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认识不清、决心难定:涡桨10进度缓慢,只因中型运输机软弱落后

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目前国内的航空发动机研制水平,在不同的领域差异非常大。战斗机用的大推力发动机,由于重视程度高,积累的型号经验也相对多,其实是和美、英、法这三个真正航发强国之间, 差距最小的类型。

涡桨发动机上,国内新一代4k千瓦功率级别的涡桨10,研发进度上十几年间存在较为明显的拖延,技术差距与国外相对战斗机涡扇更大固然是一方面,但在需求论证上迟迟下不定决心,反而是更为重要的原因。

一:涡桨10项目在很长时间内并不受重视

在上世纪90年代末到21世纪初期,国内出版的国内发动机设计/制造类的理论著作中,对于轴输出功率类的涡轴/涡桨发动机的需求重点预测,分别是5~6吨级武装直升机的涡轴发动机,以及新支线民用客机的动力——总功率1500~2200千瓦级别的涡桨发动机。

与此对应,对于涡桨/涡轴类的重点设计方向研究,也完全放在了小功率级别的型号上。

图:黑鹰直升机的T700发动机,是国内涡轴发动机研发的关键参考对象之一

比如当时国内的设计师,非常推崇把涡桨6发动机代表的传统全轴流叶片式的压气机布局,改为“多级轴流+一级高压离心叶片”布局,并把这个方向作为中国未来涡轴发动机性能提升的核心突破口。

而这种设计要实现效率上的显著优势(更短、更轻、更便宜、更省油),一方面需要以轴流式压气机因为尺寸效应而导致效率迅速降低作为前提,另一方面又要以非常高的压气机转速作为实现基础,这都是小型发动机(尤其是中轻型直升机涡轴发动机)才会具备的关键特征,并不适合中大型涡轴发动机。

图:运12F采用涡桨9的发动机,是直9(法国海豚国产版)直升机发动机的轴改桨产物

图:直9直升机

图:阿赫耶发动机的剖面展示

从动机上说的更彻底一点,这个大方向的真实目的(至少在当时而言),就是把涡桨发动机的设计能力,集中在发展“轴改桨”上——即以从西方获得的较先进直升机发动机为基础,衍生出相同、近似级别的涡桨发动机。

这种预测直接反应了当时的远期型号规划中,根本没有涡桨6的后继者——即接近、达到4000千瓦的新一代型号。这种背景下,涡桨10这个项目的推进,在很长的时间内都一直处于摇摆不定的反复状态。

二:舰载预警机养不活一个发动机系列,根子还在中型运输机

涡桨10长期不受重视的最深层原因,在于对中型战术运输机的运用认识问题;舰载预警机的动力困难,则是覆巢之下焉有完卵的必然结果。

因为舰载预警机的数量注定非常少,只靠它以及衍生的舰载运输机的机群规模,是不可能把一种全新高性能发动机的研制费用摊薄到经济上可接受的程度的,它必须借用、或是共用其他机种的发动机。

图:E-2与大多数C130使用同一系列的发动机

以E-2系列为例,这个系列问世70年,是全世界销量最大、装备国家和地区最多的双发预警机,但全部产量迄今为止也不过300架出头。而其装备的T-56发动机,总产量超过18000台——其中一万多台发动机,用在了产量超过2500架的四发C130运输机上。

所以国内要获得足够的发展涡桨10的动力,仅有舰载预警机的需求是严重不足的,还必须要有更多的机种来共同装备涡桨10——比如研发新一代中型战术运输机,给现有的运8系列进行换发改进等。

而正是在这两个问题上,国内长期存在很严重的分歧。

三:体制内传统观念对新中运的质疑,要之何用?

中型战术运输机虽然在二战后战争史上功勋赫赫,但真正发展成功的例子其实仅有美国C130。

苏联的中型运输机AN-12是完全失败的产物,苏军后期的空运力量建设已经在事实上抛弃了该机,而是以伊尔76这样的大型喷气式运输机作为骨干,承担了绝大多数战术运输用途。

1、美式军用空运的特点

图:C130极为出色的低速飞行能力,使它具备了对直升机进行空中加油的能力。美军蛙跳战术、远程特种作战中,直升机性能的高度自由发挥,完全离不开C130空中加油机的支持

因为C130是真正基于战争经验总结而设计的军用运输机,其设计初衷极其强调以下几点:

1、超强的短距离起降能力,对烂地跑道的超强耐受能力。2、极佳的低空低速控制能力。3、应对恶劣气候现象的能力。4、非常强的抗战损能力。

以上这些设计需求,均要付出非常大的设计代价才能实现。比如C130为了产生足够的低速升力、并在灾难环境(比如结冰、比如被火炮打击后破损)下保存更多生存能力,机翼面积(162平米)非常大;比同级别的AN-12/运8(121·86平米),要多超过40平方米。这个数字的比例高达AN-12/运8机翼面积的1/3。

美国空军的C130,不包括加油机、电子机、炮艇机等特种机型,纯运输型就有近400架,和C5、C17等大运比起来数量要多出20%左右。即在其空中运输力量的结构组成里,重型运输机的比重非常大。

造成这种现象的原因是,军用空运中,大型(C141)、超大型运输机(C17、C5)的运载能力(包括货舱尺寸、载重量、航程),都是根据一些极端作战需求制定的;这种能力不能没有,但大多数时候都得不到完整利用。

而C130运输机的低成本、以及更强的前线起降能力,能有效的弥补大型、超大型运输机在成本与灵活性上的不足。

2、俄式军用空运的特点

图:安-10客机

图:安-12与C130的平面形状对比,注意C130机翼、尾翼相对于机身的大小比例都要显著高于安-12,且机翼外形也是强化起降而不惜增大高速阻力的设计。两者的吨位非常接近,事实上安-12的空重(35488公斤)比C130(34274公斤)还要重一吨多。

而AN-12的基本设计,是AN-10客机把乘客舱改货运舱的产物,根本就不是军用运输机的底子。这个飞机的气动设计,纯粹是围绕让远程飞行的巡航速度更高、更省油而展开的;上述C130的设计重点,AN-10一个都没考虑。

图:2006年6月3日,中国一架俗称“平衡木”的空警200预警机在试飞中因为遭遇严重结冰而坠毁;全机5名机组人员、35名电子专家全部遇难无一生还。这是自建军以来,解放军损失最为惨重的一次空难事故。

比如AN-12/运8应对空中结冰能力极差,由此导致大量灾难性事故,和它为了省油(减小重量、阻力)而采用小机翼面积设计就有非常密切的关系——机翼没有足够的升力储备,来应对结冰后的升力急剧衰减,结冰现象稍微严重一些,飞机就无法维持飞行而坠毁。

AN-12作为军用运输机的性能,烂到了这样的地步:短距起降能力、应对恶劣跑道能力、复杂地形飞行能力、恶劣气候飞行能力;全面性的远远不如后来的伊尔-76大型运输机。

俄罗斯近年只保有50架不到的AN-12,数量只有伊尔76、安-124等大型运输机的1/4不到——因为这东西如果不是价格和油耗相对较低,在伊尔76前面根本就没有存在价值。

3、国内军用空运的现状

与俄国不同的是,由于国内此前没有大型运输机的设计制造能力,因此军队严重依赖于仅有的安-12国产化平台,作为空运主力;90年代之后虽然陆续进口了一些伊尔76,并在近年实现了运20的定型和批产,但此类飞机的数量依然是有限的。


和苏俄相似的是,中国对于高烈度战场环境下,抵近一线火力运用中型运输机的经验积累都是完完全全的空白。军队的观念和制度设计——尤其是跨军种联合作战的体系框架设计中,也难有这种作战方式的容身之处。

与美、俄均不相同的国情差异,使得体制内对中型运输机的看法出现了大量的分歧。

图:运20

一部分守旧派认为,目前的运输机型号发展已经能满足需求,继续把运8用下去即可;一部分崇美派认为,应该学习美国,开发具备C130能力特点的新一代中型运输机;一部分崇俄派认为,可以直接用伊尔76、运20这样的机型作为军用运输的主力,逐渐淘汰掉运8。

这就是为什么新中运这个项目,在国内呼声多年,推进的却始终非常缓慢的关键原因之一。

虽然在急迫程度上,新中运远不如舰载预警机重要,但对发动机的装备数量差距太大;因此若没有新中运的项目需求,涡桨10这样的新发动机项目就缺乏了最大、最主要的推动力来源。

四:运8改装涡桨10的阻力——单价能顶四、五台涡桨6

在之前的文章中,笔者详细介绍了涡桨10发动机的改进方向。和国内现在使用的涡桨6系列发动机相比,自由涡轮和前输出轴布局带来的结构复杂化,高性能部件带来的材料、工艺升级换代,都会带来制造成本的迅速攀升。

特别是在前期,研制费用无法得到足够分摊、制造装配过程中的不合格率高发,又会在相当大程度上,继续推高涡桨10发动机的成本。像这样全新构架的换代发动机型,单价比涡桨6这种几十年前俄式设计的成熟型号高出好几倍几乎是不可避免的。

图:涡桨6发动机源于苏联AI-20

这就成了运8系列机种改装涡桨10发动机的最大阻力。新发动机的性能确实很好,但在一台发动机价格能抵得上运8飞机4台发动机甚至还多的情况下,换装涡桨10的代价就变得非常高昂了。

高性能新机配旧机,飞机的性能会成为瓶颈,发动机的性能进步不能完整体现、进而表现为“过剩”,导致发动机性价比显著下降,这种现象在运输类飞机上其实颇为常见。

比如运载货物的能力,就涉及到货舱尺寸(能装多大)、机体结构(能装多重)等条件的制约。

旧机换新发的时候,如果机体这些方面不做针对性改进,则相关的旧设计依然会成为瓶颈;并不是光靠发动机功率提升20%,整体性能就能跟着全面提升20%的。

C130运输机就存在类似的问题,不少用户更换AE2100发动机后,干脆把功率调低了一千多千瓦使用,以延长寿命、降低油耗和维护费用。在运8改装涡桨10的问题上,存在类似的问题——它对发动机性能改善的敏感程度,远远不及舰载预警机。

图:新中运模型

涡桨10的性能提升,在运8上的发挥本身要打很大的折扣,其能带来的改善,主要在以下几个点:

a、起降距离会有一定程度缩短,但幅度不是特别大,起飞距离缩短会更明显一些。

b、油耗降低,航程和滞空时间增大,这个幅度应该比较明显。

c、发动机冷机启动速度大幅度提升,特别是高原环境下启动时,可靠性和速度提升应该会非常显著。

这些性能的改善,是否值得花特别大的代价去换发,各方面认识不一,分歧非常激烈,是涡桨10项目长期充满争议,决策推进缓慢的另一个核心因素。

结语:

从目前的情况看,涡桨10项目是中国航母战斗力的关键一环,它的研制装备已成定局,只是批产装备的时间问题。

而怎么去处理摊平涡桨10发动机的研发成本,让它在中国航空工业和空中力量的建设中发挥最大的作用?

这个问题牵涉到中国未来中型运输机的发展走向,目前各方面的争议和分歧依然很大,仍未到
水落石出的时候。

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