中国心 第四代“中国心”

　　2011年1月互联网上集中出现了疑似中国新一代战斗机的图片，并于1月11日首飞成功，应该可以在2020年前装备部队并形成初始作战能力，这无疑大大鼓舞了时刻关注祖国航空力量的军迷们。不过，大家最关心也最担心的问题就是――动力会不会再次成为新一代战斗机成功道路上的最大障碍？
　　
　　新一代战斗机的动力需求
　　
　　新一代战斗机应该属于重型空优战机，必须具备超音速巡航能力。需要指出的是，对于超音速巡航，很多人理解并不准确，认为超音速巡航就是不开加力能超音速飞行，也就是在发动机未打开加力燃烧室的情况下能达到M1的速度。但实际上这与美国对F-22A战斗机的超音速巡航要求相比，明显偏低。
　　早在几十年前，英国装备的“闪电”战斗机就可以实现不开加力超音速飞行，但对于飞机作战性能没有什么实质上的改善。美国在上世纪90年代对典型战斗机的作战任务剖面各航段的性能要求为：起飞降落滑跑距离小于457米；作战时要求高度在9144米，从M0.8到M1.6的加速时间小于50秒，从M0.9到M1.6时的正常盘旋过载均大于5g；突防和脱离战斗时能在9144米高度以M1.5作不加力超音速巡航；在高度12190米，飞机最大平飞速度达M2.0。可见新一代战斗机的主要作战高度和速度，相比第三代战斗机并没有革命性的拓展，但追求的是包线内的机动性能大幅度提高，美国F-22A并不追求比现役机种更高的M值(最大M数为2.0左右)，但扩大了低空大速度和高空小表速工作范围，特别是扩大了发动机不加力工作的包线范围，要求在发动机不加力状态下，能以M1.4至M1.5超音速巡航和突防。而现役第三代战斗机只能在某些条件下以不加力推力作略大于M1.0的短暂飞行。
　　也有观点认为超音速巡航的意义仅限于赶到战区快一点，通过敌方防空火力区的时间短一点，这其实也是对于战斗机作战和动力性能理解不足的表现。
　　不具备超音速巡航性能的战斗机一般以高亚音速前往战区、巡逻或搜索接敌，主要由于第三代航空发动机的军用推力（不打开加力燃烧室的最大推力）根本不足以维持飞机在作战高度进行超音速飞行，打开加力后，虽然可以进行超音速作战，但发动机耗油率又翻倍增长。比如苏-27系列普遍使用的AL-31F发动机，不开加力最大耗油率在0.8单位左右，而加力推力耗油率则达到了2单位以上，一下子提高了两倍以上。此时，飞机载油量不足以维持长时间超音速飞行。因此，在传统的超视距空战中，不具备超音速巡航能力的战机都在接敌之前保持高亚音速飞行，在指挥系统的指引下进行战术机动，占领优势位置，一般在自身雷达发现敌机之后，必要情况下才根据作战态势开全加力进行加速，以形成对敌机的高速接近/迎头拦截态势。由于空空导弹，尤其是中距空空导弹的有效射程与载机发射速度有很强的关联，因此战斗机在发射导弹之前都要尽量加速，以拓展自身导弹的有效杀伤区，为赢得空战创造条件。
　　具有超音速巡航能力的新一代战斗机装备的第四代航空发动机的军用推力相当于第三代航空发动机的加力推力，且耗油率仅仅比第三代航空发动机略大，足以支持飞机进行长时间的超音速飞行。于是新一代战斗机可以在进入战区后直接开始超音速巡航，时时刻刻准备发挥高速带给自身导弹的有效射程优势。大概正是这个原因，美国在装备F-22A以后，并没有像欧洲国家那样装备固体冲压火箭发动机远程空空导弹，而是倚仗同样的导弹装备在新一代战机上威力大增，尽量维持了与第三代战斗机空空导弹的通用。此外，即便新一代战斗机处于“松懈”的亚音速巡逻状态，紧急发现敌机后，强悍的第四代航空发动机也可以提供更好的加速性能，使飞机更快地达到作战速度，这无疑大大增加了战机的生存力和战斗力。总而言之，第四代航空发动机赋予新一代战斗机全方位的效能提升，能让新一代战斗机面对第三代战机时具有非对称优势。因而我国新一代战斗机能否具备超音速巡航性能，关系到整个空战系统综合性能的实现。
　　
　　第四代动力之忧
　　
　　新一代重型空优战斗机的主要特征是：雷达/红外/射频隐身、综合化航空电子系统、超高机动性和超音速巡航。在隐身方面，我国在上世纪80年代即开始隐身作战飞机背景研究，上世纪90年代中期流传出了几个我国隐身战机预研型号外形图。随着我国在飞机雷达反射截面积计算理论、算法和超级计算机领域的突破，我国对于现代隐身战机的外形设计有了较为深刻的认识，具备了研制作战型号的能力。在航电方面，相控阵机载火控雷达已经完成演示工作，样机试飞工作已全面展开，用于实际装备的雷达型号即将或者可能已经设计定型，用于装备第三代改型战机。综合航空电子系统研究早已全面展开且结出硕果，根据某些资料推测，在网络上新近流传出的歼-10改型上就装备了具备新一代战斗机特征的综合化航空电子系统，据说其机翼上神秘的棒状天线就对敌方机载雷达有较强对抗能力，在电子对抗能力上与我国以往战斗机相比有了相当大的飞跃。在飞机气动设计方面，从第三代战斗机典型代表歼-10就可以看到我国在战斗机气动布局和外形设计上的深厚功底，我国有亚洲最庞大齐全的风洞群，为战斗机气动设计提供了坚实保障。我国新一代战斗机气动外形和隐身设计一经曝光，立刻引起国际关注，甚至已有媒体认为其气动设计水平超过了美国F-22A，是否如此暂且不论，但这确实反映出我国在气动设计方面上的长足进步。
　　但在航空动力方面，我国的进展就不如其他方面那么顺利和迅速。建国60余年，我国航空发动机工业建设以军用发动机为主，在维护修理、测绘仿制、改进改型等方面取得了很大成绩，共生产了几十个型号近6万台各型发动机，对国防建设作出了积极贡献。但就发动机总体技术指标而言，我国大量生产的发动机（含测绘仿制和按许可证生产）相当于航空技术先进国家的20世纪70年代的水平，刚定型或在研的发动机相当于国外80年代水平。而民用航空发动机基本上依靠从国外采购。综合评估来看，我国航空发动机的总体水平与世界先进水平相比落后25～30年，研制和生产的型号少，技术储备不足。航空发动机的落后，已严重制约了我国航空工业的发展，成为空军武器装备发展的“瓶颈”，甚至导致我国航空兵主力作战型号基本都采用国外动力――目前除了装备国产“太行”第三代发动机的少量歼-11B战斗机，其余如国产歼-10战斗机、进口的苏-27系列战斗机和我国组装生产的歼-11A战斗机，全部使用从俄罗斯进口的动力系统，“飞豹”战斗轰炸机早期使用英国“斯贝”发动机，后来使用国产“斯贝”仿制改进型涡扇-9。至于歼-7、歼-8等二线战斗机，也都使用测绘仿制的国外动力系统或其改进型。这样的情况，确实让人对于我国新一代战斗机需要的第四代航空发动机的研制充满忧虑。
　　
　　动力选型之谜
　　
　　中国新一代战斗机图片刚刚在互联网上曝光之时，基本可以通过喷管判断出其装备的是从俄罗斯进口的AL-31F系列发动机。但随着网络图片的增加，新一代战机原型机上出现了一种银白色的难以识别型号的发动机喷管。一时间，媒体和网络传言四起，很多人认为（或者说希望）新一代战斗机原型机更换了“太行”改型发动机。下面笔者一一分析这些发动机型号装配在原型机上的可能。
　　上世纪70年代初，前苏联针对美国第三代F100-PW-100高性能发动机，由留里卡设计局负责研制一款性能相近的战斗机发动机，型号名称AL-31F，装备了前苏联重型第三代战斗机苏-27。后来随着中国引进苏-27SK项目，AL-31F发动机在中国开始大批量使用，中国自研的歼-10战斗机因为原定的“太行”发动机进度不能赶上装机需求，也开始使用AL-31F发动机的改进型号AL-31FN。迄今为止，AL-31F系列已经在我国服役了接近20年，我国空军对其特性的掌握已经相当全面和深入。采用AL-31F发动机来保证我国新一代战斗机首飞和一定时间内的试飞工作，应该说是最可靠安全的办法，这也和“稳妥保证首飞”的要求相符。
　　不过，大家不愿看到原型机上安装AL-31F发动机，有两个原因：第一，我国自主研制的最先进战斗机依然使用俄罗斯发动机首飞，这样的“殊荣”让外国发动机给抢走了，实在是“肥水流了外人田”；第二，AL-31F虽然服役多年，性能可靠，但毕竟是一型第三代大推力涡扇发动机，与我国新一代战斗机的性能要求相差甚远，无法发挥全包线飞行能力。在此，笔者要强调：在我国自研第四代动力系统尚未完成和成熟的阶段，过分强调使用国产发动机首飞是违背科研规律的。另外，即便用推力大的第三代涡扇发动机（比如“太行”改型），其实也都无法满足新一代战机试飞要求。因为第三代涡扇发动机为了追求较低的耗油率和较大的海平面推力，都采用了0.4以上的涵道比，这与第四代发动机为了保证高速性能而采用0.2至0.3的小涵道比是矛盾的，哪怕是美国改进的推力达到15吨级的F110发动机改进型，也无法满足新一代战斗机超音速巡航要求。因而从性能和可靠性两个角度来说，AL-31F发动机目前装配原型机的可能性较大，最开始披露的我国新一代战斗机图片中的喷管也印证了这一点。
　　不过采用银白色喷管的新一代战斗机的图片曝光后，认为使用“太行”或其改型的观点开始大行其道，因为这符合了大家对于使用国产发动机的心理，而且与前段时间歼-11B战斗机曝光的“太行”喷管在颜色上更为相近，为该论调提供了主要依据。“太行”发动机血统颇为复杂，是我国在进口的美法合研民用CFM-56大涵道比涡扇发动机核心机基础上，改进研制的第三代军用大推力加力式涡扇发动机，后来跟俄罗斯技术也有某些渊源。“太行”发动机于2005年设计定型，由于生产质量不稳定，装备部队后出现了一些问题，直到最近才实现了由设计定型向生产定型的过渡。“太行”发动机加力推力达到了13.2吨级，推重比7.2左右，相比AL-31F发动机12.5吨级的加力推力和6.9左右的推重比，确实有一定的性能优势。但一型发动机达到稳定可靠的状态是需要长时间的飞行时数积累的，以目前“太行”发动机的技术状态，并不适合执行新一代战斗机首飞和试飞这样的重大科研任务。何况，根据新出现的银白色喷管来看，其依然保持了AL-31F系列发动机特有的柔性耐热金属过渡片结构，而且喷管收敛片的大小、形状和宽度都与AL-31F基本相同，这与“太行”喷管直接与加力燃烧室单元体相连且采用更宽更短收敛片的结构完全不同。
　　不过AL-31F装上原型机依然需要解决一个技术问题，那就是其采用的液压机械-模拟发动机控制系统与新一代战斗机可能会采用的数字式飞-火-推一体化控制系统不能实现交联。不过这可以经过改进解决，比如新一代战机原型机有可能装备AL-31F发动机的改型99M1发动机（又称AL-31F-M1），它主要更换了新研制的四级风扇，改进了发动机的涡轮单元体，控制单元改为数字式KRD-99C，加力推力达到13.5吨级，其它指标与AL-31F发动机相比略有进步。虽然99M1发动机相比AL-31F的性能提高并不明显，但采用了数字式的发动机控制系统，可以更方便地与新一代战斗机数字式飞-火-推一体化系统交联。另外，99M1发动机早在两年前就完成了研制，也有充足的时间被我国进口且改进，装在新一代战斗机原型机上是可能的。
　　另外，AL-31F发动机也有另一个俄罗斯改进型号：117S发动机，但其刚刚于2010年完成研制，从进度来说，没有充足的时间改进安装在新年之交刚露面的中国新一代战斗机原型机上。从性能上来讲，117S发动机被宣传为“新一代战机过渡动力”，其实就是AL-31F发动机的大改型号，推重比仅仅达到了7.5，可见俄罗斯的宣传夸大其实，不值得我国新一代战机原型机专门引进。
　　根据以上分析来看，我国新一代战斗机原型机装配的很有可能是AL-31F发动机或其改型99M1发动机。至于新出现的银白色喷管，笔者有点不成熟的看法：银白色喷管有可能是采用了某种新的收敛片表面处理方式，目的是保证机体表面电波通过性能，从而提高飞机的电磁隐身性能。飞机雷达隐身设计至少要考虑两种不同的电磁波处理，一是反射波，一是爬行波。反射波大家都比较熟悉，不再阐述，爬行波就是雷达波打到机体上之后，会在机体表面继续传播，类似在蒙皮上“爬行”，如果爬行波遇到机体表面的介电不连续点（如缝隙、尖端），就会重新被散射到空间，从而破坏了飞机的电磁隐身特性。而AL-31F的发动机喷管设计年代较早，显然存在破坏新一代战斗机隐身性能的可能，因此我国对此进行特殊处理，以保证机体到喷管的介电连续性，也表明我国对隐身概念认识和把握比较深入。
　　
　　展望
　　
　　新一代战斗机目前采用第三代动力系统进行首飞和试飞，让大家对于我国第四代动力系统何时能够完成研制格外关注，毕竟这关系到新一代战机的核心战斗力。据称，我国第四代动力系统的论证工作已经在上世纪90年代初开始，并于第九个五年计划期间完成了高压压气机、燃烧室和涡轮三大部件的设计，2000年核心机开始试制和试车。经过近20年的预研和工程阶段，我国四代大推目前应该已经处于原型机试车阶段，预计5年后有希望实现设计定型，从而在我国新一代战斗机装备部队之时实现配装。据估计，第四代动力加力推力能够达到15吨级，不开加力推力达到10吨级，推重比达到10，能够使新一代战斗机以M1.4以上的速度进行超音速巡航。届时，我国航空工业将能真正跻身世界列强之林。