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捷报频传:两款国产新型发动机装机,运-20B、歼-20B或将量产?

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2022年元旦刚过,国产高性能航空发动机领域就捷报频传。网络上先是曝出歼-20搭载一台新型发动机进行空中测试的影像,与此同时,西飞装备国产发动机的运-20进入试飞末期的消息,也得到了基本确认。如此看来,这是继去年官方发布有关歼-20换装国产发动机、运-20搭载两款国产发动机试飞等好消息之后,有关歼-20、运-20使用国产动力的最新动态,基于当前装机试飞测试的整体状态,可以判定国产航空发动机,尤其是关键型号的涡扇发动机,终于迎来了里程碑式的突破。


歼-20空中测试的资料

在2020年9月底,官方发布了歼-20最新批次已换装国产发动机的消息。虽然官方并没有正式公布新发动机型号,但分析歼-20在2021年初的空军宣传片中表现的基本状态,以及歼-16赴俄罗斯比赛和歼-10C对外展示的诸多特征,外界普遍认为,被称为“空军三剑客”的三款主力战斗机,都搭载了涡扇-10最新型号。有观点援引之前涡扇-10A、涡扇-10B的命名规则,将这款发动机称为“涡扇-10C”,当然这个说法尚未获得官方认可。事实上,新发动机代号如何并不关键,原本规划就是用于歼-10的涡扇-10发动机,虽历经波折,终于在立项30余年后装备歼-10C,这本身就有着非常重要的意义。


歼-20早已更换国产发动机

对现代航空发动机来说,最关键的两个特性在于推力和可靠性,前者是发动机最直观的性能展示,而后者则意味着发动机稳定工作的持续时间,两者相辅相成,缺一不可。早期涡扇-10受制于国内薄弱的技术基础,推力虽然达到一定水准,但可靠性一直存在明显不足。对于歼-10这种单发战斗机来说,一旦发动机出现问题,往往意味着难以挽回的后果。因此,早期的涡扇-10基础型、涡扇-10A,甚至是后期的涡扇-10B,一直都装备于歼-11、歼-16这种双发战斗机。歼-15虽然也是从歼-11演化而来的双发型号,但由于舰载机对可靠性的特殊要求,因此与早年的歼-10A、歼-10B一样,都使用俄制AL-31F系列发动机。


舰载机对发动机的可靠性要求苛刻

如今,最新型涡扇-10终于应用于歼-10C,这说明不仅其推力获得进一步提升,过去最拉胯的可靠性也终于获得了空军认可。从批量装机的角度来看,国产涡扇-10终于达到了全球第三代发动机的主流水平,与美国F-110、俄罗斯AL-31F后期型号,基本达到了同一水准。虽然比起这两款发动机出现的时间晚了许久,但相比30多年前歼-10立项之时,国内航空动力技术极度落后导致的无奈和尴尬,已经有了翻天覆地的变化。当时国内多个战机项目,都因为缺乏高性能发动机,有的不得不停止研发,有的甚至计划使用涡喷发动机过渡。当然,当前的涡扇-10也并不是完美无缺,根本的问题在于,其性能对歼-20来说仍然不太够用。


搭载涡扇-10的歼-20还不算完美

第四代战斗机涵盖的隐身、先进航电、超机动性、超音速巡航“4S”性能指标,最初由美国空军提出,并得到广泛认可。就目前来说,歼-20、F-22、F-35、苏-57四款隐身战斗机中,苏-57由于俄罗斯航空工业的逐步衰落,四项技术标准都有明显不足;F-35则由于一机多型的特殊设计,使得其机动性和超音速巡航能力受到明显影响;唯有F-22和歼-20,从设计目标到作战定位,均是奔着完整的4S标准而去。

算起来,F-22似乎更符合4S标准,上述四项关键性能仍然首屈一指。相比之下,歼-20虽然凭借晚诞生20余年的后发优势,搭载的先进航电系统在架构上超越了F-22,隐身性能也与F-22旗鼓相当甚至略胜一筹,但其机动性能和超音速巡航能力,与F-22仍有一定差距,而不足的根源,就在于装备的发动机。


F-22曾经碾压全球战机

F-22搭载的F-119高性能发动机,是全球第一款实际应用的第四代发动机,最大156千牛的推力,足以支持F-22以1.4马赫的速度巡航超过30分钟。再加上尾部搭载的二元矢量喷管,及经过充分优化的气动控制系统,F-22能在超音速巡航状态下,做出此前战斗机无法做出的高机动动作,这种超机动性与超音速巡航结合在一起的效果,绝非一加一等于二那么简单。


F-22使用的F-119发动机曾领先一代

美国空军曾经使用AIM-120C5型中距空空导弹模拟攻击F-22。当F-22分别进入超音速巡航或超机动状态下(均搭载龙伯透镜放弃隐身),AIM-120C5在良好气象、电磁条件下,可以保证60到70千米的有效杀伤距离。然而,当超音速巡航与超机动性相结合,AIM-120C5不仅要花费更多的时间,来追踪跑得很“快”的F-22,还需要留存更多的能量以应对F-22的末端机动,其有效杀伤距离直锐减至不足30公里。而这还仅仅是超音速巡航与超机动性结合的一个例子而已,其在其他领域的应用更加惊人。


F-22搭载的AIM-120性能超群

对于目前搭载涡扇-10的歼-20来说,这意味着即使国产霹雳-15已经具备了与AIM-120最新型号相似的性能,但由于歼-20机动性和超音速巡航能力的不足,在面临F-22时,仍然会不可避免的出现一定劣势,想要从根本上解决这个问题,目光还是要聚焦在涡扇-10上。毕竟涡扇-10本质上只是一款第三代发动机,与F-22搭载的F-119有着一代的明显差距,在推力上的直接差距最终将传导于战斗机的机动性、超音速巡航以及各个方面。想要解决差距,就需要歼-20将自身的动力系统,升级到与F-119接近的水准。


歼-20与霹雳-15的配合相得益彰

种种迹象看,歼-20当前测试的新型发动机,应该是一款尚未成熟的型号,绝对不是已经在歼-20上大规模应用的“涡扇-10C”。按照发动机的正常研发流程,这种正在进行上机测试的新型发动机,已经完成前期设计,并在地面上经历了数千小时的试车试验。事实上,正如同战斗机试飞、军舰海试一样,发动机将在地面长时间试车过程中,解决暴露出的问题。证明基本性能没有大碍后,再搭载到较为成熟、安全性较高的型号进行实装验证。一般来说,是歼-16或者歼-11BS这种双座双发战斗机,以尽量降低战斗机平台带来的风险,同时也是进一步验证发动机的基础性能,最终才会搭载到像歼-20这种目标机型上,进行更高性能的测试。


发动机的地面测试会持续很长时间

从此次流出的少量资料来看,歼-20所测试的新动力,大概率就是最初规划与歼-20配套的“涡扇-15”,设计水平和应用技术,均达到了与F-119同一层次。鉴于其目前已经进行到后期试验阶段,如果一切顺利的话,大概再花一到两年时间就能进入小批量生产。当然,像这种高性能航空发动机的跨代,在量产早期都会存在一定问题,比如说歼-20是在2016年投入小批量生产,但到2018年才解决最后存在的问题,正式大规模量产。


如今歼-20的规模已经很可观

涡扇-15预计在小规模量产后,还会再花费两年左右的时间,解决大规模应用的些许小问题。也就是说,其最终会在2025年左右大批量生产,以彻底化解歼-20当前存在的动力隐患。在追平与F-22超机动性和超音速巡航能力差距的同时,凭借隐身性能和航电性能的后发优势,真正实现超越F-22的水平。同时,美国F-35由于一机多型的设计,包括背后升力风扇空间、机身弹仓、尾部矢量喷管等都存在诸多局限,与完整形态的歼-20差距明显。届时,将第一次出现中国制造的主力战斗机,在质量上超越美国主战机型的情况,这将是中国航空工业发展进程中的重大成就,恐怕也将是全球航空领域的重大转折。


一机多型是F-35的成功,却也带来了诸多问题

相比之下,运-20搭载国产发动机进入后期测试的现实意义,比起歼-20换装动力要略逊一筹。目前外界普遍预计,运-20搭载的新型国产发动机,大概率就是2021年9月官方发布的两款国产动力之一,更具体一点,应该就是外界流传许久的“涡扇-20”,不过这种问题暂时无法获得官方证实。但无论如何,随着运-20搭载的国产发动机即将结束测试,按照正常编号,会被称为“运-20B”的型号也将小规模量产。如此一来,包括战斗机、运输机、轰炸机在内的军用主力机型,将彻底解决完全依靠别国动力的问题。


搭载国产新型发动机的运-20

事实上,自从上世纪90年代初期,我国与俄罗斯开启新一轮军事交流以来,空军先后从俄罗斯成规模引进了RD-93、AL-31F和D-30 KP2这三款发动机。其中RD-93早年曾一度考虑应用于歼轰-7,但由于国产涡扇-9(仿制英国“斯贝”发动机)进展顺利,后来又从英国获得了一批原版“斯贝”发动机作为过渡,因此RD-93最终并没有上机,而是用作巴基斯坦“枭龙”战斗机的动力,国内只是在RD-93基础上,仿制了涡扇-13作为技术储备。


“枭龙”搭载了俄制发动机

但AL-31F作为一款优秀的第三代航空发动机,在中国空军装备应用非常广泛。除了早年整机购买的苏-27UBK(苏-27SK已经全部退役)、苏-30MKK,以及后来引进的苏-35SK,所搭载的不是AL-31F系列,早年生产的歼-11A、早期型歼-11B、歼-15、歼-10A、歼-10B,甚至早期歼-10C、歼-20,都使用了不同型号的AL-31F,总进口数量超过800台(不包含整机),至今仍然在空军大规模使用。更重要的是,在同一阶段发展的国产轰-6第三代发展型号及运-20,也搭载了来自俄罗斯的D-30 KP2。自2009年2月签订第一批引进合同至今,国内先后前后引进了近500台D-30 KP2,目前生产的轰-6K、轰-6J、轰-6N,以及运-20,均搭载此型发动机。


目前运-20仍然使用俄制动力

也就是说,除了RD-93因故未在空军装备之外,AL-31F和D-30 KP2,长期在中航工业各型军机中担当主力发动机。客观来说,这两款来自北方的先进发动机,化解了当时国产发动机技术落后、难堪大任的问题。但这种大部分主战型号的动力,都来自其他国家的情况,对任何一支空军来说都是存在隐患的,很有可能受到外界环境变故而发生意外,甚至会影响一个国家的整体战略安全。


AL-31F成为中国军机主要动力,方便后勤的同时隐患也很大

这也是当年国产涡扇-10基础型虽然存在不少问题,但国内仍然坚持在在歼-11B上大量搭载的原因,即便因此导致歼-11B战斗力生成时间大幅拖延也在所不惜(20008年就已服役,但直到2012年才形成战斗力)。一方面,这是为了保证在AL-31F在出现意外时,可以由涡扇-10作为备选;另一方面,也是从长远考虑,在未来替换AL-31F。就目前来看,涡扇-10很完美地履行了必要时作为过渡,以及最终取代AL-31F的使命,成为目前歼-20、歼-16、歼-10C的唯一动力来源。但国内在D-30 KP2之外,却一直都没有类似“涡扇-10”的替代型号存在,对第三代轰-6和运-20的生产造成了很大的影响。


涡扇-20早已搭载于伊尔-76平台验证多时

按照俄罗斯土星科研生产联合体向中国出口D-30 KP2的数据来看,自2017年开始,每年的出口数量始终在35到45台之间,基本可以认为这是能向中国稳定供应的数量,而目前一架运-20需要使用四台D-30 KP2,一架轰-6需要两台D-30 KP2。换句话说,俄罗斯每年提供的D-30 KP2数量,最多能够生产约12架运-20或24架轰-6。鉴于目前国内同时生产这两款机型的现状,两个数字还需要进一步权衡,而这显然并不符合目前对两款战略机型的迫切需求。因此,唯有大力发展国产同类型号,才能解决发动机产量跟不上整机生产速度的问题。


从某种意义上来说,运-20是三军战略转型的支柱

另一方面,运-20原本规划的最大运输重量在66吨左右,具备搭载一台完整状态的99A及其附属设备,以及全部坦克班组人员进行转移,并在24小时抵达边境热点区域的战略机动能力。但由于D-30 KP2性能仍有不足,使得目前运-20的最大载重量只有约55吨,虽然说也能搭载一辆,去掉附加设备、配件和人员的99A,但已经濒临极限运载重量。同时,由于主战坦克密度极高,对运-20重心平衡影响极大,在实际行动中存在较大风险。因此到目前为止,这种战略运输机与陆军主战坦克结合的战略转运方式尚未实现,这也成为目前运-20较大的遗憾。值得期待的是,随着国产“涡扇-20”的正常发展,按照正常编号将被称为“运-20B”的改进型号小规模量产,无论是后续生产数量及搭载重量,甚至与99A的充分结合,都能在不久之后成为现实。


“20”家族最后一位成员也拥有了成熟可靠的动力

无论“歼-20B”还是“运-20B”,甚至是已换装国产1500千瓦级涡轴-10,三次进入高原试验的直-20,都表明“20”系列航空器,虽然早年都受到国产发动机性能不足的影响,导致战斗力不能完全达到设计目标,但随着国产动力的加速发展,如今都在走向成熟和完善阶段。这三款同为“20”的先进空中平台,开始以昂扬奋发的姿态,向外界展示自己的强悍魄力。从早期型号到成熟型号的经验积累,已经推动我国航空动力领域已经跨入新的技术层面。值得一提的是,搭载在“运-20B”上的涡扇-20,也足以成为“20”家族最后一位成员的可靠动力,成熟稳定的动力也将大大缩短这位新成员从诞生到量产的时间。届时,“20”家族四名成员并肩齐飞的画面,将是中航工业发展史上前所未有的壮观景象。

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