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黑鸟三倍音速发动机难度远低太行 但中国仿制无意义

黑鸟三倍音速发动机难度远低太行 但中国仿制无意义

SR-71“黑鸟”家族能够实现3倍音速巡航,除了针对高速巡航优化的超音速升力体气动布局以外,发动机可以说是一个更加关键的因素。黑鸟系列采用的J58发动机设计始于1956年,在当年的设计极其超前,堪称逆天级别的神物。

但是技术始终在不断发展,J58发动机上的大量设计、材料、工艺在今天都已经完全落伍,除开特殊的双工作模式发动机所带来的超越3倍音速的巡航能力以外,它的其余性能指标并不突出。比如它的推力虽然高达14.7吨,但这是在2.95吨的体重下获得的,发动机推比只有5.23。

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J58进行地面测试

事实上J58发动机的结构复杂程度、部件工作的苛刻程度都远低于F100和F110这的第三代高推比(7-8)大推力涡扇发动机——美国在60年代中期都完全造不出F110这个级别的发动机,从以下几个方面都能很容易的看出来。

J58发动机的主要结构,是一台单转子的涡轮喷气发动机,采用9级压气机和2级涡轮。它的冲压工作模式,是在2.3倍音速以后,打开第四级压气机后的6根粗管道,让气流越过后面的5级压气机和燃烧室涡轮,直接进入加力燃烧室。而对于F110这样的发动机来说,复杂的放气调节系统并不缺乏;而显著提高性能和燃油效率的双转子结构,则在设计制造难度上比J58的单转子结构要高得多。

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图片:涡喷模式下工作的J58发动机,空气在燃烧室燃烧,推动涡轮旋转,驱动压气机压缩空气

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图片:当需要以2.3倍音速以上速度飞行时,J58发动机会利用6根大的引气管,把气流从第四级压气机就向外引出,直接越过中间的部分,在加力燃烧室内与燃油混合,并以冲压方式工作,减小推力损失。

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双转子的支撑和润滑设计都比单转子复杂的多

单转子发动机的压气机和涡轮是一根轴上装死了的,燃烧室里的燃气推动涡轮怎么转,压气机就怎么转;而双转子发动机要内外大轴套小轴,高压涡轮转动只带动高压压气机,低压涡轮转动只带动低压压气机。由于要多套一层轴,双转子发动机的支撑和润滑设计复杂性、难度远比单转子发动机要高。

其次从材料和工艺上说,J58发动机的工作条件放的很宽松(代价是燃油、推力效率低),其涡轮前温度只有1093度,而F110达到1371摄氏度。这意味着F110发动机的涡轮必须采用J58时代尚未能实用化、甚至是根本没有诞生的材料(比如高性能的定向凝固合金,或者单晶高温金属),以及当时工艺水平无法实现的冷却设计(需要在叶片内作出极为复杂的形状,以通过冷却气流)。

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图片:F110的9级压气机。发动机设计制造难度和水平的高低,和最大工作速度并没有直接的关系。

而国内现在的太行发动机,说的难听一点,就是在F110发动机的民用改型基础上,倒推仿制F110发动机的型号;在设计和制造难度上,基本与F110发动机处于同一级别。虽然国内现在做太行发动机还磕磕绊绊,但要仿制J58却不存在技术上的难度;最关键的问题是,3马赫级别的高速飞机现在相当尴尬,搞出来没有意义。

以黑鸟为例,虽然它在设计时做了一定的低可探测性考虑,但实际上黑鸟从来没能隐身过。这一方面是上世纪50年代根本没有任何计算能力、也没有成熟的理论去指导外形和涂料上的雷达隐身设计;另一方面也和发动机有关——黑鸟以3马赫或更高速度巡航时,持续性的高温高速喷流中产生大量的等离子体(低温等离子体最低只要727摄氏度就能形成),会形成明显的雷达信号特征。

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图片:未来具备强大突防能力的高超音速飞机,其发动机必须具备超音速燃烧能力,而这是J58发动机构架下不可能做到的事情

没有隐身能力的同时,现有的气动技术、材料结构技术并不足以支持3倍音速下还能进行高机动的设计。这些问题使3倍音速级别的高速飞机在现代防空系统的面前非常脆弱——弹道导弹的末端速度可比3倍音速要高。黑鸟实际上就是因为这个原因而退役的。

因此对于高速发动机来说,必须要将性能提升到5-6倍甚至更高的高超音速水平,才能对现代防空系统形成来不及防御拦截的致命威胁。而J58发动机的结构形式、设计、材料工艺上的潜力,都已经完全不可能满足这一要求。这也是中国有能力,但却不会去仿制J58的最大理由。

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