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日本航发实力悄然增长,刚曝光的新航发,据称性能可媲美F22发动机

2019-06-20 16:12:33 来源: 网易谈兵
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近日,日本防卫省防卫装备厅在其官方频道发布了一则宣传片,片中介绍了日本最新研制的XF9-1型航空发动机验证机,它将被用在日本下一代战斗机上。2018年7月,该验证机在IHI瑞穗工厂进行最大推力测试,测试结果为不启用加力燃烧室时,最大推力为11吨,启用后最大推力为15吨。

XF9-1发动机。

防卫省声称,XF9-1的性能已经可以媲美美国F119-PW-100发动机,并计划在2019年年底前完成新发动机的各项测试与数据分析。后者为F-22战斗机的发动机,代表世界航空发动机的最高水平。这标志着日本航空发动机技术取得重要进步,已经迈入世界先进水平。并且有能力为新一代战斗机,独立研制新型高推重比发动机。


研制计划

XF9型发动机预研制项目,是日本国产五代机“F-3”计划的重要一环。根据防卫省2016年公布的26DMU方案,“F-3”为重型空优战机,配备两台新型高推重比涡扇发动机,飞行最大速度达到2马赫,具备优异的机动性能,将与美制F-35战机形成高低搭配。

日本“F-3”计划技术验证机之一的X-2“心神”,于2016年4月首飞,当时安装的是XF-5引擎。该机仅做验证,没有量产,“F-3”战机将以它为基础继续研制。

因此,“F-3”的发动机从一开始就全面对标美国F119型发动机。在研制过程中,需要解决缩小发动机横截面积、增强单位推力、提高推重比和供电功率,以及矢量喷嘴等技术难点。根据战斗机项目进展,研制计划分为三个阶段进行:

第一阶段,2010年至2015年间完成“下一代引擎主要部件”的研究,IHI先后完成压缩机、燃烧器和高压涡轮的研制工作。

第二阶段,2013年至2017年间完成“战斗机引擎核心部件”的研究。2017年7月,发动机最重要的部分:核心机研制成功。

第三阶段,2015年至2019年间完成风扇、加力燃烧室等部分的研制,并组装出一台完整的发动机。

该项目现已进入第三阶段的最后测试期。不难看出,日本以自身掌握的零部件制造技术为基础,进而研制出核心机,然后再组装验证机测试,稳步地推进发动机研制工作。

“既要大推力也要小口径”

XF9-1验证机是一种双轴涡扇发动机,设计上参考了美国F119发动机,两者结构类似但前者尺寸稍小。它具备3级风扇、1级高压涡轮、1级低压涡轮和6级高压压气机,进气口直径约1米,最宽处直径约1.09米,总长度4.8米。而F119发动机最宽处为1.20米,总长5.16米。

发动机结构示意图。防卫省对该机的总体技术描述为:“既要大推力,也要小口径。”

整体上看,XF9-1在提升发动机性能上,最突出的技术点是让涡轮前温度达到1800摄氏度。这一指标直接关系到单位推力大小,是高性能发动机的重要标志。为此,IHI应用了最新的冷却、耐高温材料技术以及新生产工艺。

在该机的风扇和压气机部分,采用了镍基耐高温单晶叶盘。一次切削成型,并添加了稀有金属“铼”。铼的熔点达3186摄氏度,是熔点第三高的元素,添加在发动机零件中可以大大增强耐热性。在美国F-15、F-16、F-22和F-35的发动机上均有应用。

XF9-1的三级风扇。单晶叶盘的制作工序复杂、生产周期长而且合格率低,但可以耐受传统铸造叶片不能承受的高温,是研制推重比10这一级军用航空发动机不可或缺的重要零部件,在国际上也被航空大国所垄断。

此外,相对于传统的榫头结构,单晶叶盘的气流效率高、维护性更好、耐热性能明显提升。还可以降低叶盘直径,缩小整体尺寸。以此来缩小发动机的雷达反射面积,提升隐身性能。并减少机舱内的体积占用,安装更多其它设备。

传统榫头结构(左),单晶结构(右)。

日本在XF9-1验证机上第一次采用“浮壁式”火焰筒设计。优点是可以增强燃烧室内空气对流,大大提升冷却效率,延长火焰筒使用寿命。但是这种设计将原来的双层结构改为单层薄壁,结构更加复杂,加工过程中更易变形,制造难度上升了一个数量级不止。

该机的浮壁式火焰筒。薄壁上的冲击孔和对流孔的位置稍有偏差,都会让散热效果大打折扣。

众所周知,日本在材料领域技术实力十分雄厚。尤其在军用高温合金、碳纤维材料、陶瓷基复合材料等领域世界领先。此次,XF9-1的火焰筒上就采用了SiC/SiC陶瓷复合基材料(CMC)。

XF9-1台架试验,启用加力燃烧器。

这是一种极具发展前景的航空发动机新材料。例如,碳化硅陶瓷材料的强度是传统合金钢的?1.5至2.5倍,密度也小于合金钢,可以降低发动机重量。陶瓷复合基材料中最先进的碳化硅纤维,在当下全世界只有日本和美国可以产出,而可以批量生产的只有日本碳素公司和日本宇部兴产株式会社。就连美国的“ADVENT”新发动机计划中,需要的碳化硅也由日本企业垄断。

碳化硅纤维。在航发上应用这一材料,耐热性可增强20%,重量反而减轻1/3,但生产困难和高昂的价格阻碍了它的大规模应用。

除此之外,涡轮盘采用了自行独立研制的TMW-24镍钴高温合金溶制锻造。摩擦焊接、3D打印等先进制造技术也被运用在生产中。

这些新材料和新生产工艺的应用,使得XF9-1的核心机可以在涡轮前温度1800摄氏度下稳定工作。甚至超过了F119发动机的涡轮前温度(1690摄氏度),已达到现代大型涡扇发动机性能的先进水平。

一体化动力设计

除了发动机本身,还配套研制了边界层隔道进气道、中央动力控制系统、180KW大功率启动器等与机体整合为一。意图组成一个具有较强隐身性能、耗油量低航程远、推力强劲、工作稳定的推进系统。

位于发动机下方的小型启动器(红圈处),为机载设备提供充足的电能。

有资料显示,XF9-1将会安装轴向矢量喷口,扩展部分可以自由偏转20度。矢量喷口技术的应用可以缩小机翼控制面的大小,既可以降低被探测面积,也可以明显提高机动性能。并且有利于降低飞行阻力,更容易实现超音速巡航。

日本航研实力不可小觑

日本的航空工业在“二战”后被拆分,但随着其“亚洲桥头堡”地位的凸显,美国开始扶植日本航空企业。日本政府也大力支持航空企业成长,从1952年颁布《航空工业企业法》以来,制订了一系列航空工业发展法案。并持续向企业提供占开发经费总额55%的政府补贴,其余45%的部分,企业可以从银行获得低息贷款,而且政府还会再补贴一部分利息。总体扶持力度不小。

而在企业方面,因为有“和平宪法”制约,日本军用航空只能潜身于民用航空之中,“寓军于民”,军民间可以快速转换。民用产品和军用产品往往在同一个企业,甚至同一个厂房内生产。有如三菱重工、川崎重工、石川岛播磨重工(IHI)等实力强劲的航发生产企业。它们不光谋求国内订单,还积极参与国际项目。1981年三家公司联合成立了日本航空发动机协会,集中全日本最强的航发研制实力走向国际市场。从承担非核心零部件制造,到成为全球核心零件的重要提供商之一,日本航发技术实力悄然增长。

日本研制的多种航空发动机。

XF9-1的性能细节还未公布。但它的前一代发动机XF5-1不开加力时推重比为7.8,而美国F119发动机则为7.2,最大的战斗机发动机,用于F-35的美国F135发动机则为7.6。当然,这一数据并不能反映发动机的全部性能。但从这一指标来看日本航发技术实力的确不容小视。

李曦 本文来源:网易谈兵 责任编辑:李曦_NN2587
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