現代渦扇航空發動機設計,無論你是哪個流派,都要遵循一個基本設計原則,吳仲華的“吳氏通用理論”。
吳仲華,1917年7月出生在上海,1940年畢業於西南聯大後留校任教,1947年在美國麻省理工學院獲博士學位,並先後任美國NACA研究科學家、PIB教授。後來他去英國羅爾斯-羅伊斯發動機公司工作,並於50年代初發表了《軸流、徑流和混流式亞聲速與超聲速葉輪機械中三元流動的普遍理論》論文。
在英國工作期間,吳仲華根據“三元”原理發明了斯貝發動機,因此被譽為“斯貝發動機之父”。
吳仲華發明的斯貝發動機世界聞名,其特點是推力大、耗油低、可維護性好、使用壽命長。就連美國也引進了該型發動機的製造權,經改進後用在A-7攻擊機上。
隨著斯貝發動機被美國引入,“吳氏通用理論”設計思想也被引入到美國,隨後很快成為全球渦扇航空發動機設計的標準理論。
美國又在“吳氏通用理論”的基礎上提出了”標準化、模塊化、系列化”和六格西格瑪(標準公差)的思想,於是便誕生了後世著名的F-110和F-119發動機。
法國的航空發動機設計也采用了“吳氏通用理論”,但法國資金和技術有限,因此在渦扇發動機的設計上隻保留了“吳氏通用理論”中的“三元”基本原理,其余的則盡可能的簡化,以次來降低發動機在研製過程的技術難度。其代表作就是著名的M53渦扇發動機。
M-53渦扇發動機,按照“吳氏通用理論”或者美英設計流派標準實在是太過於簡化,發動機的推力也是肉的不得了,但法國人卻在M-53上創造性的采用三支點的單轉子結構,與美英的雙轉子結構相比,M-53雖然性能較差,但結構簡單可靠,便於維修。於是法國得了個“簡約式設計流派”的雅稱。
期初英國是看不起M-53發動機的,但幻影F1的出現改變了英國人對M-53的看法。
在幻影F1出現以前,全世界的所有的噴氣式飛機設計都是遵循傳統的飛機的設計理念(就是主機翼在前,水平尾翼在後的這種設計)。這種設計有個特點,就是對航空發動機推力要求很高,因此美、英、蘇三國為了追求飛機的高性能,是想盡了一切辦法來提高發動機的推力,這就造成航空發動機的結構和技術也變得異常的複雜,研製成本如同坐了火箭一般地往上衝。
英國首先支持不住敗下陣來,別看他搞出了斯貝這種三代經典,但也就止步於此了,至於第四代實在是承受不起了,於是英國走上了與他國聯合研製航空發動機的道路。
M-53發動機的推力與斯貝相比實在是有夠肉的,按照傳統的飛機布局,只能勉強的讓飛機飛起來,想要滿足現代化激烈的空戰要求是想都不要想。
而幻影F1卻打破了這個傳統,它采用的全新的無尾三角翼設計,巧妙的解決了發動機動力不足問題。
首先,無尾三角翼,它的翼面積比傳統的飛機翼面積要大很多,因此飛機獲得升力要比傳統的飛機要大個30%左右,這就相對降低了對航空發動機的推力要求,對發動機的推力要求不高,是典型的小動力,大升力的類型。
第二,無尾三角翼也符合現代戰機高空高速的要求,所以M-53推力雖然小,但幻影F1無尾三角翼戰機與傳統布局結構的戰機來說,是一點都不弱。比如,第二次中東戰爭中,幻影在米格和蘇式戰機面前是完全不落下風,特別是小半徑機動,更是無出其右者。這說明無尾三角翼飛機的機動性是一點不比傳統飛機差,某些方面甚至還高於傳統結構的飛機。
第三,由於三角翼的面積很大,所以無尾三角翼戰機相比傳統的飛機可以裝更多的油,從而實現大航程和較高的留空時間。機翼面積大還有另外一個好處,那就是可以在戰機上多設置幾個掛點,像幻影2000機腹下面就有九個掛點,台風戰機有13個外掛點,法國的陣風有14個外掛點,載重達到6-8噸,一點都不比F15,Su27裝的少,Su35、Su34這樣的變態除外。
法國幻影的出現,讓它的鄰居英國是跌了一地的眼鏡,他們從來沒有想過飛機還可以這麽設計,在中東戰場上的表現來看,幻影是一點都不弱。於是英國開始重新審視自己以前的發動機設計思路,從那以後英國放棄了以前那種美式的設計思路,開始轉向法國的設計思路,即不在盲目追求航空發動機的最大推力,推力小一點就小一點,只要夠用就行,這導致了後來EJ200航空發動機的誕生。
斯貝發動機,長5025毫米,直徑1093毫米,重1850千克,最大推力54.5千牛,加力推力91.1千牛,推重比5.05。
EJ200發動機,長3556毫米,直徑863毫米,重900千克,最大推力60千牛,加力推力90千牛,推重比10。
F119發動機,長4.826米,最大直徑1.13米,重1360千克,最大推力156千牛,推重比11.7。
從這三組發動機數據就可以看出,斯貝發動機屬於典型的三代重型大推力發動機,說明那個時候的英國與美國一樣,還沉迷於大推這個大坑裡面,後來法國幻影的出現,才終於走上了中推這個正確的道路,否則繼續像美、蘇那樣玩大推,非得把他給玩死不可。
EJ200就是一款充分吸收了法國發動機設計優點的中推航空發動機,EJ200計劃最早誕生於1982年,並在1991年推出首台EJ200的原型機。這台發動機集合了法國發動機結構簡單和高可靠性,以及方便維護的優點,同時也集合了美國“標準化、模塊化、系列化”的優點,因此凌世哲把它作為了自己未來的航空發動機。
當然法國的M88渦扇發動機也是個選擇,但M88有個最大的缺點,就是它的核心機性能太差,雖然後來法國花高價從美國得到了部分F110的核心機G9的部分技術,從而改善了M88核心機的基本性能,但M88在技術上只能算是勉強達到四代的航空發動機,跟EJ200是差了整整一個等級。
而且F110的核心機G9,最早是為B1重型超音速戰略轟炸機的發動機F101研製的,因此G9核心機的結構是異常的複雜,所以說吸收F110發動機技術的M88的發動機結構也是同樣的複雜,要知道法國的航空發動機一項以結構簡單可靠而聞名於世,但M88卻是個怪胎,結構複雜、價格昂貴不說,其性能比前蘇聯為米格-29設計的RD-73(PД-73)渦扇發動機好不了多少。
可以看出法國人是被美國佬給坑了,M88完全是個大坑,法國佬技術雄厚,仗著國家的財力支持,能夠把美國佬設得坑給填平,可凌世哲卻沒有這個本事,背後又沒有國家提供財政支持,凌世哲除非瘋了才會去選擇M88航空發動機。
而EJ200相比法國的M88來說,發動機的基本結構要相對的簡單許多,在技術上也更容易實現一些,總共不超過20億美元的研發經費,凌世哲在心裡上也更容易接受一些,就算最後要超支,只要不超過60億美元,也完全在他的心裡承受范圍之內。要知道福特的蒙迪歐的總研製經費可是90億美元,相比於蒙迪歐來說,花60億就能搞出EJ200第五代航空發動機可是大大的賺了。而且EJ200還有個大推版,那就是被歐洲稱為EJ300,美國代號F136的大堆發動機。
EJ300是隱形戰機F-35的備用發動機,英國打算等F-35正式裝備後,英國版的F-35的動力模塊就選擇EJ300發動機,包括F-35的垂直起落版也是如此。這是能跟F-119相比美的發動機啊,凌世哲找不出任何的理由不發展他。
“董事長,我看你給我的這張核心機結構草圖,我怎麽看怎麽有點像歐洲”狂風“戰鬥機的RB199發動機啊!”
“沒錯,我是參照了歐洲RB199發動機的結構來的。”凌世哲點頭說道,不愧是航空動力的高級專家,一眼就看出了其中的關鍵,“不過這台XB-40核心機可比RB199發動機可是有著更高的性能要求,即推力大、推力大、重量輕、體積小、結構簡單、可靠性高、皮實耐用和較高的經濟性指標,怎麽樣有信心完成嗎?”
王元卓抹了下頭上的汗,說道:“技術難度太大,我不敢打隨意打包票。要知道我們的基礎實在是太差,沒有一點的航空發動機技術積累。”
凌世哲沉默了,王元卓是在歐美能找到的最好的航空發動機方面的專家,他在渦扇發動機的造詣不在吳仲華之下,甚至還青出於藍而勝於藍,連他都沒有把握,凌世哲真不知道又該去找誰。
歐洲的EJ200渦扇發動機,是他在所有的歐美先進發動機裡能夠找到的結構最簡單,技術難道相對最小的一種發動機了,這樣的發動機如果都不能山寨出來,他又那裡去找更簡單的發動機給他。
思索了良久,凌世哲把心一橫,眼神犀利的望著王元卓說道:“王教授,你是我們華人界除了吳仲華以外最好的航空動力專家了,連你都束手無策,我也不知道還有誰能夠承擔如此大任。我雖不才,卻深受委員長之大恩,並授予我黨國上將之軍銜。X-40B核心機事關我中華航空要略,哪怕前面是刀山火海,我也將義無反顧。我給你80億美元,20年的時間,交給我一台完全成熟可靠的發動機行嗎?”
王元卓整個人都愣了,天啊!你什麽時候變成了忠誠的三民主義戰士了?你凌世哲向來都是口號喊得震天響,卻從來沒有看你做過一件三民主義者該做得事,忽悠別人到時一把好手,跟你的老子是一個德性,三民主義大旗高高舉起,就是不見任何行動,算個什麽三民主義者。
不過話已經放出來了,按王元卓對凌世哲的了解,知道他是下定了決心要做航空發動機。自己的老板都這樣了,難道自己還能退宿不成,於是也把心一橫,回望著凌世哲的雙眼,毅然說道:“既然董事長決心已下,不怕這麽多錢全都打了水漂,那我也跟著賭一把,只要研發經費充足,20年後,我給你想要的發動機!”
“好!這才是我們華人第一的年輕航空動力專家該有的本色,我等著你的發動機!”口號喊完之後,凌世哲迅速進入了實質的工作狀態,“錢和時間我給你了,要人我給你人,沒有,你告訴需要什麽樣的人,我都給你找去。除此之外,你還有什麽要求嗎?”
“XB-40核心機跟RB199發動機很相似,只是在結構上更加簡單, 如果董事長能搞到一台RB199的話,我就有把握了。至於其他的倒是沒有了。”王元卓建議道。
“哈哈哈……原來你是這個要求啊!哈哈哈……放心,艾莉森早就為你準備好了。知道嘛,去年加國一架“狂風”戰鬥機在例行訓練時,發生故障墜毀,艾莉森就通過關系,搞到了一台RB199,這台發動機只是雖然不能用了,但外形基本保持完好,它現在就放在加拿大的總部倉庫裡面。你要的話,我現在就打電話叫他們送過來。”
王元卓高興的說道:“太好了,有了RB199做參考,我們可以少走許多彎路。不用送過來,把它放到加拿大的噴氣與推進實驗室裡就行,我自會去看。”
凌世哲點點頭說道:“成,你是噴氣與推進實驗室的負責人,你說了算。另外,我還幫你搞到了四台英國斯貝,不過是民用的,不知能不能幫到你?”
“什麽還有斯貝,一來就是四台,董事長你從哪裡搞來的?”
凌世哲歎了口氣說道:“這就說起來話就長了,簡單的說,那是以前龐巴迪公司為了研製四發大型乾線客機,從英國買來的四台斯貝。”接著凌世哲就把龐巴迪創始人J.-ArmandBombardier研製大飛機的事說了一遍。
“原來是這樣,行,我知道該怎麽做了。雖然沒有技術圖紙,把它拆了光是看,還是能看出不少門道的。對我們還是有一定幫助的。”