先進材料工藝堆出來的落後動力:日本XF9大推力發動機

 最近,日本高調向外界展示了其XF9大推力渦扇發動機,它是F-3隱身戰鬥機項目的配套動力系統,XF9的核心機於2017年7月交付,而在其基礎上發展的原型機僅用一年就完成了裝配,2018年下半年就正式開始了地面測試,可見XF9的前期進展還是非常順利的。

日本F3隱形戰機假想圖

按照研製方石川島播磨重工的說法,XF-9渦扇發動機的軍用推力與加力推力分別達到了105kN和150kN的水平,乍一看,要比我國的太行發動機強不少,但這只是地面的試驗數據,航空發動機在地面的推力遠大於空氣稀薄的高空,如渦扇-15在2012年就傳出地面測試最大推力18噸的消息了,而它在正常狀態下的推力只有16.2噸。

XF9發動機非常精密

那XF9的前景如何呢?這主要取決於日本在航空發動機研製方面的優勢和劣勢,了解啦這些也就能為XF9勾划出一個大致的輪廓。

日本研製航發的優勢主要體現在材料和工藝兩個方面:

先看材料。眾所周知,日本一直在高科技材料方面有極高的造詣,航空發動機的最核心的單晶材料也不例外。單晶材料沒有「晶界」引起的晶格缺陷,由這種材料製造的渦輪葉片不僅有著極佳的力學性能,而且在極高溫使用環境下仍可保證壽命。日本已經研製成功了第五代單晶葉片,而F119用的僅僅是第三代,如果將它運用到發動機渦輪葉片的製造中,將極大提高發動機的性能。石川島播磨公司宣稱,由於採用了日本在全世界引以為傲的材料技術,XF9-1原型機確保了渦輪前溫度1800度情況下的可靠運轉,比F119還高100度,這個數據雖然有誇大的成分,但日本在這方面的水平不容小覷。

神戶鋼造假事件使日本「工匠精神」的形象受到了很大損害,但汽車的商業部件與XF9的渦輪葉片完全不是一個檔次

再就是工藝。日本的優勢不僅體現在各種高科技材料的研發上,還表現在這些材料企業化生產的製造工藝上,如在樹脂基複合材料材料的成型,碳纖維複合材料的鋪設等工藝方面,日本都有很深厚的積澱。而且日本高超的精密加工能力也讓它在渦輪葉片的氣膜冷卻結構製造上有得天獨厚的優勢。

碳纖維複合材料已經在民航客機上得到了廣泛應用

綜上所述,日本在材料和工藝上的優勢非常明顯,但與之形成鮮明對比的是,它在航發研製上卻也有巨大的劣勢,主要表現在以下四個方面:

一是設計。日本自行研製噴氣式航發的成功經驗非常欠缺。如心神的XF5發動機得益於陶瓷基複合材料,渦前溫度高達1800 k,但推力卻只有5噸左右,這完全就是設計能力低下的問題,況且就是這樣一款發動機還一直處於試驗狀態。況且日本研製的幾種航發都是10噸以下的中小推力發動機,從只有中美俄三國研製成功大推力發動機來看,中小推與大推之間有著難以逾越的鴻溝,連英國這樣老牌航空發動機強國都沒有自己的大推力發動機,更不要說日本了。

日本僅研製了幾款中小推力航空發動機

XF9發動機長度4.8米,與F119相近,如圖,很可能也採用了同樣的3 6 1 1結構,但它的進氣口直徑達1米,體現了日本依靠加大涵道比增加流量來達到推力指標的設計風格

二是日本的風洞、高空台、飛行台等試驗設備欠缺。日本用於汽車、摩托車和高鐵設計的低速風洞雖然很發達,但用於航空航天飛行研究的高速風洞卻沒有多少,無法提供高性能戰機研究所需的大規模風洞群。因此,心神的風洞試驗只能不惜泄露機密去法國做,可以設想,但凡日本有合格的風洞,也不會出此下策。

日本汽車風洞發達

三是整合能力,由於缺乏完備的本土風洞群及航空發動機型號的技術積累,日本航空發動機在設計及整合能力上有較大的缺陷。這也與日本的民族性格有關,從近現代歷史可以發現,其一貫長於戰術而短於戰略,這種慣性思維對日本武器裝備的研發也有很大影響。

四是外部環境。日本作為曾經發動侵略戰爭的二戰戰敗國,被禁止超出自衛需要的大規模武器裝備的生產和實驗。另外,日本航空發動機的研製還受到美國駐軍的嚴密監督,XF-9渦扇發動機自立項之初就將自身定位於第四代航發,這已經超出了美國的許可範圍。

駐日美軍可以對日本軍工項目進行嚴密監督

另外,XF9從完成樣機製造到批量生產還有漫長的成熟期,這是客觀規律所決定的。如普惠F100發動機於1969完成首台原型機,1974年裝備F15,做了十一年的機庫皇后,直至1985年,到了F100-PW-220的階段,才總算達到了成功的標準。太行發動機更是曲折,1992年完成首台原型機,2005年定型投產,直至最近幾年才得以大量用於單發戰機殲10。此外,經典航空發動機無一不是由幾十台試驗發動機通過成千上萬的試驗小時堆出來的。XF9有如此高的渦輪前溫度,壽命和可靠性方面很難有理想表現,這意味著它需要更多的發動機進行試驗。

航空發動機需要海量的試驗

總而言之,即使通過加大涵道比和提高渦輪前溫度,犧牲高速性能和壽命,日本的XF9最多也就能達到三代大推力渦扇發動機的水平,即使成功,也是用先進材料和工藝堆出來的一種總體性能落後的發動機。

但需要特別引起注意的是,XF9還採用了成熟度相當高的軸對稱矢量噴管,還一下子拿出了現成的核心機,這些成果沒有二三十年的努力是出不來的,可見日本大推航發的相關技術已經進行了長期秘而不宣的預先研究,從中可發現日本的蓄謀已久的狼子野心,必須永遠警惕。

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