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2018年6月底，日本石川島播磨重工于向防衛(wèi)省裝備廳交付了第一臺(tái)大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)XF9-1的原型機(jī)，這臺(tái)第五代軍用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)在國(guó)內(nèi)引發(fā)了熱議。對(duì)于日本航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)力的迅速提升，大家都很關(guān)注，有的人甚至根據(jù)日本航空發(fā)動(dòng)機(jī)這一成就，便斷言日本航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)超越了中國(guó)，事實(shí)真的如此嗎？《兵工科技》在此新聞曝出后第一時(shí)間采訪了國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的專家，從技術(shù)角度詳解日本新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)論很明白：日本新發(fā)，優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯，但沒(méi)有想像的那么牛，趕超中國(guó)，言過(guò)其實(shí)。 
日本方面公布的XF9-1的研制資料，目前該機(jī)處于技術(shù)驗(yàn)證機(jī)階段，馬上要進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10年左右的測(cè)試和試驗(yàn)XF9-1處于樣機(jī)試驗(yàn)初級(jí)階段，進(jìn)度沒(méi)超過(guò)中國(guó)日本XF9-1已經(jīng)超過(guò)中國(guó)第五代發(fā)動(dòng)機(jī)了嗎？要回答這個(gè)問(wèn)題，首先要解釋一下航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一般通行研制流程是怎樣的。據(jù)公開(kāi)資料顯示，日本研制XF9-1核心機(jī)是在2013年，2015年開(kāi)始樣機(jī)的研制組裝生產(chǎn)工作，2018年6月首臺(tái)整機(jī)下線。從發(fā)動(dòng)機(jī)研制規(guī)律來(lái)看，一般都要經(jīng)過(guò)1，核心機(jī)研發(fā)；2，樣機(jī)研發(fā)生產(chǎn)；3，樣機(jī)試驗(yàn)，包括地面試驗(yàn)、高空臺(tái)試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)平臺(tái)試飛乃至于目標(biāo)機(jī)裝機(jī)試飛；4，定型列裝等階段。這次XF9-1整機(jī)面世，表明XF9-1的樣機(jī)研發(fā)生產(chǎn)完畢，即將進(jìn)入地面試驗(yàn)的這一階段。而與XF9-1處于同一水平的中國(guó)“峨眉”WS-15第五代發(fā)動(dòng)機(jī)，由于處于嚴(yán)格保密狀態(tài)，進(jìn)度尚不能對(duì)外公開(kāi)。但可以肯定一點(diǎn)，WS-15的核心機(jī)和樣機(jī)研制階段，都要比日本起步更早，雖然目前進(jìn)度不能公開(kāi)，但此前很多工作已經(jīng)進(jìn)行了多個(gè)年頭。日本這才剛剛把樣機(jī)組裝起來(lái)，尚沒(méi)有進(jìn)入試驗(yàn)階段，就說(shuō)它已經(jīng)在研制進(jìn)度上超過(guò)了已經(jīng)在多年前就進(jìn)入了工程樣機(jī)試驗(yàn)階段的中國(guó)，這是不符合事實(shí)的。XF9-1,熱端部件技術(shù)領(lǐng)先的秘密在于錸XF9-1發(fā)動(dòng)機(jī)最大的性能亮點(diǎn)，無(wú)疑是其強(qiáng)悍的渦輪前燃溫度指標(biāo)，達(dá)到了1800℃，而對(duì)照當(dāng)今最強(qiáng)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)，其渦輪前燃溫度為1960T（換算成攝氏溫度約為1690℃），XF9-1在這一衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)上，大大超出F119.日本發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件技術(shù)為什么這么厲害？強(qiáng)就強(qiáng)在高溫單晶葉片技術(shù)上世界領(lǐng)先。目前世界各個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)國(guó)的渦輪葉片等熱端部件，主要采用鎳基單晶材料制造，從上世紀(jì)70、80年代至今一共發(fā)展了五代。在實(shí)踐中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一種特殊的添加劑可以大幅提高鎳基單晶材料的耐熱性能，這就是錸。錸合金具有良好的高溫強(qiáng)度和塑性。同時(shí)錸對(duì)單晶高溫合金顯微組織、力學(xué)性能、不穩(wěn)定相及單晶缺陷等的影響顯著，可以增強(qiáng)單晶合金的高溫抗蠕變性能，而蠕變是高溫單晶合金是死敵，這將大大降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率，甚至帶來(lái)嚴(yán)重的事故）。錸的這些現(xiàn)象被稱為“錸效應(yīng)”，它對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的進(jìn)步和發(fā)展起到了重要作用。然而錸雖然好，但是錸是一種地球上含量稀少，開(kāi)采困難的金屬元素，目前其分布范圍主要集中在少數(shù)幾個(gè)火山礦區(qū)，分布及不均衡，壟斷性的開(kāi)采和加工導(dǎo)致其單價(jià)太高，使得最終的葉片成本居高不下，限制了其的廣泛使用。另一個(gè)原因，就是人們?cè)谘芯垮n的過(guò)程中，只發(fā)現(xiàn)了能提高性能的現(xiàn)象，但是遲遲未能研究透徹其為何能提高性能的原理。正因?yàn)槿绱?，世界主要航發(fā)強(qiáng)國(guó)，都避開(kāi)了大規(guī)模使用錸添加劑來(lái)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的路子。只有日本，不計(jì)成本，將高含錸單晶材料發(fā)展到了極致，該材料也應(yīng)用在了XF9-1發(fā)動(dòng)機(jī)上，這就是日本在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前燃溫度領(lǐng)域甚至領(lǐng)先于美國(guó)的原因所在。
日本XF9-1為了實(shí)現(xiàn)高性能，在自己最拿手的熱端部件領(lǐng)域“放了大招”，1800℃的渦輪前燃溫度打破了F119保持的紀(jì)錄根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)律。當(dāng)一款渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在定型之后，想在不改變外圍尺寸，不大改核心機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)增推力，目前可以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方向主要有三點(diǎn)，1，增大風(fēng)扇直徑或者采用效率更高的寬弦葉片技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)風(fēng)扇，增大流量。2，提高壓氣機(jī)增壓比，3提高渦輪部件的耐受溫度從而可以忍受更高的渦輪前溫度，實(shí)現(xiàn)更高的效率。日本XF9-1發(fā)動(dòng)機(jī)很顯然采用了第三個(gè)辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)其推力達(dá)到15噸這個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。但是要注意的是，這三點(diǎn)是相輔相成的，單獨(dú)從設(shè)計(jì)上提高某一點(diǎn)的能力都只能獲得有限的效果。而且稍有不慎就會(huì)前功盡棄，失敗的一塌糊涂而且搞不清錯(cuò)在哪里的反面案例層出不窮。為什么呢？我們可以把高性能大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)比作是一個(gè)水桶，而這三個(gè)增推之策，就相當(dāng)于是水桶上的三塊木版，哪一塊木板更長(zhǎng)，相應(yīng)就顯得其他幾塊板子短了，結(jié)果最終決定水桶盛水多少的，是最短的那塊板。提高渦輪前燃溫度，雖然有利于增推，但給發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱材料研制、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大地壓力。1800攝氏度的渦輪前燃溫度，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度極大，極其復(fù)雜。而系統(tǒng)越復(fù)雜，越容易出問(wèn)題，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性 提出了極大挑戰(zhàn)。而如果不提高渦輪前燃溫度，就得提高壓比，而壓比越高，給壓氣機(jī)制造的工作壓力就越大，壓氣機(jī)就很有可能出現(xiàn)喘振等負(fù)面狀態(tài)。如果單純?cè)龃箫L(fēng)扇直徑增加進(jìn)氣流量，則又會(huì)增加阻力，降低發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能。從日本公布的XF9-1資料可以看出，XF9-1的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)水平不高，主要技術(shù)來(lái)源是參照日本從美國(guó)引進(jìn)的F110-GE-129，并將F110的9級(jí)壓氣機(jī)改為6級(jí)。根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)理論推算，1800℃的渦輪前燃溫度，假如發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)匹配良好，XF9-1的推力應(yīng)該能達(dá)到17.5噸，是F110的1.33倍。然而實(shí)際上XF9-1的最大推力僅為15噸，這就表明，1800℃的高渦輪前燃溫度指標(biāo)沒(méi)有得到充分發(fā)揮，被壓氣機(jī)等其他短板給削弱了。總結(jié)而言，日本人在航發(fā)總體設(shè)計(jì)上缺乏經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)有限，在壓氣機(jī)等方面榨不出更多的潛力，因此希望能夠通過(guò)提高渦輪前燃溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的紙面發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能。但這給發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能平衡和可靠性帶來(lái)的壓力顯而易見(jiàn)——渦輪前燃溫度可不是越高越好。相比F119，它渦輪前燃溫度并不那么高，但三項(xiàng)性能更均衡，越均衡的發(fā)動(dòng)機(jī)，就像沒(méi)有短板的水桶一樣，越均衡則越先進(jìn)。
從目前公布的資料來(lái)看，XF9-1似乎也模仿了F119的3611結(jié)構(gòu)，但從它的機(jī)長(zhǎng)來(lái)看，在沒(méi)有矢量推力機(jī)構(gòu)的前提下，也達(dá)到了4.8米，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平不如F119 根據(jù)技術(shù)規(guī)律，日本XF9-1樣機(jī)造出后，還要經(jīng)過(guò)地面臺(tái)架試車，高空臺(tái)試驗(yàn)，持久試車試驗(yàn)，循環(huán)周期試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)，目標(biāo)原型機(jī)裝機(jī)試驗(yàn)等一系列考驗(yàn)。如果一切順利的話，2026到2030年左右能夠裝上目標(biāo)機(jī)首飛，2035~2040年能夠批生產(chǎn)裝備日本第五代戰(zhàn)斗機(jī)F-3，就已經(jīng)是非常理想的了。但由于日本缺乏航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制、試驗(yàn)和使用經(jīng)驗(yàn)，會(huì)比美國(guó)、俄羅斯等老牌航發(fā)強(qiáng)國(guó)遇到更多的問(wèn)題和障礙，能不能如期研制成功并裝機(jī)服役，現(xiàn)在看還是一個(gè)未知數(shù)。感興趣的讀者朋友，趕緊點(diǎn)擊下方鏈接購(gòu)買吧，印刷數(shù)量有限，售完為止！ 購(gòu)買鏈接：
2022年第14期《中國(guó)核潛艇的技術(shù)創(chuàng)新：電磁發(fā)射魚(yú)雷》 兵工科技雜志社 30
2022年第13期《中國(guó)電子偵察船》兵工科技雜志社 30 |
