只要我们发挥全国优势力量,进行创新性的基础研究和关键技术研发,这种差距就有望迅速缩小。”

从这个话来看啊,我们不难看出,在航空发动机这方面啊,我国上到国家领导人,下到普通网民,包括所有科研人员,心里这个气都已经憋了很久。而这个新原理发动机项目,某种意义上来说,堪称是要改变中国航空发动机技术现状的“争气”项目了。

其实2016年上面这些消息刚刚公布出来的时候,网上已经有一波“炒作”风潮,许多媒体以“推重比15的中国新一代发动机研制成功”、“美国看了都吓尿了”这类的夸张标题进行了报道。

但从相关的报道我们可以看到,这一项目当时刚刚正式作为国家重点项目开始进行攻关,要宣布已经取得成功,实在是太早了一点。

那么我们可以看到,工热所官方网站上,也在历年更新“新原理发动机”项目的进展情况。在其官网“国家能源风电叶片研发(实验)中心”部分,可以看到2018年该机构“发动机方向”研究的进展情况。

可以看到,该项目组有两种新原理发动机,一种是“某高推重比发动机”,一种是“某宽速域发动机”而这两种发动机都处于“发动机原理样机研制”阶段,也就是说呢,距离真正能够实用,还是有相当距离的。也正是由于这些项目目前尚处于前沿探索攻关阶段,我们还能通过公开信息来获得一些它们的相关信息,如果有一天相关消息突然不公开了,那么我们也可以有相应的猜测了……

根据公开论文来看呢,这里面的“宽速域发动机”应该是指一种结合超燃冲压、火箭和涡轮发动机于一体的组合式发动机,能够适应从0速度到高超声速,乃至飞出大气层外进行宇航飞行的环境。

而“某高推重比发动机”就是2013年争取立项时的论文中提到的,推重比15以上的新原理发动机了。

通过相关资料的描述,这种新原理高推重比发动机非同小可,在发动机的压气机、涡轮、燃烧室、控制系统方面都采用了目前国内外都属于最前沿的设计方案,甚至可以说是前所未见的。

列车长作为一个门外汉,只能根据对相关论文的字面理解来胡说,如有对这种新原理发动机的具体技术描述有理解错误的地方—实属正常啊,毕竟这家伙,满满的都是黑科技啊。

那要解释这种发动机的先进之处我们首先必须了解现代涡轮喷气和涡轮风扇发动机的一般构成。

喷气式航空发动机的核心机呢,就相当于一台涡轮喷气式发动机,其最前面是压气机,它是一系列叶轮,用来给进入发动机的空气加压。加压的空气流入燃烧室,与燃料混合燃烧,高温高压的燃气进入涡轮,推动叶轮做功。而涡轮的动力一方面是带动前面的压气机转动—这是一个循环的过程。而涡轮风扇式发动机的前方,还有若干的叶轮,叫做风扇,它们产生的一部分气流不经过发动机本身,而是通过发动机的外涵道直接产生推力。

我们先说压气机,它的作用是给进入发动机的气流加压。现代的航空发动机通常使用轴流式压气机,由一排转子叶片和一排静子叶片组成一级,单级的增压比很小,通常不超过2.0,所以一般采用多级结构,以达到较高的增压比。比如我们熟悉的AL-31F发动机,就有9级高压的压气机。其低压压气机的增压比平均为0.9.

而根据2016年关于新原理发动机的报道,它的压气机是对转式的,也就是说没有了传统的静子。同时,它对于压气机内的气流的处理方法也有创新之处,实现了“超音速流动条件下的低熵增压缩”,当然这段话对于列车长来说也是字都认识,但组合到一起就不认识了,但总之这与传统的设计方法完全不同的。

这里面有个事儿,当然列车长不知道到底是不是相关,就是在新原理发动机的设计当中,对于超音速气流的激波利用非常重要,而对激波形状、强度的精确掌握,正是我国近年来在研究高超声速气动力学领域所积累的独门绝学啊。

虽然原理上列车长不敢说看懂了,但运用新原理的效果却是明显的,这篇文章中提到,这种新型压气机的平均级别压比首次达到2.0以上,超过了传统设计轴流式压气机的理论上限,增压效能达到常规轴流压气机的1.2倍。这意味着,我们可以大幅度减少压气机的级数。

我们知道美国F119和F120发动机的高压压气机级数,就只有6级,远少于AL-31F的9级,这是其推重比大幅度提升的重要基础。而如果我国新原理发动机的增压效果达到如此惊人的程度,那么其压气机级数可以进一步减少,同时采用对转式设计更可以进一步有利于简化结构,使得重量进一步降低。我国在涡扇-15上已经实现了推重比10的设计水平,可想而知新原理发动机的推重比会进一步提高。

压气机后面是燃烧室,燃烧室的设计其实与压气机息息相关,因为压气机提供的气流速度、压力相比传统的发动机有区别,就需要重新设计新型的燃烧室。据公开资料,新原理发动机的燃烧室设计也采用了全新的设计策略和规范。尤其是,对于它的燃烧室火焰稳定边界预测模型的精度从现有国际水平正负百分之三十提高到正负百分之七,也就是说,在更大的流量,更高的气流速度之下,它的燃烧还能变得更加稳定。

而再后面就是喷气式发动机最核心的部件,涡轮,与压气机一样,新原理发动机采用了对转涡轮。我们知道美国F-22战斗机的F119发动机采用的就是涡轮双转子对转技术,后来F35的F135发动机也沿用这个设计。而徐建中院士团队的新原理发动机采用的是双级对转涡轮—我们在网上可以看到的这方面的公开论文都是21世纪初的,而当时的论文中作者也都表示当时能查到的信息都是十年前的……而在我们看到的21世纪初的相关论文中,对于双级对转涡轮的研究中还表明目前这种设计尚未达到最优,还存在一系列问题。

而在工热所2018年公布的研究成果中,表示多级对转涡轮的试验已经进入了提高攻角适应性、变工况优化、变工况匹配这个程度,可见其研究正在向着实用化的方向坚定前进。

而公开信息中,我们还可以看出,目前工热所研制的新原理发动机主要是新一代航空发动机的核心机。这里我们跑个火车,按照我的理解这种发动机可以算是“超燃涡轮发动机”,因为进入其燃烧室的气流速度已经达到超音速—当然这只是我的个人理解,可能不对,还望指教。

但不管如何吧,这种新原理发动机的参数性能将会大幅度超越传统发动机,甚至超过传统理论上限是很有可能的—当然这要看今年该发动机要开始进行的性能测试的结果,看它是否能达到如此惊人的水平。但不论如何,从原理上来说,这种发动机已经可以称为第六代发动机了,与美国正在研制的变循环原理的第六代发动机可以并列,代表目前世界航空发动机领域最前沿水平—当然了,它们的技术路线有较大的区别,变循环的原理还是很先进的,我们未来肯定也要研究相关技术,反过来一旦我们的新原理发动机研制取得重大成果,美国人也肯定要进行相关的研究来跟进。

换句话来说以前只有我们摸着鹰酱过河,现在啊,大家得互摸了……

当然了,这毕竟只是原理样机,而且,新原理发动机和宽速域发动机其实是两种东西,之前看到某媒体发表的文章大谈用了这种新原理发动机就能造出空天战斗机,从大气层内一直打到大气层外巴拉巴拉……这就有点想多了,毕竟1999年没有一个巨大的外星飞船坠落到太平洋上不是么?我们并没有这么牛X的发动机啦

而且,从原理样机到实际制造出战斗机能用的发动机,不仅有技术问题,还有工业制造的问题呢。而这也正是我国航空发动机领域这几十年来努力的领域,涡扇-10发动机经过20年的发展终于达到成熟可靠阶段,而涡扇-15发动机现在还在努力突破阶段。

不过相信通过第三代、第四代发动机的研制和生产,我国在这方面的基础也算是达到了一个新的阶段,有了这么多积累,后续的型号能够走的更顺利一些,不论如何大家还是会有更多一些期望的。

此外,从工热所将新原理发动机立项在“先进轻型动力技术”这个类型之下呢,这里又有一个猜测。工热所的科研部门中有一个“轻型动力实验室”,这个实验室目前正在进行的项目包括多种小型涡扇、涡轴、涡喷和小型燃气轮机。而这其中的小型喷气式发动机,主要是用于无人机和导弹,尤其是他们开发的1吨级小型涡扇发动机,在最近的几届珠海航展上都是该所的重点展品。

那么新原理发动机的原理样机基础上,应该可能发展出一种尺寸较小,但性能十分惊人的小型发动机,可以首先用在无人机和导弹上。

而在中科院院刊此前发表的文章里,也提到这种新原理发动机的初期运用方向是高速巡航导弹,之后才是高机动战斗机。

那么我们可以产生这样的一种推测,即工热所的新原理发动机可能会首先成为一种高性能无人机或者巡航导弹的动力,通过实用化,来推动其进一步的研制。当然最终的目标,依然是为我国的下一代高机动性战斗机提供一种真正达到,乃至超越世界先进水平的新型航空发动机。

而高性能战斗机发动机,在当代世界各国航空发动机领域,都可以说是先行者,它的相关技术,将可以转化到其他军用、民用,乃至燃气轮机领域,从而带动整个动力领域的进步。

让我们共同期待,2020年,中国航空发动机新的希望之火,在中科院工热所的试验台架上,安全,稳定,高效的燃烧起来吧!

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