鲲鹏换羽
-运20重大升级与中国战略空军转型①
2021年的中国航展期间,中航工业举行了“国产战鹰护卫祖国空天安全之“大国重器向祖国汇报'”新闻女发布会。会上航空工业运20总设计师唐长红院士透露,运20飞机所配备的动力装置有多型,换装国产发动机的运20飞机耗油更少,航程更远,表现令人满意。值得注意的是,在此之前的2021年8月31日,中国空军新闻发言人申进科大校曾公开表示,中国空军历史性地跨入了战略空军门槛。那么,作为倍受瞩目的国产军用大飞机,运20的重大升级与中国战略空军转型建设之间究竟存在怎样的联系?这自然成为人们关注的焦点。
换发-运20重大升级的核心
新一代“20系列”中,运20受到的关注并不亚于歼20.原因在于两点:一是人类对巨型精密造物体有着一种本能的敬畏,从古代的长城、金字塔到《太空漫游2001》那块“黑色无字碑”都是如此,将类似的情感投映于运20是可以理解的;二是和美俄相比,中国空军的远程空中投送能力不足,这是长期公认的事实,甚至出现了四处搜罗二手伊尔-76的尴尬。运20的研发、列装,不仅消解了这种尴尬,更令中国空军迈人了“战略空军”的门槛,这是具有重大意义的。也正因为如此,关于运20重大升级的话题从来热度不减。无论是业界还是公众的讨论都相当活跃。这反映了人们对运20现有状态的“不满”,也表现出人们对运20重大升级抱有的期盼很不一般。
直白地说,所谓运20的重大升级,指的就是换发。由于复杂的原因,运20的发动机没能实现国产化,引进的俄制D-30KP-2发动机不但存在供应渠道被“卡脖子”的隐忧,在性能上也不尽如人意。所以,通常意义上说,运20的换发有两层意思:一是对现有俄制D-30KP-2发动机进行国产化替代;二是不但完成国产化替代,而且在性能上要上一个台阶。这两层意义在逻辑上是递进的,具体来说各有所指。国产化替代的意义是明摆着的:大运的关键系统从此不再有被卡“脖子”的可能。作为自成一极的世界大国,其中所蕴含的战略价值不言自明。仅就这个层面而言,涡扇-18可以说已经达到目的了。不过,简单的国产化替代,又不能完全解决问题。这是因为无论D-30KP-2还是涡扇-18,它们的技术性能都不够出色,令运20的性能受到了限制,甚至可以说是拖累。
D-30KP-2设计于20世纪70年代初,按照今天的标准来衡量,它油耗高,推重比低,耐久性差,维护不易,在技术上已经严重过时。要知道,D-30KP-2也是伊尔-76MD的标准动力。这是一种80年代初开始量产的飞机,距今已有近40年的历史。
运20的量产则始于2015年之后,两型飞机相差30多年的时间。显然,运20选择D-30KP-2作为动力带有“凑合”的性质。本质上是一种无奈,是基于国家战略需求考量,保障首飞和量产得以顺利推进的迫不得已。事实上,这几十年国内在设计技术、材料、工艺以及调节器方面均有较大的进步,例如叶型设计由二维逐渐转向准三维、全三维,整体焊接的压气机转子取代了螺栓连接的结构,定向结晶、单晶涡轮叶片材料以及粉末冶金的涡轮盘制造技术日益成熟,全功能数字燃油调节器取代了传统的机械式燃油调节器,等等,使用这些新技术的涡扇发动机,无论是推进效率、机械可靠性还是可维护性都大为提高。
当然,涡扇-18未必是对俄制D-30KP-2发动机原封不动的复制,可以利用材料、工艺方面的技术进步“压榨”出一些额外的性能,比如通过改进高压压气机、高压涡轮叶型设计来提高部件效率,通过提高高压涡轮叶片材料与涂层的耐高温性能来提高发动机的推力等,但基础设计决定了这些技术改进的效果是有限的。所以一般认为,配型涡扇-18发动机的运20仍然不会达到其理论设计的性能水平。人们对于这种所谓的“换发”,意兴索然,真正感兴趣的是在设计上推倒重来、性能实现重大提升的新一代涡扇发动机。公众所津津乐道的运20换发,指的正是这样一层意思。
人们总是很关心运20发动机短舱“粗细”的变化。或者说,以(发动机短舱)“粗细”的变化与否,来作为运20是否换发的判断依据。应该说,这个判断方法很直观,也有较强的技术依据,符合现代化远程重型军用运输机动力(实际上也包括民用运输机)由小涵道比向大(高)涵道比涡扇发动机发展的趋势。涵道比是涡扇发动机外涵道和内涵道的空气流量之比(也就是单位时间内不经过燃烧室的空气质量与通过燃烧室的空气质量的比例),又称流量比。它对发动机耗油率和推重比都有很大影响。
D-30KP-2实际上是一种中等涵道比涡扇发动机,其涵道比只有2. 42.由于涵道比较低,风扇直径较小,为了保证必要的总压比(也就是高压压气机进口处空气的压强),需要增加增压压气机级数,但这也增加了发动机内部空气流场的复杂程度,增加了发动机的重量和复杂程度,降低了整体效率,会对耐久性和可维护性造成负面影响。考虑到时代因素,当年苏联工程师采用这种设计是合理的。这是在需求和技术能力之间作出的正确抉择。但在40多年后的今天,曾经的合理却变成了不合理-这是在一系列技术进步支撑下,(高)大涵道比涡扇发动机的天然优势决定的(涵道比在5:1以上)。
对于远程重型运输机来讲,理想化的动力应在巡航状态具有低的燃油消耗,在起飞状态具有较大的推力。根据“附加质量原理”,在核心机不变的条件下,涵道比越大,涡扇发动机的推力就越大,满足起飞推力最大化的要求。同时,涵道比越大,喷管的排气速度越低,推进效率越高,巡航耗油率也就越低。所以简单地说,涡扇发动机涵道比越大,耗油率越低,推力越强,推进效率越高。也正因为如此,运20发动机短舱直径的变化的确可以作为是否换装了大涵道比涡扇发动机的依据(核心机一定的前提下,涵道比越高,风扇直径越大)。
那么,运20换发后究竟会达到怎样的性能呢?由于不难理解的原因,对于这个问题的回答,必然是“知情的人不会说,说的人不知情”。但对应的参考总是有的。比如使用D-30KP-2的伊尔-76MD在换装PS-90A-76高涵道比涡扇发动机后(涵道比达到了5:1以上),发展为伊尔-476,起飞重量从190吨增加到210吨,最大有效载荷从48吨增加到60吨,载重40吨时的航程增加到了6500千米,载重60吨时的航程达4000千米······
事实上,正是由于换发后性能提升过于显著,伊尔-476赋予了伊尔-76MD-90A这样一个全新编号。不过值得注意的是,虽然伊尔-476通过换发实现了综合性能的巨大提升,但其机体设计却并未经历重大优化,包括机翼翼型在内,很大程度上仍然保持着20世纪70年代伊尔76的基本设计。这意味着,在机体设计上要“时髦”很多的运20(比如运20采用的超临界机翼,不但有助于减轻机翼的结构重量,而且提高了其巡航升阻比,改善了亚声速和高亚声速飞行时的经济效益),倘若换装了与PS-90A-76类似的高涵道比涡扇发动机,在综合性能上获得的收益将比伊尔-476更为显著。
用较“粗”的大直径高涵道比涡扇发动机,来替换掉较“细”的中等涵道比涡扇发动机,这是实现运20性能跃升的必由之路。但有一些误区需要澄清。比如运20换发后,人们通常会将注意力集中在大大增加的推力上。这种关注当然可以理解,也符合公众的普遍认知,毕竟PS-90A-76的推力就从D-30KP-2的12. 5吨增加到了14. 5吨,这样的提升较为可观。不过,仅仅将伊尔-476性能跃进归结于高涵道比涡扇发动机推力的增加,这样的认知又是片面和肤浅的。一方面,虽然大直径高涵道比涡扇发动机推力增加了,但涵道比增大也带来了一系列不利因素和限制。比如短舱直径增加,装机外部阻力相应增大,安装损失增加。涵道比增大到一定程度后,发动机短舱增加的阻力很可能完全抵消掉发动机增加的推力。而且涵道比增大后,受风扇叶尖速度的限制,低压转速降低,导致低压轴、增压级和低压涡轮设计难度增大,必要时还需增加低压涡轮级数,重量增加较大。所以,虽然推力增加了,但发动机推重比的提升却未必很高。这就是说,高涵道比涡扇发动机所实现的增推并不是“免费”的,要以相应的“付出”为代价。
事实上,发动机推力的大小是按飞机要求而定的,较大推力的发动机并不一定是性能最好的发动机,反之,较小推力的发动机并不一定是性能不好的发动机。当然,较大推力的发动机,零件的尺寸大,加工量大,试验设施要求大等,会增加研制信度,相对而言,在同样的设计水平下,较小推力的发动机研制要容易些,研制经费与周期均要少些。另外,高涵道比涡扇发动机燃油经济性改善所带来的影响被人们简单化了。“省油”不仅仅只是“省了油”。业内对于发动机的燃油经济性有一个衡量指标,那就是发动机产生1千克推力维持1小时所消耗的燃油重量,单位一般是千克/千克力·小时。用这个指标衡量,D-30KP-2的燃油经济性为0. 715,涡扇18比这个略好。
目前虽不清楚运20换装的发动机燃油经济性的具体指标,但是外界普遍认为可能会较D-30KP-2/涡扇-18有显著提升,至少达到PS-90A-76的0. 595水平,甚至有望接近著名的商用发动机CFM-56的水平,而后者的燃油经济性是0. 57.
燃油经济性对于运20这样的远程重型运输机究竟有什么意义呢?它不只是意味着飞机在满载起飞重量下可以实现更远的航程,更意味着在最大起飞重量限制下,可以把更大的载荷比例让渡给货物,实现更大的有效货载。这就是说,换发后的运20在满载情况下,使用同样多的燃油能多飞数百千米甚至更远,或是在最大起飞重量情况下,飞相同的航程时能多装几吨货,由此带来的使用性能提升将是巨大的。
如果说只注意推力的提升而忽略燃油经济性的因素,是人们对运20换发高涵道比涡扇发动机认识上的一个误区,那么运20换发与国产大型客机动力国产化替代的关系则是另一个。十几年前,我国以十五年为期精心遴选了16个重大科技专项工程,比如大名鼎鼎的载人航天与“嫦娥”探月就是重大专项工程的组成部分,还有高分专项、大型核电站专项、数控机床等专项工程,但要说规模最大的还是200吨级的大飞机专项,其投资规模之巨、覆盖面之广、参研单位数量之多都刷新了国内纪录。
作为大飞机专项的成果,运20“大运”是一个,以C919为代表的民用大飞机则是另一个。与运20最初的情况类似,C919同样是依靠进口发动机实现的首飞,具体说是CFMLEAP-X1C.面对即将开始的低速量产,C919也要继续使用LEAP-X1C才能推动生产线的初始运转。
LEAP-X1C当然是一台出色的高涵道比大推力商用飞机发动机,与上一代的CFM56-5系列相比,发动机燃油消耗减少了16%,二氧化碳排放量减少了16%,氮氧化物排放量不足原型的60%,且更为安静。但发动机作为C919最为核心的系统,选择了LEAP-X1C,也就意味着整个项目的“命门”掌握在别人手中。所以,国产化替代势在必行。
从某种程度上来说,将运20换发的部分技术成果用于C919项目是可行的。比如两者可以共享核心机。著名的商用CFM56发动机就是基于军用F101发动机核心机技术基础而研制的,再比如燃油经济性是商用客机和军用远程重型运输机的动力都很注重的指标。
要获得低油耗,运20换发发动机需要在涡轮前温度的提高上下功夫,为此要开发一系列高温材料并采用先进的冷却技术提高涡轮前温度。高压涡轮导向器可能要采用陶瓷基复合材料(CMC),涡轮叶片可能要采用先进涡轮叶型材料(ATAMS),而低压涡轮叶片可能要采用钛铝合金材料。
另外,要大幅改善燃油经济性,全权限数字式发动机控制系统(FADEC)之于运20换发发动机也是必需的。FADEC通过传感器采集发动机工作状态,利用微处理器来控制发动机运行。这种技术不但能减少飞行机组的工作负担,能更有效地将发动机排温和机械操作保持在限制范围内,而且能使发动机达到最好的性能和最佳的燃油耗量······不过,虽然上述技术成果惠及C919(也包括更大的C929)是可能的,但倘若因此认为运20换发发动机能够被直接用于民用大飞机却是错误的。
军、民用大涵道比涡扇发动机技术的确具有较强的通用性,可由于使用环境和侧重不同,仍有一些各自特有的技术特点。比如,商用飞机高涵道比涡扇发动机在噪声控制、多燃料使用、污染控制等方面的要求更为严格,为此需要在风扇/增压级低噪声设计技术、排气系统噪声预测及降噪技术、低排放、长寿命燃烧室设计技术、低排放燃烧室组织燃烧技术等领域获得突破,但这些技术却并非军用飞机高涵道比涡扇发动机特别在意的。

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