空军世界 :: 走出传说:解放军 歼10 猛龙 战斗机

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动力系统

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发动机一直是中国航空工业的软肋,同样也困扰着歼10。在与西方交恶前,据说我国获得了美国第三代战斗机的涡扇发动机核心机,以此开始了国产涡扇-10发动机的研制工作。但由于根基太差,该涡扇和涡扇-6、涡扇-9的研制一样,过程极为曲折艰难,基本无法满足战斗机研制进度的要求。于是90年代起相关部门开始转向俄罗斯寻求帮助。1998年3月某西方驻京武官透露,第一架装配俄制AL-31FN涡扇发动机的歼10已经完成了组装并刚刚首航成功。但可以肯定,歼10最终将采用专门为其改进的涡扇-10A涡扇发动机,性能与F-100、F-110等美国三代战斗机的发动机相近。涡扇-10是我国第一台按照GJB241-87规范研制的推比8一级、大推力、双转子、混合排气、加力式涡扇发动机,作为歼10、歼11系列飞机的动力装置,该机遵循核心机派生的策略进行系列化发展,将成为我国未来二十年航空动力的主要型号。
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1987年沈阳航空发动机设计研究所在引进CFM56核心机的基础上,以F110发动机为仿照对象,采用半研半仿的技术途径研制。进入九十年代,随九?六工程的实施引进了俄制АЛ-31Ф系列发动机,研制单位又借鉴了相关型号的设计技术。1989年涡扇10验证机上台架试车,1997年进入PFRT阶段, 2002年6月6日装J-11WS首飞,2003年底进入定型试飞阶段。由于涡扇-10系列研制进度严重滞后,因此必需引进AL-31系列应急。为此俄罗斯AL-31的设计局专门演化了AL-31FN型(上图),机匣外观改变以适应歼-10现有设计。该发动机推力122.5千牛,长度5米,直径1.18米,进气口直径0.91米,耗油率0.699kg/DaNh,重1759千克,这些数据与Al-31有一定差别。此外俄方还在2002年航展上演示了用于AL-31FN的矢量喷口改进型号。

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正如之前所说,歼-10要用不同的发动机,就必定要改变机体设计,后机身外形也改得颇为怪异。这种中途改变,必然要付出性能上的代价,其严重程度则难以估量。机身内部结构也必然要发生变化,难免有“削足适履”的难处。可以确定的是歼-10的发动机推重比应达到8.5左右,整机推重比明显超过1。这里要强调一点的是,歼-10在制造出第一架原型机后很长的时间里,都面临着只有洋人发动机可用的尴尬局面。截至2004年1月,莫斯科Salyut公司已经完成了为期两年的向中国出口AL-31FN发动机的合同,共提供了54台AL-31FN。原计划2002年国产涡扇将顺利定型,但一直到2004年,国产涡扇发动机方才传来捷报,歼-10终于有望获得一颗“国产心”。

走出传说:解放军最新型歼-10战斗机2005年,涡扇-10A发动机通过初始寿命试车考核,标志着该发动机顺利完成设计定型的全部考核试验。这型发动机研制历时18年,凝结着两代航空人的心血。2005年5月11日设计定型持久试车在六○六所试车台正式启动,经过85天的试车考核、完成规定的长试科目,9月27日涡扇10设计定型持久试车顺利通过航定办评审,全部定型考核项目计划于2005年完成。特别是中国一航成立后,该重点型号发动机被列入重点工程,各参研单位激情进取,受挫不馁,超常拼搏,突破重重难关,终于实现了我国航空发动机研制能力质的突破。我国航空发动机制造技术继“昆仑”、“秦岭”发动机之后又迈上一个新的台阶。该发动机为解决风扇喘振裕度问题,先后论证、设计了8种风扇方案,经过多次试验才确定了目前使用的方案。该发动机已研制了15年,共试制了 24台发动机,平均每年也不到2台。该发动机的涡轮叶片的加工周期是12~15个月,而俄罗斯类似叶片的加工周期仅为4~6个月;该发动机1级风扇叶片(带凸肩大叶片)的加工周期是10~12个月,而英国RR公司类似叶片的加工周期为6~8个月。”

双座弹射试验图

2006年2月,在一航集团发动机事业部的工作会议上,涡扇-10项目终于对外正式宣布研制成功,按有关技术要求完成了全部地面考核试验和空中试飞任务,实现了设计定型。涡扇-10定名为“太行”。总设计师为一航动力所的张恩和。

2007年,在访谈中,部分专家和试飞员表示,目前而言AL-31FN的表现要比涡扇-10A好一些,其加速性、空中启动包线和地面启动时间都要好一些。目前涡扇-10A地面启动时间约90秒,AL-31FN只要一分钟;在空中停车后,要进行风车启动,涡扇-10A的速度下限是600千米/小时左右,AL-31FN只要450千米/小时加速性能方面,AL-31FN只需5秒就能把速度增加起来,涡扇-10A要超过5秒。这几个不足中,最要紧的是空中启动包线,因为歼-10是单发飞机,停车后要靠降低高度来增大速度,如果停车高度比较低,可能没有足够高度来加速到600千米/小时,那么就只能跳伞弃机。

这里引用一段网友aliasmaya的分析

一家之言、多是猜测,请诸位同好批评指正!我也非常希望诸位能就涡扇10的加速性能、风车特性、起动机、调节计划等内容发表评论。关于涡扇10的空中风车起动问题,有兴趣的话建议查阅04年某期的《航空发动机》杂志刊登的论文,张绍基就此有专门论述,采用经过改进的供油规律进行发动机地面起动试验、空中风车起动试验,得到了某些数据,空中起动左边界:H=4km、Ma=0.52、Vb=500km/h......发动机“风车状态”(WindMilling)的概念,即由于各种原因导致发动机停车,而在气体动力、转子惯性、阻力矩等共同作用下使得发动机继续转动,并在短时间稳定在某一转速的状态。发动机的空中风车启动是非常关键的。

АЛ-31Ф在泼辣性方面是非常不错的,压气机喘振裕度大,抗(温度、压力)畸变能力强、燃烧室的点火特性较好(记得有28个燃油喷嘴,太行有20个),对于提高发动机加速性能是很有利的(不过这需要以重量的代价来换取),加速线可以更大幅度的偏离正常工作线而发动机不致发生喘振、失速等故障,并且其多元复合调节的调节计划,与发动机的配合堪称完美!老毛子的混合式控制系统被认为是液压机械-模拟电子调节系统设计中的典范。我看手册中对分段式的复合控制规律介绍,实在是搞脑筋!佩服他们的设计师能够巧妙的实现工程应用。我觉得将АЛ-31Ф的混合式控制系统(虽经过适应性改进)移植到涡扇10,所引起的问题比较多,今后一定时期内还会是不断暴露-再完善的过程。现在关于涡扇10加速性、起动时间以及空中风车起动边界窄等问题似乎也能看出和原型调节计划不适应、不匹配相关联,而适应性改进需要吃透原型机设计原理、吸收其精髓的基础上发展的(这就考验113与614的能力了,估计请外援的代价不菲,他们更可能会留一手)。

另外主燃烧室的点火特性也有待改进(贫、富油点火边界比较窄),这属于先天的问题、从F101那里遗传的。看到有不少论文谈论这方面内容以及建议的改进措施,比如加速控制改进、优化,空中风车起动特性分析,燃烧室点火特性改进等等。关于涡扇10的起动时间较АЛ-31Ф长,我猜测几个可能的因素,比如燃气涡轮起动机的功率还不够强劲,而涡扇10的点火转速比较高,起动机脱开转速可能也比АЛ-31Ф的高(CFM56-3的起动点火转速>20%,АЛ-31Ф大约为15%吧。因为在启动过程、低转速时,其主燃烧室的气流小、压力低,气动雾化性能较差,因此贫油熄火边界窄,记得教课书上说这是”两相燃烧中的特殊问题”,所以选取较高的转速点)。关键是燃烧室有一个适当的油气比,保证点火可靠、工作稳定,这也得看供油计划的设计了。涡扇10采用了608研制的起动机(不知道是否是参照了ГТДЭ-117,见图),目前还在研制功率增大型。空中风车启动的差距,我推测还是源自АЛ-31Ф的调节计划与涡扇10风车特性的适应性问题,目前的涡扇10没有采用FADEC。另外主燃烧室的点火特性也有待改进。换装614的国产电调是目前涡扇10急需的改进措施(之一),以充分发挥发动机的性能潜力。涡扇10火焰筒头部是采用较贫(油)的设计(追求高温升,可以得到高的涡轮前温度,这样需要增加燃油供应,但又得防止冒烟,只能增加进气量,导致油气比下降,低工况情况下容易发生贫油熄火),点火特性与稳定性是比较紧张的。

改善风车起动性能的某些措施,可以增设补氧系统、提高点火装置的可靠性等,АЛ-31Ф或许也有起动补氧系统?我猜想АЛ-31Ф加速性好,可能很大程度上得益于高喘振裕度。缩短加速时间,就要求更大的涡轮剩余功率,也就是要快速升高涡轮前温度T4。在加速过程中,燃油供应量需要快速增加(在极限范围内,尽可能大),但是升高的T4对于高压压气机稳定工作会产生不利影响(趋向喘振边界,因为高压转子的惯性大,转速增幅不能跟上T4增加的幅度)。倘若压气机的喘振裕度大,那么加速线可以更大幅度偏离稳态工作线,也就是说可以采取更短的加速途径。涡扇10的高压压气机增压比大、级负荷水平高,或许是导致发动机加速性不如АЛ-31Ф的一个因素。

结构工艺

在机体结构和制造工艺方面,歼-10绝对是世界第三代战斗机水平。歼-10翼身融合体和大三角翼布局使得内部油箱的容积增大,有助于改善中国战斗机航程短的问题。由于我国复合材料技术的发展,可以相信歼-10复合材料的用量应能达到国际第三代战斗机的水平。北京航空制造工程研究所承担了歼-10的复合材料构件制造、钛合金热成形、框肋类零件数控加工、机翼壁板抛丸成形以及计算机辅助制造(CAM)软件开发、蜂窝芯建模等任务,同时提供复合材料树脂和蜂窝芯。上述工作,对我国发展复合材料蜂窝夹芯构件设计与制造技术起到了推动作用。1998年首飞后,该所荣获“首飞集体功”。目前歼-10的复合材料垂尾及内外侧升降副翼仍在该所小批量生产。

歼-10垂尾根部布置了减速伞舱,伞具由长期研制生产减速伞、降落伞、炸弹伞的宏伟机械厂负责研制,是类似苏-27的十字形结构。歼-10的前起落架为双轮,可能考虑了着舰或粗暴着陆的需求,向后收起。该前起落架在研制时是三“新”产品,成飞公司仅为此就组织了4个突击队、80多人攻关,改造机床、实验、试制产品并行开展。其中以全国十大杰出青年岗位能手张林为首的攻关组,将公司普通车床改造成多用车床,成功实现了前起落架的挤压、滚压螺纹加工,达到了各项技术指标。其轮胎由中橡集团曙光橡胶工业研究设计院负责研制,该院具有生产波音等大型客机的橡胶轮胎的丰富经验。新的主起落架在机身下方,向前收起,估计同时需要旋转一定角度。但是舱盖外形相当怪异,可以说比较丑陋。歼-10的起落架采用了我国自行研制的碳刹车机轮、碳刹车盘及碳盘防氧化涂层,上述设备通过了中国航空机载设备总公司组织的技术评审,于91年装机试飞,97年随整机成功首飞。

当歼-10大表速试飞时,进气口之后的倾斜面促使气流再次加速,形成强大负压,引起前起舱门前部变形(原本向上弯折的部分向下翘曲)而伸出机身下表面,在强大气流作用下瞬间撕裂。这是因为对于舱门这样一个狭长片状物体来说,前部刚度可能不足,在强大外力作用下会产生形变。为此前起落架舱门改为两片式,前后舱门分别位于两个平面。后部舱门长度缩短,又取消了前部弯折段,刚度增强,从而保证了强度。

武器系统

上述起落架布局类似F-16和“阵风”,让出了宝贵的机翼下的空间,便于携带更多外挂武器,预计外挂点可达到11个。目前所知,由于机身设计的变化,歼-10挂点改为共9个,机腹3个,两翼下各3个。左图则为歼-10早期的挂架布置方案。减速板分为四个,位于翼身融合体后部的上下表面。

歼-10仍然安装了固定机炮,应为23-3双管23mm机炮,布置在机腹进气道下方。随着空空导弹技术的发展,取消固定机炮的设想再度接近实现,例如“台风”战斗机的部分型号就没有装备固定机炮。在这种前提下,歼-10沿用了性能落后、但稳定可靠的23-3机炮,应该说情有可原。

空空武器包括“霹雳”系列空空导弹的多个型号。目前可用的组合是仿自以色列怪蛇-3的霹雳-8近距空空导弹,加上国产霹雳-11中距半主动雷达制导导弹。未来则将采用国产主动雷达制导导弹。公开展览上频频路面的离轴发射角达120度的瞄准头盔,也应该会加以应用。至2004年,歼-10尚不具备精确对地攻击能力。我国机载光电探测吊舱已经成熟,因此歼-10在不久的将来,可使用包括激光导引炸弹在内的多种精确制导空地武器,C-801反舰导弹估计也不会少。留意一下下图机翼下挂的弹体,象什么型号?同时在这个图中可以清晰的看到减速板。

走出传说:解放军最新型歼-10战斗机

随着FC-1携带的SD-10中距主动雷达制导导弹的公开,歼-10将会拥有更加强大的武器。目前已确定SD10作战高度0~25千米,最大发射距离70千米,最大速度4马赫,最大使用过载38g。弹长3850mm,直径203mm,翼展674mm,弹重180kg。据媒体报道,2002年8月某团“为我国自行研制的三代机配上国产空空导弹立下来汗马功劳”,该团“又一次成功完成某型导弹试验任务”,该弹“具有发射后不管的特点”。这里所说的三代机很可能就是指歼-10,而“发射后不管”的新型空空导弹推测为“霹雳-12”,即SD10的国内编号。下图为SD-10图片,以及负责该弹研制工作的空空导弹研究院已故总设计师董秉印同志。

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2006年,杂志上出现了歼-10携带霹雳-12空空导弹的图片,至于SD10与霹雳-12的关系,至今未有任何权威的说法。

识别霹雳-11与霹雳-12也是一个有趣的问题。假如能看到导弹原貌,两者之间的区别是十分明显的。如果只能看到局部,可以注意突起在弹体之外的长条形电缆整流罩的位置,霹雳-11的整流罩在侧面,而霹雳-12的则在正下方。

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