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战机发动机推力不过20吨,那推力达61吨的航空发动机是什么概念?

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其实现阶段全球范围内,战机发动机加力推力超过20吨的真的还没有,比如现役所有战机中加力推力最大的就是美国F35战机装备的F135发动机了,其地面台架试验中加力推力达到了20.8吨,但是实际上装备F35战机的所有F135发动机加力推力基本还停留在18.3吨的水准。

而对于F35战机而言,虽然其装备的发动机推力比F22战机装备的发动机推力还大,但是这个发动机性能并不咋地,因为其更大的推力输出是通过增加涵道比的方式实现的,而F22战机使用的F119发动机涵道比基本都保持在0.2左右,但是F35战机使用的发动机涵道比却高达0.3,所以过大的涵道比虽然输出推力更大,但是也增加了正面风阻系数,不利于战机超音速飞行,所以装备有推力更大的F35战机最大飞行速度反而没有涵道比更小、加力推力更低的F22战机快。

而推力高达61吨的发动机就是计划装在波音B777X大型双发客机上的GE9X涡扇发动机,作为此前B777-300ER客机装备的GE90-115B涡扇发动机的升级改进型号,全新的GE9X涡扇发动机更大的推力除了优化压气机和涡轮结构,和大量使用新技术来实现寿命增长和降低重量外,其最前端的涡轮风扇直径也从GE90-115B的3.25米增加到3.43米,更大的涡轮风扇大大增加了GE9X发动机的涵道比,使得其外涵道输出推力更大的同时经济性更高。

推力高达61吨的发动机是什么概念呢?比如世界起飞重量最大的安225大型战略运输机最大起飞重量高达600吨,最大载重量也高达250吨,但是安225却装备了6台单台推力23.4吨的D18T涡扇发动机,如果换成推力高达61吨的GE9X大型涡扇发动机的话,安225只需要2.3台即可满足起飞需求,但是客机为了保证安全飞行和左右平衡需求,肯定不可能只装备2.3台或者3台发动机,那么按照装备4台GE9X发动机计算的话,其发动机总输出推力也高达200余吨,更大的发动机推力除了能够保证其整体结构不变的前提下,拥有超过现有250吨更大的载重量优势外,更大直径的发动机还能进一步提升安225的最大飞行航程。

但是对于一架起飞重量高达347吨的波音777X大型双发客机而言,按照客机对于发动机推重比0.25计算的话,一架起飞重量达到350吨的大型客机其实只需要88吨的起飞推力需求,也就是说B777X其实装上此前GE90系列中的GE90-94B即可满足起飞推力需求,而且这么大的推力输出还是在起飞阶段,等到正常飞行时输出推力只有起飞推力的70%左右。

但是B777X客机却装备了两台实际推力56.7吨、地面台架推力高达61吨的超大涡扇发动机也是有原因的,因为对于B777X这种大型双发民航客机而言,相比载客数量的多少、航程的远近,客机发动机的安全可靠性更为重要,比如双发客机在适航取证阶段都要完成ETOPS单发延程测试,比如现阶段的B777、A350客机可以在只使用一台发动机的情况下连续飞行长达6个小时,这个飞行时间足够供机组找到一个达到起降标准的迫降机场需求。

而对于B777X而言,虽然其通过增加涡轮风扇直径的方式增加了地面台架测试最大推力输出,但是更为核心的是外涵道涡轮风扇直径的增加能够大幅增加B777X客机的经济性,毕竟外涵道风扇直径更大输出的推力更大。而B777X坚持采用升级改进的GE9X发动机除了需要更大涡轮风扇直径所带来的更好经济性外,还有一个核心参数就是随着B777X大型客机起飞重量更大、载客数高达400人外,对于发动机在单发失效情况下的安全飞行有着更高的要求。

因为当双发客机在高空正常飞行时,一台发动机停车的话,那么首先最要做的就是关闭发动机和降低飞行高度,但是这个飞行高度降低的不会太多,比如很多大型客机为了降低飞行阻力正常飞行高度基本保持在9000--12000米左右,但是降低高度的话也只会降低一两千米左右,那么这个时候对于只有一台发动机正常工作的大型客机而言,其输出推力要足够大才能满足客机高达几个小时的连续飞行需求。

所以要满足这个条件的话,大型双发客机装备的发动机最大输出推力普遍都要比此前的四发客机输出推力更大一些才能满足安全飞行需求。但是在平时的正常飞行过程中反而会限制发动机最大推力输出,以便提升发动机连续工作的安全性和可靠性。

推力61吨的是通用动力研发的GE9X大涵道比发动机。什么概念呢?要知道波音747-8使用的发动机不过是30吨出头,GE9X一台就能把747推上天;我国的C919采用的LEAP-1C更是只有13.5吨的推力,一台GE9X就相当于4台LEAP-1C还多。之所以推力做这么大,是因为这台发动机是给波音777X量身打造的。由于波音777只采用了2台发动机的布局,而不是A380 的4台,所以推力必须要大。采用2台发动机是个明智之举,因为不论是制造成本,燃油经济性还是维护经济性上,双发都要比四发要划算。


至于说它的推力比战斗机发动机大了很多,这倒不是什么新鲜事。推力只是航空发动机的指标之一,不是唯一。所以不见得61吨的发动机技术水平一定比F-22用的F-119发动机高。对大型飞机的配套发动机来讲,提高推力最简单的办法就是增大涵道比,因为涡扇发动机的推力由两部分组成:一部分是从尾喷口喷出的高温高压气体产生的反作用力,另一部分则是流经风扇和压气机的空气产生的反作用力,在不开启加力燃烧室的情况下,空气对风扇和压气机的反作用力其实是占到推力的大头。所以提高涵道比,也就是提升风扇的直径可以显著提升推力。GE9X就是通过增加风扇直径来增加推力的。在GE9-115B的基础上将风扇直径增加到了335厘米,比原先增加了将近10厘米。

GE9X和人的对比,风扇直径大的恐怖

涡扇发动机的推力涞源(红色箭头),其中作用在风扇上的推力占绝对大头


但战斗机显然不可能像客机和运输机那样使用大涵道比发动机,因为战斗机的速度范围很宽,最快要飞到2马赫左右,涵道比做到太大,反而增大了阻力,没办法飞到高速。所以搭载大涵道比发动机的客机、运输机一般最高速度只有0.8~0.9马赫。此外战斗机的发动机要求泼辣,也就是油门要灵敏,给一脚油推力马上上来,以便飞机可以作出各种机动。

战斗机使用的发动机都是小涵道比发动机,涵道比都小于1,像F-119甚至只有0.3。所以发动机不要光看多大推力,还得看是多大涵道比下获得的


此外像GE9X这种大涵道比发动机,为了让高温高压的燃气做功更彻底,尽可能转化为驱动风扇转动的轴功率。GE9X采用了2级高压涡轮,6级低压涡轮。这样做推力增大,但重量也增大了,因此推重比并不高。GE9X的重量应该在9吨多,算下来推重比在6~7之间。而战斗机发动机为了兼顾推重比,一般不会这么做。比如同为GE研发的F110-GE-132,只有1级高压涡轮和两级低压涡轮,比GE9X少了一半还多,推重比却达到8。这正体现了大涵道比发动机和小涵道比发动机设计思路的差异。

F110和GE90涡轮级数对比

有道是“只要发动机推力强,搬砖也能飞上天”,航空发动机作为飞机的核心,它的性能与推力在很大程度上决定着飞机整体好与坏,所以说没有一款好的发动机,就很难制造出性能先进的飞机。涡扇-10该机型的最大推力为14吨,已经可以满足歼-10日常使用,那推力达到61吨的GE9X航空发动机是什么概念呢?

GE9X航空发动机的推力确实达到了61吨,这是在2019年7月份美国通用公司公布的最新的世界吉尼斯纪录。只不过,GE9X发动机属于大涵道比涡扇发动机(GE9X的进气道直径为4.5米,比C919大飞机3.9米的机身直径还要大),与涡扇-10那种小涵道比发动机不同,GE9X的涵道比为10:1(大涵道比发动机指涵道比4以上的),而涡扇-10的涵道比则为0.59,两者相差甚远。

从某些方面来说,GE9X这种大涵道比的发动机能达到61吨推力,也是通过牺牲高速性能实现的,使得安装大涵道比发动机的飞机很难实现超音速飞行。与GE9X相比,同样代表美国航空发动机最高水平的F-135小涵道比发动机在实验室中的推力刚刚达到20吨(设计推力18吨,涵道比为0.57),涡扇-10与它的差距并没有GE9X那样悬殊!

不过,即便是大涵道比涡扇发动机,GE9X那61吨的推力也是其他大涵道比发动机所无法比拟的,例如全球起飞重量最大(640吨)的安-225超重型运输机使用的是6台D-18大涵道比发动机,而该发动机的最大推力只有23吨,6台总推力为138吨,如果按照这一推力标准使用GE9X的话,只需2.2台就可以满足需求!

而对于我的运-20大型运输机,其最大起飞重量为220吨,目前使用4台单台推力12.5吨的D-30KP-2发动机(涵道比只有2.5左右),4台D-30KP-2发动机总推力刚刚达到50吨整,与推力61吨GE9X还有着11吨差距,如此对比的话一台GE9X发动机的推力就可以满足一架运-20运输机的总推力需求,而且尚有盈余(仅仅数据对比,实际无法安装)!

不仅如此,我们以涡扇-10为基础在研的涡扇-20大涵道比发动机(勉强挂上4的标准),其最大推力也只有13吨-16吨,即便以16吨的最大标准来算,4台涡扇的-20的总推力才刚刚赶得上一台GE9X发动机推力。为此,我们不得不佩服GE9X那高达61吨的推力。

确实,现在战斗机所用的发动机还没有超过20吨级推力的,但是美国F135发动机的推力已经接近20吨了。而民用航空发动机的推力最大的也就是GE9X了,其推力在一次试运行中达到了61吨,而这只是在试运行中才达到的,而在使用中的最大推力为470千牛,也就是47.9吨,离试运行中的61吨还差了14吨。也就是说,一台GE9X发动机的试运行推力顶的上三台F135发动机的推力。

这是什么概念呢?比如说,波音777客机需要四台GE9X发动机的话,换做F135发动机的话就需要12台了。如果F135的发动机的推力可以达到61吨的话,那F35战斗机要实现超音速巡航能力简直是轻而易举,即便是满载弹药也没什么问题的。

言归正传,GE9X大涵道比发动机的推力达到61吨,也就是说该发动机产生的推力可以拉起61吨的重物。说个更容易理解的例子,联盟号火箭第一级使用4台捆绑式RD-107火箭发动机的产生推力为73.2吨,也就是说GE9X航空发动机的推力快赶上火箭用的发动机了,这是极难达到的。由此可知,GE公司在航空领域的实力是多么强大!

此外,我国在前段时间首飞的长征5号重型运载火箭使用的YF77氢氧发动机的地面推力为52吨,真空推力为70吨级。可以说,GE9X航空发动机的推力已经超过了YF77氢氧发动机,相必GE9X航空发动机有多牛,大家都清楚了吧!

之所以GE9X航空发动机有这么大的推力主要是提高了增压比,增大了涵道比,使用了碳纤维制作的叶片技术,这是GE9X相对于GE-90-115B的提升项目。事实上GE9X航空发动机中使用CMC材料的也只有燃烧室的内衬,高压涡轮第一级机匣,第一级第二静叶片。其中风扇叶片(并非是高低压涡轮叶片,而是近气风扇)并不是全部有CMC材料制造的,叶片前部是高强度钢材,叶片后部分是由玻璃纤维材料,叶片主体部位则是第四代碳纤维复合材料。这样减轻了重量,又提高了抗鸟撞击的能力。

即便是GE9X正常的47.9吨级的推力,一台也就顶得上运20所用的D30KP2发动机的4台。也就是说,运20只要使用两台GE9X发动机,其载重量,航程都会得到较大的提升。所以说,军用飞机如果有顶级的航空发动机,其性能是可以得到较大提升的。例如,F22的F119,F35的F135,波音客机的GE系列发动机。没办法,谁让美国有那么强大的航空发动机研发公司呢,我们还是有点差距的。(图片来自网络)

这个概念就是用途不同导致的。战斗机追求的是机动性,所以气动力性要求战斗机体积不能太大,对发动机要求是推重比高、加速性好、体积小。战斗机的发动机就只能是小涵道比涡扇发动机,受此限制导致战斗机发动机的推力最大也就20吨左右。而运输机和民航客机就不同了,更加注意经济性大航程和载货量。机体较大,自重较高需要大推力油耗低的发动机。所以就采用大涵道比涡扇发动机,最大推力可达61吨,这样运输机或客机装备发动机的数量更少,经济性更好。

战斗机用的是小涵道比涡扇发动机,说白了就是漏气的涡喷,因为战斗机需要兼顾高亚音速到超音速多个速度区间的效率,所以推力嘛就要打个折扣了。而客机啊运输机用的涡扇发动机是大涵道比的涡扇,涵道比大呢,推力大了,阻力也大了,所以没法超音速了,比如F35的F135发动机推力确实大,但是是靠提高涵道比实现的,所以用推力更小的F110的F15都能2倍音速飞行,而F35就只能有1.6马赫的极速

2.0t和w12的区别,不会真的有人以为越大越牛逼吧,你看777x那发动机多大个,比a350的35吨的大多少,至于燃油经济性,777x的同样省油,就像我开奥迪a8 3.0t和别人开2.0t的SUV,同样百公里11个油

啥概念。。。。。火箭发动机级别呗。。。火箭发动机顺势推力都是百吨甚至千吨级的,只是寿命远远短于飞机发动机。飞机发动机需要稳定安全工作500小时以上,而火箭发动机安全工作几百秒就差不多了。所以难度也完全不一样,相当于一个是工笔画,一个是水墨画。