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“太行”研制瞎考(五):差点被毛子坑得上不了高原

昨天施佬又变身广告公号了……搞得好几个朋友特地找我来确认是不是被盗号了。其实嘛……清明节前一天要比清明忙多了。作为一个工作犬施佬在上班下班之后,又狗不停蹄地驱车从上海赶回老家准备祭祖……上海附近这个高速公路堵况……本来就是打算断更的。这不正好有广告可投,施佬索性就没有节操了……

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▲ 免费给席亚洲打个广告,他的本名就姓这个“堵”…………

最近几天啊,航空航天行业申报科技进步奖的这个材料引起了很多讨论。这不隔壁的席亚洲就在发挥想象跑火车呢么。这几个申报的东西其实大多已经搞定而且公开了,只有少数几个型号还要等到明年国庆才会正式公开。这种武器什么的,施佬是丝毫不懂滴哈哈哈哈哈哈……总之想看爽文的欢迎去看席亚洲,想听消息的去看养鸡大佬,万一我从故纸堆里找出些陈年旧资料的话……

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今天还是继续写这个“太行”的一些事情。都隔了那么多天了,上回讲的是“太行”如何吸取了美国的设计特点有保留中国特色的,这回就讲一个“太行”和老毛子AL-31F有关的段子好了。

 

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▲ AL-31F作为我国大推力涡扇研制历程后期的长期参考系,自然也会被拿来学习一番

都知道“太行”研制之初很多核心机之外的外设打算参考参考涡扇6,但是后来的技术进展证明这么保守就属于作死了,所以后来实际上“太行”的这些东西都属于自行研制,当然在这其中,参考手头的AL-31F也毫不奇怪。结果在一个特别“外设”的事情上,AL-31F的设计特点就差点把“太行”给带坑里了。

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说的呀,就是“太行”发动机的起动问题。

 

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▲ 虽然都是飞起来,但是起动发动机的速度也是很重要的

和汽车啥的一样,航空发动机的起动也是需要一个外置动力把发动机先带到一定的转速,然后才能喷油点火一气呵成。但是在“太行”研制和早期批次的时候,试用批次经常性出现的问题之一,就是起动时间长、起动时喷口温度过高以及更加糟糕的“起动失速”。

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▲ 这些事儿其实和发动机本身有那么些关系,起动的事儿不影响天上,但是也揪心

这都是什么意思呢?换成我们熟悉的汽车或者摩托车起动其实也有类似的问题:有的车在起动的时候把钥匙一插拧上好一阵才能发动起来,还有的甚至拧上好一阵,就算明明听到发动机的转动声甚至轰鸣,但是手一松发动机还是撂撅子了;更早那种带摇把的拖拉机或者卡车,也有摇了半天手柄,发动机也咳嗽几声,最后还是动不了的情况。前一种情况就是起动时间长,后两种就属于发动机失速。

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▲ 就跟摇拖拉机一样,需要个外力带动一下发动机

喷气式发动机在原理上虽然不是活塞式,但也需要外来动力将其涡轮转速提升到一定水平,压气机开始向燃烧室输送足够空气时,喷油点火才能起动。其起动过程大致分成三阶段:

第一阶段,起动机带动发动机转子,当转速达到一定速度时,开始喷油起动发动机;

第二阶段,起动机和涡轮共同带动转子,并且逐渐提升发动机转速,为了尽快起动发动机到额定转速,起动机通常要工作60秒或者涡轮转速达到额定转速的53%之后才脱开发动机;

第三阶段,涡轮带动压气机逐渐提高转速,直到达到发动机运行的最低转速。

 

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▲ 可别以为发动机这样一下子就能起动,这都是已经到慢车转速的发动机

当时“太行”正常情况下的起动时间大约是75秒左右,但是在低温、高温或者高原环境下,很多时候起动时间要么拖到90秒左右,要么起动过程中喷口温度超过安全范围导致发动机部件烧伤,要么干脆就失速,起动失败。

 

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▲ 懂不懂什么叫分秒必争?慢那么多咋行呢?

这其中一个很重要的原因,在于最早“太行”配备的发动机起动机,也就是飞机上的APU系统功率不足,只有80千瓦左右。在“太行”研制的时候,国内可用的航发起动机功率较小,加上“太行”发动机的转子质量较大,小功率起动机剩余功率不足,导致其操作时余量不足,加上燃油供给情况在起动阶段没有充分优化,使得在高温环境下,起动机功率进一步下降,以至于起动机工作60秒脱开之后,发动机本身的转速仍然达不到额定要求的53%,甚至只有45%……发动机因此长期停留在低速状态,大幅延长了起动时间,有的发动机甚至因此引发了引擎过热。

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▲ 天一热啊,就不得劲,发动机跟人是一样的

低温状态下,由于发动机起动温度较低,暖机时间较长,导致起动机脱开后出现起动失速问题;至于高原起动,由于高原上空气稀薄,含氧量小,也会导致起动机输出功率不足,最终影响发动机的起动速度,早期“太行”在海拔3800米以上机场起动时,就要受到这类问题的巨大影响。

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▲ 高原起动问题直接影响到国际友人的情绪~

说到底,这几种情况的内在规律都是一样的,就是起动机剩余功率不足,无法同时满足加速性和成功率的需求,保证成功率的起动时间需要90多秒,而保证速度的起动就有可能失败。

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▲ 全押上了,我赌这次起动能成功!这哪儿像话啊

为什么在设计之初没有研制起动功率更大的起动机做APU呢?

因为在中国航空工业的参考系中,最重要也是最贴近的产品——苏-27战机使用的起动机ГТДЭ-117-1的功率就只有66-83千瓦,改进的苏-33用的ГТДЭ-117-1M也只有80千瓦。这在一定程度上让中国航空工业者误以为较小的起动机也没有问题。

 

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▲ 苏-27的起动机功率小啊,苏-33后来好歹还加了点

但看国际上,尤其是西方的几款战机的APU的功率,F-16是169千瓦、幻影-2000是132千瓦、F/A-18是201千瓦、“阵风”是125千瓦,“台风”是164千瓦……大功率才是主流嘛。

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▲ 一个单发机的起动机功率都有160多千瓦,说明这个东西大点儿没什么坏处

“太行”的这个问题的解决办法并不困难,核心手段就是使用一款功率更大的起动机。“太行”在换用105-110千瓦的起动机之后,通过将起动脱开转速提高到63%,同时调节起动阶段的供油量,经过优化之后,“太行”发动机的起动时间缩短到了60多秒甚至60秒以下,排气温度也有了显著降低,基本杜绝了烧坏引擎部件的可能。在增加了点火补氧功能后,即使是在海拔4300米的高原机场起动,起动时间也只需要65秒左右。

当然有人会觉得,为啥要相信“西方那一套理论”,俄罗斯的起动机功率小,AL-31F不也用的好好的么?其实,起动机功率较小的俄罗斯战机虽然未曾在国外传出过什么不利消息,但中国空军在使用苏-27/30系列战机的过程中,就曾经长期遇到战机高原部署的难题。AL-31F发动机在高原环境下也遇到起动时间长甚至起动失败的情况,严重影响了西南方向解放军空中力量的形成。

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▲ 别看现在都高原轮训了,当年AL-31F高原起动可是世界级难题

比较麻烦的是,因为苏-27系列是进口战机,显然没法像“太行”一样换个大功率起动机,于是除了要延长发动机起动机工作时间、点火补氧、设法提高涡前空气温度之外,还要搞很极端的“发动机主燃油泵调节器抽真空”之类的措施,相关科研专项前前后后搞了5年,最后也仅仅是让发动机能够在高原起动而已,起动时间还是明显延长了。

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▲ 这件事儿上,李应红院士是居功至伟

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▲ 甭管咋样,上了天三哥就笑不出了

当然,这个事情并不能说实锤是“太行”抄了AL-31F什么的,毕竟只是起动机功率上相仿的参考而已。不过对于中国的技术人员来说,这种“外国先进产品技术”中间的坑既不是第一次碰到,随着中国追赶外国搞的东西越来越先进,未来碰到的概率可能还会越来越多。

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▲ 跳坑不行,你可能就被别人带跑了

大家可别嫌短,写完这个起动机,下次聊“太行”的时候,施佬打算聊一聊发动机材料里一些个稀有金属的话题。

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