从中国研发垂直起降战机浅谈STOVL发动机.第二篇

万磁王

点评
　　各种矢量喷管的偏转机构机械系统都很复杂。这其中，复杂之又复杂的，就是3轴承偏转喷管的三维偏转方式。
　　难到什么程度呢？
　　由于三轴承三维偏转，各段筒体驱动力矩的计算极其繁复，理论公式已经难以完全把握，必须通过数值模拟及试验来确定经验公式和数值对照表，才能用于计算驱动力矩的大小。从公开的论文信息看，国内多家科研院所和大学机构，都进行了大量的数值模拟运算研究，以及运动学建模及试验。力图探索握矢量喷管在不同工况下的运动规律，特别是喷管偏转所需驱动力矩的计算是确定喷管作动系统体积、质量及设计复杂程度的关键。

国内方面
　　某大学对矢量喷管满足大矢量偏角和多任务作战需求的技术、偏转机构的设计及特性研究技术、高温下大角度偏转喷管的密封、冷却及质量减轻技术、飞机平衡技术、近地面条件下的升力损失评估技术进行了探索。

简氏报道中我国大学制作的三轴承旋转喷管模型

　　某大学动力与能源学院，对STVTOL战斗机用推力矢量喷管技术进行了分析。如：
　　单膨胀斜面喷管：英文缩写SERN，GE公司研制，是一种二元矢量喷管。SERN喷管依靠上挡板使喷流向下偏转。缺点是喷流在碰壁后（上挡板的偏转位置）向下通过下挡板边缘时会发生气流分离，从而导致严重的推力损失，而且重量较大。

单膨胀斜面喷管示意图

　　加力偏转喷管(又名增强分流喷管)：英文缩写ADEN, 洛克希德研制，用一个半圆铲形挡板进行喷流，用于替代SERN。

为了取代SERN喷管，洛克希德研究了一系列替代方案。增强分流喷管（ADEN）用一个半圆铲形挡板进行喷流偏转；改进型增强分流喷管（MADEN）使用可偏转上下挡板。最后3BSD喷管产生的垂直升力更靠近重心，而且重量最轻

　　转向喷管：始于RR公司研制，用于鹞式的飞马发动机。

万磁王

　　三轴承偏转喷管：始于雅克设计局，用于雅克-141战机，并被美国购买专利技术后用于F-35B。
　　某大学动力与能源学院进行了三轴承旋转喷管型面设计与分析，探讨了等直段、型面过渡段、收缩喷管段的设计方法。同时，基于某型涡喷发动机开展了数值模拟分析，发现喷管推力矢量有效偏转角与喷管偏转角度大致呈线性关系，则设计的三轴承旋转喷管具有产生矢量推力的能力，满足了型面设计的要求。
　　相比三轴承旋转喷管的理论研究和数值模拟研究，轴对称矢量喷管的研究速度似乎更快些。
　　某所进行了轴对称矢量喷管AVEN控制系统装机试验研究。在加力状态下，在给定偏转角最高达到27°，直至喷管偏转未到位未知。定量研究了喷管控制系统静态和动态基本性能、控制系统油源压力、流量对矢量系统性能的影响。此外，网传国内3元矢量喷管的偏转角可以达到25°。

我国的轴对称矢量喷管

　　兵器迷插一句，三轴承机械偏转喷管技术，是目前矢量高推的基本技术之一。不过从机械偏转技术跳出去看，采用流体推力矢量（Fluidic thrust vectoring, FTV），即利用二次气流对主气流的干扰形成推力矢量的技术，将是偏转喷管技术的大热门。与上述三轴承机械式偏转技术相比，流体推力矢量喷管结构更简单，更轻量、更经济，其反应速度更快，适应范围也更广。国内也在展开这方面技术的预研。

流体推力矢量示意图

万磁王

国内方面
　　某大学进行二次喷流控制推力矢量喷管的数值研究。实试验模型数据表明，当二次喷流与主喷流比值达到0.32时，主流可以开始产生矢量推力。试验模型可以达到的最大矢量偏转为46°。
　　中航某厂进行了一种新型双喉道射流矢量喷管的工作特性研究。
　　某航空动力系统重点实验室、某大学基于二维气动矢量喷管构型进行了详细的数值模拟，进行了次流通道对双喉道气动矢量喷管的性能影响研究。实验数据表明，喷管推力矢量角并不是随次流流量增加而一直增大，流量增加到一定值矢量角达到最大，之后再增加次流流量反而会使矢量角下降，而且推力系数和矢量效率也会显著降低。
　　由于这个技术只是将来时，有兴趣的朋友可以找资料看看，就不在此赘述了。
故事
　　讲技术实在太枯燥，嗯……这样吧，关于三轴承喷管和R-79发动机，兵器迷再絮叨一个故事，大家就当故事听，因为并未获得官方发布，而是来源于鹅毛的文章。还是那句老话，“如有雷同，纯属巧合”。
　　前文咱们说过，洛马参观雅克局后，其实R-79并未入法眼——洛马家11.7高推F119，第1台FX601在1986年10月就进行首次台架试车了，1994年中开始初步飞行试验，1997年交付第1台生产型首飞，1998年6月已经进行了8000余小时整机试车。瞧不上R-79了。洛马贼精，盯住的就只是三轴承喷管。用咱中国的老话说：买鱼头尾不要，只取中段儿啊，呵呵。都说买的不如卖的精，但其时俄方底气尽失，与美国又是蜜月期，转手就将珍贵的三轴承技术卖给了昔日的对手。
　　唉，俄罗斯当时真是连内囊都卖出来了。昔日帝国，一朝解体，龙游浅水遭虾戏，虎落平阳被犬欺。各位看官，真真看了一出杨志卖刀！
　　但是，中国和洛马就不一样了，别说三轴承喷管，就是R-79，对TG也是高大上。凭着中苏关系正常化和硬通货，经过艰苦谈判，成了R-79的第二个买家。、
　　1995年6月，中俄签订了转让R-79发动机生产许可证的协定。
　　1996年8月，俄"联盟"航空发动机科研生产联合体(就是R-79的娘家——图曼斯基发动机设计局)，向中国方面交付了R-79发动机的全套设计图纸及技术资料。
　　这个合同，还有两个看点：
　　一个是：俄方还同时交付了了制造R-79核心机的生产设备及生产制造工艺资料。这对后来中国涡扇发动机的发展起到了重要作用。
　　另一个是：中国期望同时获得的三轴承喷管设计，并未获得。
　　直到1998年亚洲金融危机，俄罗斯也陷入金融崩溃的边缘。这一次，中国终于抓住了历史的机遇。中国再次打开钱袋，不但将R-79B-300发动机的矢量喷管技术买到了手，同时也取得了俄方躺在图纸上当时无力继续研制的后继机型R-179-300（由莫斯科联盟航空发动机科技集团研制，推力20吨）设计方案和R-79M的设计图纸和技术资料尽数收入囊中。

R-179-300发动机

　　1996年开始，江和甫协同刘大响院士负责组织“九五”国防重大背景预研项目组织完成了推比10发动机的核心机三大件高压压气机、燃烧室、高压涡轮的研制。其间采用了航空动力许多前沿设计技术成果和大量应用新材料、新工艺，从而突破了160余项关键技术。中国WS15发动机今天的装机，为正在试飞的J20打造了一颗强劲的心脏。
　　关于这个故事，是有争议的。但大都承认一个事实，我们与鹅毛确有发动机技术合作。
　　新浪出鞘说R-79是大涵道比发动机，WS15是小涵道比，所以认为二者没有父子关系。
　　兵器迷是中间派，这么看这事：
　　一方面：R-79大涵道比，低压段对WS15可能没有参考性，但不代表高压段核心机不能参考和借鉴俄罗斯的技术再自主深度研发。​其实WS15与R-79的关系，并不重要。相对重要的是，TG是否真买过R-79的技术。如果买过，对后续中国中推和高推有所帮助，就是非常自然的。如果还买了对方的工艺技术和设备技术，那就是更加间接，但却是更加基础的帮助。我们完全不需要回避这一点——去查查洛马曾经和正在从RR那里学习到多少设计理念、制造工艺和材料技术，又有何妨？
　　​另一方面：顶级发动机技术，哪里有"抄袭"这一说。我反对R-79是WS15的爹，正如我反对说雅克是F135三轴承喷管的爹一样（美国三轴承喷管做了很多自主研发）。WS15对鹅毛的技术，就算有借鉴，也不是"抄袭'或'父子"。中国还出口英国罗罗叶片技术呢，so what？能说咱们是RR的娘吗？
　　​当然，我们还可以说，所有这些都不重要。因为最重要的是，WS10A/G和WS15我们自己搞出来了——这就足够了。​

神秘的WS15

　　故事讲完了，只是不知1996年第一次向俄方购买的时候，三轴承喷管为什么能卖昔日死敌帝国主义，不能卖昔日的同志加兄弟，原因何在呢？是价格不合适？是近邻的潜在威胁更大？还是对我们的轻视？
　　往事如烟，唯有乌苏里江的河水，奔腾流淌，一去不回。

万磁王

四、机械传动系统设计技术
　　前面第一篇谈过，驱动升力风扇时，需要驱动轴+离合器。这就需要两项关键技术：
　　9、大功率离合器技术
　　10、超大功率螺旋锥齿轮技术
　　离合器的2个主从动齿轮啮合副，各需传递20MW功率，比当前航空工业中螺旋锥齿轮传递的功率密度高约几倍到10倍，即约一个数量级。、

F-35B升力风扇的传动齿轮

万磁王

点评
　　前机身升力气流的机制，曾有多个设计方案，但都不够成熟可靠。最后洛马还是用了驱动轴。单单是这根轴，传动功率密度之大，对可靠性要求之高，堪称出奇。呵呵。真不知这根金箍棒，全球能做出来的能有几根。

升力风扇驱动轴

国内方面
　　2014年，某所和某学院进行了升力风扇传动结构的分析和设计，经过研究对比图-95涡桨（传动功率11MW），安-70桨扇(传动功率10MW),卡-28旋翼的传动系统（传动功率3.2MW），都无法达到STOVL升力风扇的传动要求，因此否定了所有类似的传统结构。并提出了能够传递20MW功率的传递方案，用一个锥齿轮带动两侧的从动锥齿轮形成2个啮合副，并分析了关键结构特征。
　　写到这里，已经向大家蜻蜓点水了四大类十种关键技术。这些技术都处于航空动力的前沿，也是STOVL推进系统的拦路虎。为此，兵器迷一方面慨叹美帝的雄厚科研基础和工业实力，另一方面也对中国海军的短垂推进项目充满了期盼——以STOVL发动机技术的高大上，说这是对中国航空动力工业设计、材料、工艺、控制技术和工艺的综合大考，绝不为过。这需要技术积累，需要海量投资，最需要的，则是百折不挠的勇气和一往无前的信念。
　　中国航空动力，加油！
　　讲完了技术，我们不禁要问，中航工业这次短垂项目的披露，应当如何解读？
　　预知后事如何，且听下回分解。
　　
注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：

《STOVL战斗机的发展》

《STOVL推进系统关键技术》

《STOVL升力风扇估算模型》

《矢量喷管控制系统和关键技术研究》

《矢量喷管实验和数值研究》

《航空动力学报》

本文同时引用了晨大的多篇博文和图片，在此一并致谢