第四代“中國心”

2011年1月互聯(lián)網(wǎng)上集中出現(xiàn)了疑似中國新一代戰(zhàn)斗機的圖片，并于1月11日首飛成功，應該可以在2020年前裝備部隊并形成初始作戰(zhàn)能力，這無疑大大鼓舞了時刻關注祖國航空力量的軍迷們。不過，大家最關心也最擔心的問題就是——動力會不會再次成為新一代戰(zhàn)斗機成功道路上的最大障礙？

新一代戰(zhàn)斗機的動力需求

新一代戰(zhàn)斗機應該屬于重型空優(yōu)戰(zhàn)機，必須具備超音速巡航能力。需要指出的是，對于超音速巡航，很多人理解并不準確，認為超音速巡航就是不開加力能超音速飛行，也就是在發(fā)動機未打開加力燃燒室的情況下能達到M1的速度。但實際上這與美國對F-22A戰(zhàn)斗機的超音速巡航要求相比，明顯偏低。

早在幾十年前，英國裝備的“閃電”戰(zhàn)斗機就可以實現(xiàn)不開加力超音速飛行，但對于飛機作戰(zhàn)性能沒有什么實質上的改善。美國在上世紀90年代對典型戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)任務剖面各航段的性能要求為：起飛降落滑跑距離小于457米；作戰(zhàn)時要求高度在9144米，從M0.8到M1.6的加速時間小于50秒，從M0.9到M1.6時的正常盤旋過載均大于5g；突防和脫離戰(zhàn)斗時能在9144米高度以M1.5作不加力超音速巡航；在高度12190米，飛機最大平飛速度達M2.0。可見新一代戰(zhàn)斗機的主要作戰(zhàn)高度和速度，相比第三代戰(zhàn)斗機并沒有革命性的拓展，但追求的是包線內的機動性能大幅度提高，美國F-22A并不追求比現(xiàn)役機種更高的M值(最大M數(shù)為2.0左右)，但擴大了低空大速度和高空小表速工作范圍，特別是擴大了發(fā)動機不加力工作的包線范圍，要求在發(fā)動機不加力狀態(tài)下，能以M1.4至M1.5超音速巡航和突防。而現(xiàn)役第三代戰(zhàn)斗機只能在某些條件下以不加力推力作略大于M1.0的短暫飛行。

也有觀點認為超音速巡航的意義僅限于趕到戰(zhàn)區(qū)快一點，通過敵方防空火力區(qū)的時間短一點，這其實也是對于戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)和動力性能理解不足的表現(xiàn)。

不具備超音速巡航性能的戰(zhàn)斗機一般以高亞音速前往戰(zhàn)區(qū)、巡邏或搜索接敵，主要由于第三代航空發(fā)動機的軍用推力（不打開加力燃燒室的最大推力）根本不足以維持飛機在作戰(zhàn)高度進行超音速飛行，打開加力后，雖然可以進行超音速作戰(zhàn)，但發(fā)動機耗油率又翻倍增長。比如蘇-27系列普遍使用的AL-31F發(fā)動機，不開加力最大耗油率在0.8單位左右，而加力推力耗油率則達到了2單位以上，一下子提高了兩倍以上。此時，飛機載油量不足以維持長時間超音速飛行。因此，在傳統(tǒng)的超視距空戰(zhàn)中，不具備超音速巡航能力的戰(zhàn)機都在接敵之前保持高亞音速飛行，在指揮系統(tǒng)的指引下進行戰(zhàn)術機動，占領優(yōu)勢位置，一般在自身雷達發(fā)現(xiàn)敵機之后，必要情況下才根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢開全加力進行加速，以形成對敵機的高速接近/迎頭攔截態(tài)勢。由于空空導彈，尤其是中距空空導彈的有效射程與載機發(fā)射速度有很強的關聯(lián)，因此戰(zhàn)斗機在發(fā)射導彈之前都要盡量加速，以拓展自身導彈的有效殺傷區(qū)，為贏得空戰(zhàn)創(chuàng)造條件。

具有超音速巡航能力的新一代戰(zhàn)斗機裝備的第四代航空發(fā)動機的軍用推力相當于第三代航空發(fā)動機的加力推力，且耗油率僅僅比第三代航空發(fā)動機略大，足以支持飛機進行長時間的超音速飛行。于是新一代戰(zhàn)斗機可以在進入戰(zhàn)區(qū)后直接開始超音速巡航，時時刻刻準備發(fā)揮高速帶給自身導彈的有效射程優(yōu)勢。大概正是這個原因，美國在裝備F-22A以后，并沒有像歐洲國家那樣裝備固體沖壓火箭發(fā)動機遠程空空導彈，而是倚仗同樣的導彈裝備在新一代戰(zhàn)機上威力大增，盡量維持了與第三代戰(zhàn)斗機空空導彈的通用。此外，即便新一代戰(zhàn)斗機處于“松懈”的亞音速巡邏狀態(tài)，緊急發(fā)現(xiàn)敵機后，強悍的第四代航空發(fā)動機也可以提供更好的加速性能，使飛機更快地達到作戰(zhàn)速度，這無疑大大增加了戰(zhàn)機的生存力和戰(zhàn)斗力。總而言之，第四代航空發(fā)動機賦予新一代戰(zhàn)斗機全方位的效能提升，能讓新一代戰(zhàn)斗機面對第三代戰(zhàn)機時具有非對稱優(yōu)勢。因而我國新一代戰(zhàn)斗機能否具備超音速巡航性能，關系到整個空戰(zhàn)系統(tǒng)綜合性能的實現(xiàn)。

第四代動力之憂

新一代重型空優(yōu)戰(zhàn)斗機的主要特征是：雷達/紅外/射頻隱身、綜合化航空電子系統(tǒng)、超高機動性和超音速巡航。在隱身方面，我國在上世紀80年代即開始隱身作戰(zhàn)飛機背景研究，上世紀90年代中期流傳出了幾個我國隱身戰(zhàn)機預研型號外形圖。隨著我國在飛機雷達反射截面積計算理論、算法和超級計算機領域的突破，我國對于現(xiàn)代隱身戰(zhàn)機的外形設計有了較為深刻的認識，具備了研制作戰(zhàn)型號的能力。在航電方面，相控陣機載火控雷達已經(jīng)完成演示工作，樣機試飛工作已全面展開，用于實際裝備的雷達型號即將或者可能已經(jīng)設計定型，用于裝備第三代改型戰(zhàn)機。綜合航空電子系統(tǒng)研究早已全面展開且結出碩果，根據(jù)某些資料推測，在網(wǎng)絡上新近流傳出的殲-10改型上就裝備了具備新一代戰(zhàn)斗機特征的綜合化航空電子系統(tǒng)，據(jù)說其機翼上神秘的棒狀天線就對敵方機載雷達有較強對抗能力，在電子對抗能力上與我國以往戰(zhàn)斗機相比有了相當大的飛躍。在飛機氣動設計方面，從第三代戰(zhàn)斗機典型代表殲-10就可以看到我國在戰(zhàn)斗機氣動布局和外形設計上的深厚功底，我國有亞洲最龐大齊全的風洞群，為戰(zhàn)斗機氣動設計提供了堅實保障。我國新一代戰(zhàn)斗機氣動外形和隱身設計一經(jīng)曝光，立刻引起國際關注，甚至已有媒體認為其氣動設計水平超過了美國F-22A，是否如此暫且不論，但這確實反映出我國在氣動設計方面上的長足進步。

但在航空動力方面，我國的進展就不如其他方面那么順利和迅速。建國60余年，我國航空發(fā)動機工業(yè)建設以軍用發(fā)動機為主，在維護修理、測繪仿制、改進改型等方面取得了很大成績，共生產了幾十個型號近6萬臺各型發(fā)動機，對國防建設作出了積極貢獻。但就發(fā)動機總體技術指標而言，我國大量生產的發(fā)動機（含測繪仿制和按許可證生產）相當于航空技術先進國家的20世紀70年代的水平，剛定型或在研的發(fā)動機相當于國外80年代水平。而民用航空發(fā)動機基本上依靠從國外采購。綜合評估來看，我國航空發(fā)動機的總體水平與世界先進水平相比落后25～30年，研制和生產的型號少，技術儲備不足。航空發(fā)動機的落后，已嚴重制約了我國航空工業(yè)的發(fā)展，成為空軍武器裝備發(fā)展的“瓶頸”，甚至導致我國航空兵主力作戰(zhàn)型號基本都采用國外動力——目前除了裝備國產“太行”第三代發(fā)動機的少量殲-11B戰(zhàn)斗機，其余如國產殲-10戰(zhàn)斗機、進口的蘇-27系列戰(zhàn)斗機和我國組裝生產的殲-11A戰(zhàn)斗機，全部使用從俄羅斯進口的動力系統(tǒng)，“飛豹”戰(zhàn)斗轟炸機早期使用英國“斯貝”發(fā)動機，后來使用國產“斯貝”仿制改進型渦扇-9。至于殲-7、殲-8等二線戰(zhàn)斗機，也都使用測繪仿制的國外動力系統(tǒng)或其改進型。這樣的情況，確實讓人對于我國新一代戰(zhàn)斗機需要的第四代航空發(fā)動機的研制充滿憂慮。

動力選型之謎

中國新一代戰(zhàn)斗機圖片剛剛在互聯(lián)網(wǎng)上曝光之時，基本可以通過噴管判斷出其裝備的是從俄羅斯進口的AL-31F系列發(fā)動機。但隨著網(wǎng)絡圖片的增加，新一代戰(zhàn)機原型機上出現(xiàn)了一種銀白色的難以識別型號的發(fā)動機噴管。一時間，媒體和網(wǎng)絡傳言四起，很多人認為（或者說希望）新一代戰(zhàn)斗機原型機更換了“太行”改型發(fā)動機。下面筆者一一分析這些發(fā)動機型號裝配在原型機上的可能。

上世紀70年代初，前蘇聯(lián)針對美國第三代F100-PW-100高性能發(fā)動機，由留里卡設計局負責研制一款性能相近的戰(zhàn)斗機發(fā)動機，型號名稱AL-31F，裝備了前蘇聯(lián)重型第三代戰(zhàn)斗機蘇-27。后來隨著中國引進蘇-27SK項目，AL-31F發(fā)動機在中國開始大批量使用，中國自研的殲-10戰(zhàn)斗機因為原定的“太行”發(fā)動機進度不能趕上裝機需求，也開始使用AL-31F發(fā)動機的改進型號AL-31FN。迄今為止，AL-31F系列已經(jīng)在我國服役了接近20年，我國空軍對其特性的掌握已經(jīng)相當全面和深入。采用AL-31F發(fā)動機來保證我國新一代戰(zhàn)斗機首飛和一定時間內的試飛工作，應該說是最可靠安全的辦法，這也和“穩(wěn)妥保證首飛”的要求相符。

不過，大家不愿看到原型機上安裝AL-31F發(fā)動機，有兩個原因：第一，我國自主研制的最先進戰(zhàn)斗機依然使用俄羅斯發(fā)動機首飛，這樣的“殊榮”讓外國發(fā)動機給搶走了，實在是“肥水流了外人田”；第二，AL-31F雖然服役多年，性能可靠，但畢竟是一型第三代大推力渦扇發(fā)動機，與我國新一代戰(zhàn)斗機的性能要求相差甚遠，無法發(fā)揮全包線飛行能力。在此，筆者要強調：在我國自研第四代動力系統(tǒng)尚未完成和成熟的階段，過分強調使用國產發(fā)動機首飛是違背科研規(guī)律的。另外，即便用推力大的第三代渦扇發(fā)動機（比如“太行”改型），其實也都無法滿足新一代戰(zhàn)機試飛要求。因為第三代渦扇發(fā)動機為了追求較低的耗油率和較大的海平面推力，都采用了0.4以上的涵道比，這與第四代發(fā)動機為了保證高速性能而采用0.2至0.3的小涵道比是矛盾的，哪怕是美國改進的推力達到15噸級的F110發(fā)動機改進型，也無法滿足新一代戰(zhàn)斗機超音速巡航要求。因而從性能和可靠性兩個角度來說，AL-31F發(fā)動機目前裝配原型機的可能性較大，最開始披露的我國新一代戰(zhàn)斗機圖片中的噴管也印證了這一點。

不過采用銀白色噴管的新一代戰(zhàn)斗機的圖片曝光后，認為使用“太行”或其改型的觀點開始大行其道，因為這符合了大家對于使用國產發(fā)動機的心理，而且與前段時間殲-11B戰(zhàn)斗機曝光的“太行”噴管在顏色上更為相近，為該論調提供了主要依據(jù)。“太行”發(fā)動機血統(tǒng)頗為復雜，是我國在進口的美法合研民用CFM-56大涵道比渦扇發(fā)動機核心機基礎上，改進研制的第三代軍用大推力加力式渦扇發(fā)動機，后來跟俄羅斯技術也有某些淵源。“太行”發(fā)動機于2005年設計定型，由于生產質量不穩(wěn)定，裝備部隊后出現(xiàn)了一些問題，直到最近才實現(xiàn)了由設計定型向生產定型的過渡。“太行”發(fā)動機加力推力達到了13.2噸級，推重比7.2左右，相比AL-31F發(fā)動機12.5噸級的加力推力和6.9左右的推重比，確實有一定的性能優(yōu)勢。但一型發(fā)動機達到穩(wěn)定可靠的狀態(tài)是需要長時間的飛行時數(shù)積累的，以目前“太行”發(fā)動機的技術狀態(tài)，并不適合執(zhí)行新一代戰(zhàn)斗機首飛和試飛這樣的重大科研任務。何況，根據(jù)新出現(xiàn)的銀白色噴管來看，其依然保持了AL-31F系列發(fā)動機特有的柔性耐熱金屬過渡片結構，而且噴管收斂片的大小、形狀和寬度都與AL-31F基本相同，這與“太行”噴管直接與加力燃燒室單元體相連且采用更寬更短收斂片的結構完全不同。

不過AL-31F裝上原型機依然需要解決一個技術問題，那就是其采用的液壓機械-模擬發(fā)動機控制系統(tǒng)與新一代戰(zhàn)斗機可能會采用的數(shù)字式飛-火-推一體化控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)交聯(lián)。不過這可以經(jīng)過改進解決，比如新一代戰(zhàn)機原型機有可能裝備AL-31F發(fā)動機的改型99M1發(fā)動機（又稱AL-31F-M1），它主要更換了新研制的四級風扇，改進了發(fā)動機的渦輪單元體，控制單元改為數(shù)字式KRD-99C，加力推力達到13.5噸級，其它指標與AL-31F發(fā)動機相比略有進步。雖然99M1發(fā)動機相比AL-31F的性能提高并不明顯，但采用了數(shù)字式的發(fā)動機控制系統(tǒng)，可以更方便地與新一代戰(zhàn)斗機數(shù)字式飛-火-推一體化系統(tǒng)交聯(lián)。另外，99M1發(fā)動機早在兩年前就完成了研制，也有充足的時間被我國進口且改進，裝在新一代戰(zhàn)斗機原型機上是可能的。

另外，AL-31F發(fā)動機也有另一個俄羅斯改進型號：117S發(fā)動機，但其剛剛于2010年完成研制，從進度來說，沒有充足的時間改進安裝在新年之交剛露面的中國新一代戰(zhàn)斗機原型機上。從性能上來講，117S發(fā)動機被宣傳為“新一代戰(zhàn)機過渡動力”，其實就是AL-31F發(fā)動機的大改型號，推重比僅僅達到了7.5，可見俄羅斯的宣傳夸大其實，不值得我國新一代戰(zhàn)機原型機專門引進。

根據(jù)以上分析來看，我國新一代戰(zhàn)斗機原型機裝配的很有可能是AL-31F發(fā)動機或其改型99M1發(fā)動機。至于新出現(xiàn)的銀白色噴管，筆者有點不成熟的看法：銀白色噴管有可能是采用了某種新的收斂片表面處理方式，目的是保證機體表面電波通過性能，從而提高飛機的電磁隱身性能。飛機雷達隱身設計至少要考慮兩種不同的電磁波處理，一是反射波，一是爬行波。反射波大家都比較熟悉，不再闡述，爬行波就是雷達波打到機體上之后，會在機體表面繼續(xù)傳播，類似在蒙皮上“爬行”，如果爬行波遇到機體表面的介電不連續(xù)點（如縫隙、尖端），就會重新被散射到空間，從而破壞了飛機的電磁隱身特性。而AL-31F的發(fā)動機噴管設計年代較早，顯然存在破壞新一代戰(zhàn)斗機隱身性能的可能，因此我國對此進行特殊處理，以保證機體到噴管的介電連續(xù)性，也表明我國對隱身概念認識和把握比較深入。

展望

新一代戰(zhàn)斗機目前采用第三代動力系統(tǒng)進行首飛和試飛，讓大家對于我國第四代動力系統(tǒng)何時能夠完成研制格外關注，畢竟這關系到新一代戰(zhàn)機的核心戰(zhàn)斗力。據(jù)稱，我國第四代動力系統(tǒng)的論證工作已經(jīng)在上世紀90年代初開始，并于第九個五年計劃期間完成了高壓壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件的設計，2000年核心機開始試制和試車。經(jīng)過近20年的預研和工程階段，我國四代大推目前應該已經(jīng)處于原型機試車階段，預計5年后有希望實現(xiàn)設計定型，從而在我國新一代戰(zhàn)斗機裝備部隊之時實現(xiàn)配裝。據(jù)估計，第四代動力加力推力能夠達到15噸級，不開加力推力達到10噸級，推重比達到10，能夠使新一代戰(zhàn)斗機以M1.4以上的速度進行超音速巡航。屆時，我國航空工業(yè)將能真正躋身世界列強之林。