对于滑跃航母配套的预警机来说,目前制约其基本作战性能的最大瓶颈在于发动机。

特别是国内目前使用的涡桨6系列发动机,作为舰载预警机的动力非常不合适——仅其自身重量的超标,就足以导致起飞时能携带的燃油重量,要远比E-2C/D少得多。

而对于舰载预警机的飞行性能来说,没有什么比300公里之外的滞空时间更为重要——当它不能维持中远距离上的长时间存在时,主要性能便会失去发挥的基础。

舰载预警机总起飞吨位是被航母限制的,接近30吨已经很难

航母上的各种运作限制——包括升降机宽度、起降跑道宽度、机库高度等因素,决定了飞机的翼展(包括折叠/展开等情况)尺寸极限。舰载预警机能有多大的机翼面积,在这一步就其实已经被初步确定了。

而跑道长度、弹射器的有无/性能高低,又决定了飞机在离开甲板时的速度——也就是同样面积的机翼,能产生多少升力。舰载预警机起飞时,能带多少重量,在这一步也就被决定了。

图:E-2家族最大飞行速度,到发动机推力最高的D型,也仅648公里/小时。功率重量比低、飞行阻力大,是舰载预警机必然面临的问题。

1、现在研制新的舰载预警机,机翼产生升力的效率与上世纪50年代没有显著差异,起飞重量在气动布局上的理论极限指标其实都差不多,实际性能指标的差异首先取决于发动机功率

舰载预警机使用的小型、低速(离M0.85的跨声速下限都比较远)、传统构型的运输机类设计,它所涉及的高度(12000米下)、速度(最大不到700公里小时)、飞行特性(不涉及高机动),早就被研究的非常成熟——即已经没有什么显著的优化和突破余地了。

图:超临界翼型在70年代的实际运用,使高亚声速飞行的飞机得到了气动性能的一次明显进步。但舰载预警机就是以最大飞行速度飞行,也依然沾不上这个技术的便宜——它要进入跨声速区域才能起效

这类飞机在气动上,数十年来并没有真正的突破性进展,进步幅度远比高亚声速的运输类机种(比如从波音747到787)的要小。因此受尺寸极限——尤其是机翼面积的限制,能支撑到的起飞重量都很难接近30吨。

图:T56发动机的剖面结构,左侧的减速机构被独立了出来

此类飞机如果使用涡轮螺旋桨发动机作为动力,在起飞状态下需要接近4000千瓦的最大功率,才能保障飞机在离开甲板时有足够的速度、加速能力,拉动飞机前进、爬升。

图:E-2C到E-2D,换发后的最大起飞重量从 24.7吨增大到26.1吨

因此更大的发动机功率,才能使飞机获得更大的起飞重量。比如美国E-2系列现在的主流型号是C/D两型,其中E-2C使用的是T56-A-427发动机,最大功率3805千瓦,2004年后统一更换为效率更高的NP2000型8叶复合材料螺旋桨。

E-2D在C型后期状态的基础上,螺旋桨保持不变,发动机最大功率提升到3917千瓦——这使得它在起飞和降落时,有更充裕的应急功率储备,以应对单台发动机失效等紧急情况。

2、总起飞重量相近,发动机越轻、阻力越低、油耗越低,越是能带更多燃油上天、飞的越久、越远

在非西方阵营国家中,功率定位上与T56系列基本对应的,主要是前苏联最早装备于安-10客机的AI-20涡桨发动机,中国后来从苏联引进安-12运输机项目时,获得了该发动机的技术,并在此基础上仿制改进出了涡桨6系列。

图:AI-20

AI-20/涡桨6在近些年的最新改型,均达到了3800kw级别的最大功率。但最大功率的相近,并不代表发动机在整体性能上的的相近。除去可靠性、维护性、寿命这些问题;AI-20系发动机与T56-A-427系列发动机在重量和油耗两个方面的差距非常大。

比如在重量上,T56家族发动机是美国艾利逊公司的产品,其中427型属于军用IV系。T56系列发动机尺寸是3708(长) x 686(宽) x 991~1118(高)毫米,重量在828-880公斤不等。

图:AI-20系发动机的剖面结构

图:俄系AI-20发动机改进型的一些数据,要强调的是一些先进型号的指标其实从来没真正实现过,是用来招揽投资和客户的ppt型号/数据

AI-20的改进工作包括延寿、增大推力、降低油耗,但重量和尺寸上基本维持不变。该系列发动机尺寸是3099 x 892 x 1174毫米,重量基本都维持在1.2吨。

这意味着和E-2C/D相比,中俄两国的舰载预警机在获得相近动力的同时,要额外付出巨大的重量,以及更高的飞行阻力代价——直径差异使发动机舱形成了更大的迎风面积。

而且在发动机在起飞和巡航状态下,AI-20/涡桨6系发动机的耗油率,一直都要比T56系列的同时代型号更高。

3、发动机重量的增加,会成倍、甚至数倍放大到全机的重量上

航空发动机设计制造相关的理论著作,在强调发动机重量控制的重要性时,通常会给出一个经验性的结论:发动机增重1公斤,全机总重量要增重5公斤甚至更高。

这个结论背后的逻辑,是发动机重了,安装它的机身或者机翼承力结构也必须设计的更强壮(必然也更重),并且需要额外的重量去调节全机的重心变化——如果调节不能通过更改设备分布位置等手段实现,就必须依靠添加铅块、铁块这样的死配重来实现。

图:F16检修发动机

但要指出的是,“5倍论”是一种极端化的情况,更多针对的是F16为典型的战斗机一类的喷气式战术飞机。它们的发动机在飞机尾部、最远离全机重心,因此发动机的增重对全机影响尤其大——机头雷达增重的效应也与之非常类似。

对于舰载预警机而言,发动机位置和全机重心相当接近,发动机增重的放大影响大概率是到不了5倍的。

但即便如此,AI-20/涡桨6系列发动机如果用作舰载预警机的动力,也意味着由此带来的载荷能力损失,远远将超过两台发动机本身重量差额带来的640公斤。

4、涡桨6发动机带来的大幅度增重,在国产舰载预警机上,只能用减少燃油携带量作为主要应对手段

E-2平台的油箱设计在机翼中,正常情况下使用不可折叠的中央翼油箱,可携带5.62吨燃油;在可折叠的外翼部分,还有辅助性的油箱,可以使全机携带燃油总量增加到8.99吨。

图:E-2家族航母起飞时只能使用中央机翼的油箱

必须要强调的是,制约E-2滞空能力的关键,不在于机内燃油空间,而在于燃油重量。E-2C/D由于发动机最大功率的差异,在航母上起飞时的最大起飞重量分别是24.7/26.1吨;但由于空重本身就超过18.4/19.5吨,真正能带的,始终都是那5.62吨燃油。

图:戴高乐号吨位较小,但依靠弹射器,拥有E-2预警机完整性能的运作能力

对于中俄两国的滑跃航母来说,缺乏弹射器的辅助,这意味着一个无法回避的现状:要达到与E-2C相当的起飞能力,新型预警机在动力性能上必须更加出色——尤其是功率/重量比。

但只要是继续使用AI-20/涡桨6系发动机,这种要求就不可能实现。一方面是最大起飞重量上,达不到E-2C/D的标准;另一方,携带的燃油重量也比E-2C/D更少,而且耗油率还高。

结语:发动机对整体性能的制约,在国产舰载预警机上,严重程度远超战斗机

一艘航母的日历寿命至少在30-40年以上,50年是很正常的指标。对于滑跃航母的使用国家来说,即使是拥有了新的弹射航母,原有的滑跃航母也不可能迅速淘汰,而会在非常长的时间内,依然是海军最核心的战斗力支柱。

因此舰载预警机在滑跃航母上的性能发挥,对于海军整体战斗力的生成,始终是最关键的因素。

从目前来看,非美系的舰载预警机,能否从主要具备训练价值的验证性平台,顺利转化成具备完整远洋作战能力的实用性平台,脱离AI-20体系的新一代发动机何时能正式投入使用,将是具备标志性意义的关键节点。

目前国内的新一代发动机涡桨10仍然在研制中,虽然详细的性能指标和设计特征没有公开;但是从舰载预警机对于发动机的需求特性,依然可以部分判断出它的部分性能指标所处范围、以及可能的结构布局——这部分将在之后另写文章介绍。

而且要指出的是,虽然国内和美国在航空发动机上的差距巨大,但涡桨10系列的主要性能指标,却完全有可能比E-2D装备的最新发动机更高。

相关文章