五代舰载机垂直/短距起降时,其升力风扇能否用涡轴发动机驱动?

飞帅 2022-09-12 19:14:23

虽然我国从苏联/俄罗斯进口了大量军工产品,但就自行研制的装备而言,总体上遵循的还是更加科学合理的欧美路线,结果就是美帝有的我们基本上都有,美帝没有的我们不一定没有。但F35B却是一个例外,它服役都快10年了,而我国类似型号却连个影子都没有。原因除了长期存在的航空动力不足以外,就是中美在传动系统上的技术差距太大了,当年CH47的仿制失败就充分暴露了这一点。而F35B之类的垂直/短距起降战斗机恰恰非常考验一个国家在动力和传动方面的技术水平。

垂直着舰的F35B

但时移世易,在我国已经拥有海南舰、广西舰、安徽舰3艘排水量超过4万吨的075型两栖攻击舰时,对垂直/短距起降型舰载机的需求已经非常迫切,到了必须展开研发的阶段。如果075能像美国“的黎波里”号那样搭载20架中国版的F35B,将会明显强于辽宁舰、山东舰之类的滑跃航母,说战斗力提升10倍也不为过。

满载F35B的“的黎波里”号

在我国舰载五代机只有歼35一个型号的情况下,以其为基础发展中国版的F35B是最现实的选择。相比歼31,歼35的体形大了一圈,尤其是座舱后的机身截面显著增加,更巧的是歼35的座舱盖也是像F35B那样是向前开启的,这就为升力风扇以及传动系统的设计和安装提供了基本的空间。

但这只不过是一个前提,我国发展垂直/短距起降型舰载机面对的最大难题还是动力和传动这两个子系统。即使能够在歼35的座舱后面设计升力风扇,按照F35B的动力布局,升力风扇是由发动机带动的,这会使本来就不充沛的动力更加孱弱。以歼35试飞用的涡扇13E“泰山”发动机为例,推力只有9吨左右,即使是涡扇19,推力也只有9500公斤,而F35B的F135-PW-600发动机推力高达18.5吨,它一台就顶你两台。推重比上的差距则更大,F135-PW-600达到了10,而涡扇13E是8,涡扇19的推重比也就是9一级别。最关键的是F135-PW-600已经是批量生产的成熟动力,涡扇19还处在研制阶段,这就意味着预期的可用动力差距还会拉大,F135的改进型号已经增推到20吨。

F35B的F135-PW-600发动机功率强劲

但动力还不是垂直/短距起降版歼35面临的最大难关,最大的难关是需要攻克由传动轴、锥形齿轮、离合器等部件组成的传动系统。F35B的升力风扇为两级反向旋转结构,直径达1270毫米,高度正好也是1270毫米,它自身没有驱动装置,需要用一根贯穿机身的传动轴连接主发动机,由主发动机的低压涡轮来带动升力风扇旋转。这就像水面舰艇的螺旋桨需要用长长的传动轴连接主发动机一样。

F135-PW-600发动机用传动轴与升力风扇连接

但F135-PW-600的低压涡轮是在垂直平面转动的,升力风扇却是水平旋转的,也就是说,升力风扇无法直接使用低压涡轮传递过来的能量,需要一组锥形齿轮将低压涡轮驱动轴的扭矩旋转90度再传递给升力风扇,但在传递过程中的动力损失是不可避免的。

F35B主发动机与升力风扇的传动装置示意图

但F35B的升力风扇和传动系统只在起飞和降落时才工作,这就需要一个离合器用来控制升力风扇与主发动机的连接。当F35B需要短距/垂直起降时,离合器就把升力风扇与传动轴连接起来,主发动机低压涡轮的动力通过锥形齿轮传递给升力风扇,驱动升力风扇旋转,从风扇上方的进气口吸取空气向下方喷射,提供升力。当F35B平飞时离合器将风扇与主发动机的连接断开,风扇停止工作,主发动机的能量全部用来为飞机提供推力。

从两栖攻击舰短距起飞的F35B

F35B升力风扇的举升力可以达到89千牛,这已经与涡扇13E的推力相当了,为此传动轴要以 8000 转/分的转速传递 2.9万马力的轴功率,054A型护卫舰4台柴油机的总功率才2.8万马力,足见这根小小的传动轴材料强度之高。F35B传动系统结构之精巧,工艺之精湛,材料要求之高,几乎达到了目前人类的极限。不巧的是航空发动机、精密机械和高强材料都是我国的弱项,这就决定了研制中国版F35B的艰难程度。

F35B的传动系统示意图

但这还不是最棘手的,最棘手的是歼35采用了与F35B迥异的双发布局,双发布局使其比单发布局更难设置升力风扇和传动系统。双发布局意味着要把两台发动机低压涡轮的动力传输到两根传动轴上,需要两部锥形齿轮、离合器和升力风扇,而且两部升力风扇的能量输出要同步,以保持举升力的协调一致,也就是说垂直/短距起降版歼35如果采用F35B的动力布局,复杂程度将会翻倍,以我国本就薄弱的基础,这是完全无法做到的。

双发布局使歼35需要两套传动系统和升力风扇

那除了传动系统加升力风扇,要实现垂直/短距起降,还有别的办法吗?不仅有,还有好几个:

一是像雅克38/雅克141那样用专门的升力发动机。那样虽然可以避开最棘手的传动问题,但缺陷更加明显,升力发动机它除了辅助起降外,在巡航和作战中几乎没有什么用处。而且升力发动机的体积和重量可要比起升力风扇及传动系统大多了,而且在满是精密电子设备的座舱后方设置喷气式发动机,隔热和冷却也是一大难题。

采用升力发动机的雅克141

二是采用类似“鹞”式战机那样的四喷口发动机。“鹞”式战机的“飞马”发动机不仅有4个转向喷口,而且它们还可以旋转0-98.5°。这就使得“鹞”式战机能通过改变喷口的喷射方向,获得垂直起降、过渡飞行和常规飞行所需的矢量动力。当飞机垂直起飞时,飞马发动机的4个喷管转到垂直向下的位置,在喷气反作用力的作用下产生向上的推力,使飞机垂直上升。短距起飞时,喷管先是水平向后产生向前的推力,使飞机滑行加速,然后再迅速向下旋转60度,再借助机头甲烷喷嘴的作用,使飞机在很短的距离内起飞。此外,4个喷管还可以从向下的垂直位置再向前偏转8度,这时如果在地面着陆滑行就可以形成刹车反推力,如果是在空中就可以使飞机倒退飞行。

可见“飞马”发动机用4个转向喷口同时实现了F35B主发动机和升力风扇的功能,还省去了复杂的传动系统,就其本身来说更加高效,但却并不适合歼35。因为“鹞”式的4个发动机喷口必须布置在飞机中心线附近才行,但现代先进战斗机的发动机基本上都设计在飞机尾部,这也是F35B放弃这种4喷口发动机的根本原因。

“鹞”式的4个发动机喷管在飞机中心线附近

三是给075型两栖攻击舰装备电磁弹射器。但这个办法看似简单实则可行性很低,先不说改装难度,光是弹射的能量来源就很难解决,075装备8台柴油机已经够复杂了,再往上堆发动机和发电机就得不偿失了。

既然很难用传动系统驱动风扇,升力发动机和4喷口发动机又不可行,那么用涡轴发动机来驱动升力风扇呢?用涡轴发动机就不会占用本来就不足的动力,而且避开了复杂的传动系统,也就没有传动引起的动力损失,更不会在座舱附近出现升力发动机的高温现象。

我国新研制的ASE100涡轴发动机就很适合驱动升力风扇,它采用了进气机匣与滑油箱的一体化设计,管路内置,附件传动装置也高度集成化,这就使它非常的小巧紧凑,可以装备彩虹无人机,但它的功率又高达1000千瓦,简直就是垂直/短距起降版歼35的不二之选。但071型两栖攻击舰的飞行甲板还要进行改进,以便能够承受垂直起降的高温燃气。

ASE100涡轴发动机既小巧玲珑又功率强劲

总而言之,如果能用ASE100驱动垂直/短距起降版歼35的升力风扇,在避免各类传统垂直/短距起降动力装置固有弊端的同时,还展示了巨大的潜力,因为升力风扇的驱动是随着涡轴发动机的发展而发展的,而恰恰在涡轴发动机的领域,中美的差距最小。祝愿我国075型两栖攻击舰早日装备垂直/短距起降版歼35,成长为像“的黎波里”号那样的“闪电”航母。

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评论列表
  • 2022-09-19 08:38

    中国根本没有研制垂直起降战机的基础,还不如075带电弹,搞076,平时带大型无人机,必要时带歼35,弹射起飞的飞机作战性能比垂直起降的高太多。

    爱做梦的洪秋 回复:
    问题是如果有人觉得如果能弄这个风扇和轴,对技有促进作用,就会去弄,当作基础研究。
  • 2022-09-25 16:51

    本来就腿短,在增加一个发动机,腿会更短了