F-35換髮，F135的ECU升級通過初步審查！

F-35發動機升級計劃已經通過初步審查 預計2029年正式換裝 因為F-35升級Block 4的原因 電子設備艙的廢熱功率進一步提升 熱管理和電源效率的壓力越來越大 換句話說 F-135這款最強軍用發動機的性能已經不夠用了 為此美軍準備了兩套方案 變循環發動機與F-135的ECU升級 就火力軍來說 變循環發動機作為六代級的動力 性能要比F-135的ECU升級更好 但美軍最終卻選擇了升級F-135 這期視頻我們就來聊聊F-135的ECU升級以及美軍放棄變循環發動機的原因 7月15日 普惠公司宣佈 其針對F-35發動機的升級已完成初步設計審查 預計2029年正式換裝 在F-35發動機的升級方面 美國空軍有兩個選擇 F-135的升級版與變循環發動機 只是美國空軍在2024年3月宣佈 採用普惠推出的F-135升級方案 放棄變循環發動機 2024年2月 美國政府批准普惠恢復為F-35戰機提供F-135發動機 3月份 普惠旗下的RTX部門獲得了美國政府的全額資助 用於推進F-135發動機核心升級項目 除了ECU之外 普惠針對F-135一直存在的散熱問題推出了動力與散熱管理系統 從而解決Block 4升級後因功率更高而產生的熱能 說到這兒就有一個問題 變循環與F-135哪個更好用 美國空軍為什麼要選擇F-135的升級版 F-35包括三種基本型 均配備一臺F-135大推力渦扇發動機 F-35B還配備了發動機軸驅動的升級風扇等 以滿足起垂直起降的要求 與美空軍F-15 F-16配裝的F-100與F-10系列相比 F-135的推力增大26%以上 熱管理能力提高50% F-135的性能很強 完全可以稱其為最強軍用航空渦扇發動機 F-135是基於F-19研發的 採用與F-19基本相同的核心機 不過為了提高推力 增加了發動機的空氣流量和寒道比 F-129的寒道比只有0.3 而F-135的寒道比卻達到了0.57 相比F-119性能優良 但價格昂貴的矩形隱形噴管 F-135首次使用塗有陶瓷雷達吸波器的弧形葉片和後置噴油器 取代了傳統的噴霧器和阻火器 在保證飛行能力的同時 防止雷達散佈在渦輪上 提高後向隱身性能 同時為噴口配備15個重疊設計的鋸齒狀後風板 進一步減少尾流的紅外信號 F-135發動機的部件也進一步減少 所有可更換部件均採用模塊化設計 後續維護性能得到進一步提升 不過F-135最大的特點還是高推重比 世界上推重比超過10的發動機 比較經典的也就美國的F-119和F-135系列 以及俄羅斯的AL-1系列 英國勞斯萊斯公司為颱風製造的EJ200 法國國家航空研究與製造公司為陣風製造的M882渦扇發動機 推重比均不超過9 俄羅斯土星設計局研製生產的AL-1F 雖然推重比超過10 卻以犧牲零件壽命為代價 運行壽命僅約4000小時 可以說F-135系列就是目前世界上唯一一款推重比真正超過10的渦扇發動機 只是F-135雖強 但是很難滿足未來需求 目前美軍正在進行F-35的Blocks升級 這是F-35形成初始作戰能力後首次重大升級 將大幅度提升機載傳感器性能 數據融合 電子戰鬥能力 並且還要拓展有效載荷類型 這就要求發動機的推力更大 功率提取能力更好 熱管理能力更強 已經超出現役F-135能夠支撐的範圍 此外 F-135的妥善率有一定的問題 很難滿足美軍嚴格的戰備要求 在F-35頻繁的部署出勤狀況下 發動機的妥善率不是很理想 許多零件耐用度不夠 尤其是渦扇葉片的抗熱塗層損耗過快 2015年的時候 F-35就曾因為發動機問題導致飛機平均無故障飛行小時數遠不如預期 被美軍認為不能滿足戰備和訓練要求 2020年年初又遭遇動力模塊短缺危機 導致發動機維修進度落後於計劃安排 加上備用發動機數量不足 F-35因發動機問題而停飛的比例遠超最初預期的6% 很難滿足美軍保持戰備狀態的需求 解決這些問題的最佳方案就是換個發動機直接一步到位 進入決賽圈的就是變循環發動機與F-135的升級版 就性能來看 變循環纔是最好的 飛機發動機技術的提升在於如何提高燃油的使用效率 噴氣式飛機的原理就是將空氣吸入發動機後和燃油混合加熱 而後高溫高壓氣體向後排出 飛機就可以獲得一個反推力 只是傳統航空渦輪發動機的熱力循環是固定的 一種發動機就只能在一種模式下工作 渦噴就只能是渦噴模式工作 渦扇就只能是渦扇模式工作 僅在有限的飛行範圍內具有最好的性能 而變循環發動機採用渦輪風扇體制 將氣流分在三個寒道 但這三個寒道可以變換大小口徑 通過組合搭配成就最佳的工作模式 也就是通過改變發動機零部件的位置來實現不同熱力循環的燃氣渦輪發動機 在需要經濟巡航時 可以擋住通過燃燒式氣流使發動機在螺旋腳模式工作 當需要進行跨因素機動時 通過改變寒道變成一個渦扇發動機 當需要進行超音速巡航時 則又變成一個渦噴發動機 使用變循環發動機之後 在同等燃油的情況下 飛機的制空時間可以提高50% 航程增加33% 減少25%的燃油消耗效率 最早使用變循環發動機的飛機就是SR-71 使用普惠的G58發動機 此後通用電器也設計了YF-120變循環渦扇發動機 用於ATF計劃 但是這兩種發動機都沒有得到廣泛應用 2016年的時候 美國啟動自適應發動機轉化計劃 開發變循環發動機 任務目標就是與F-135相比 燃油效率提高25% 推力增大10% 並且改善熱管理能力 美國空軍授予通用電器和普惠各一份金額10億美元以上的合同 二者分別研發了XA-100和XA-101驗證機 無論通用電器的XA-100還是普惠的XA-101 採用的都是雙外寒道 簡單來說 就是可以通過增大和減少外寒道的氣流來改變發動機的寒道比 這樣就相當於可以在實現超音速的小寒道比與省油的大寒道比之間來回切換 在研發過程中 XA-100信息披露相對較多 XA-101則很少 XA-100於2019年完成詳細設計 2021年3月份完成第一階段試驗 並完成了在兩種不同模式下的運行與自動轉換等 2022年9月12日 通用電器公司就完成了AETP合同規定的研發內容 與F135相比 XA-100這種變續換發動機可以將燃油效率提高到25% 推力增加10%-20% 航程提升30% 熱管理能力提升100% 普惠雖然也開展了XA-101的驗證 但是其力推的解決方案就是F135的升級版 在推出該方案之前 普惠就與美軍合作 為F135制定了一項分階段的升級計劃 第一階段的目標就是推力增大7%-10% 耗油率降低5%-7% 第二階段則是基於F135研發變續換發動機 2017年的時候 普惠就推出F135第一階段升級 通過改進材料和塗層 修改葉片外形 將燃油效率提高6% 推力增大10% 2018年 美國空軍開始關注F35換發問題 普惠更改了F135升級計劃的第二階段 將XA-101作為變續換發動機型號研製 同時推出了F135第二階段 後者的重點是提高動力與熱管理系統性能 滿足F35後續升級的需要 並於2021年推出了升級方案 航程和推力增大10%以上 F35B的垂直升力增大5% 熱管理能力提高50% 就目前的信息來看 變循環發動機的推力與F135發動機的ECU升級相差不大 經過第一階段的升級之後 F135的推力就已經超過20噸 F135的ECU升級完成之後 推力就能達到22噸左右 變循環發動機的推力的20噸起步 最大推力應該在23噸以上 二者差距在10%左右 不過差距最大的還是燃油經濟效應與航程 變循環發動機可以使戰機在任意階段都具有最好的飛行性能 而F135發動機ECU升級的重點在於推力與熱管理 所以變循環發動機的主要優勢就是性能提升和後續升級空間更大 主要劣勢就是兼容性較低 能直接適配的機型只有F35A與F35C的兼容性較低 特別是F35B很難兼容 同時變循環發動機的成熟度較低 雖然完成了工程驗證機研發 但還需開展型號研製 進行機上集成 裝機試飛等工作 這一系列操作搞定之後 還要建立新的生產線和供應鏈 這也意味著更高的成本與更長的時間 相比之下 F135發動機ECU升級 兼容性好 成熟度高 可以直接利用現有工業基礎 成本更低 時間更短 F135發動機的ECU升級版本與現有版本的共性超過60% 並且該升級可以用於現有發動機的後期改裝 按照普惠的說法 採用ECU升級比使用變循環發動機節省400億美元 缺點就是性能提升和後續升級空間都較小 至於美軍的選擇 各位也都知道了 擁抱F135發動機ECU升級 美國國會3月23日通過的2024總預算案中 確定了F35的未來發動機選項不會更換成變循環發動機 這是為什麼 就火力軍來說 放棄變循環發動機的確是最好的選擇 變循環雖強 但太過複雜 價格也太貴 重要的是它不適合F35 變循環發動機變換寒道看起來很簡單 但是在工程上是很難實現的 發動機在高溫高壓和極高轉速的環境工作時 最好不要有任何的結構變換 否則會帶來發動機部件的損傷 導致發動機出現安全問題 更換寒道氣流時也會帶來氣流的瞬時其變 導致發動機工作不穩定 甚至空中停車 此外 火力軍上面也說了 變循環發動機能直接適配的機型只有F35A F35B的旋轉噴管和集成升力風扇 意味著集成新發動機的難度更大 普惠與通用電器之前也表示過 他們的變循環發動機與F35B不兼容 有一段時間甚至有消息說 F35B使用F135發動機的升級版 F35C獲得新的變循環發動機 這樣也太麻煩了 發動機的進氣量與發動機的外形尺寸發生改變 也就意味著需要修改進氣道 以及發動機的安裝部位 而隨著發動機推力的增加 整個機身結構可能也需要修改 原來F35的超音速不能超過一分鐘 否則垂尾和平尾可能出現損壞 現在發動機推力更大 飛行速度更快 問題會更嚴重 這樣的修改幅度就會相當大 甚至還會牽扯到機身兩側的彈倉 這就意味著更貴 F135的平均價格為2000萬美元 新發動機的價格將遠高於這個數字 加上F35本身的修改 數字將會更高 當然 以上這些都是外部因素 F35之所以不採用變循環發動機 主要是因為二者不匹配 作為一款隱身戰機 F35最看重的不是速度 而是隱身性能與態勢感知 如果F35超音速飛行 紅外特徵就會特別明顯 加上結構與機身萌皮的問題 F35連當前F135的推力都無法全部發揮出來 更別說推力更大的變循環發動機了 至於航程與機動性 無所謂的 F35不是格鬥戰機 航程上的缺陷可以靠發射超遠距離空空導彈解決 目前F35最大的問題是冷卻與電源功率 先進戰機的戰鬥力高低受限於其熱管理系統性能 就像手機電腦一樣 一旦散熱不足 輕則設備降低性能 關閉部分功能以避免硬件損壞 重則直接導致芯片等器件損毀 焊點虛脫 出現各種故障損壞 在戰機上面 散熱不行的問題體現在雷達方面 這東西是飛機的關鍵發熱源之一 失去冷卻能力等同於失去探測能力 會導致飛機變成瞎子 具體到實際使用過程中 一架熱管理水平不佳的戰機 惡劣氣候環境使用能力差 在較高氣溫條件下會面臨更多的使用條件 而F35在不斷的改進中 電子設備不斷增多 機載設備產生的廢熱功率也在猛烈增加 這就需要冷卻 冷卻能力的來源就是發動機 如果發動機提取功力太多 就會導致發動機本體的冷卻空氣不夠用 這就會消耗發動機壽命 而且還會出現單艙過熱的問題 目前F35 Block三的廢熱效率達到了30千瓦左右 預計F35 Block四的廢熱效率將提升到47千瓦左右 相比之下 F18電子設備艙的廢熱功率只有19千瓦 如果是非隱身戰機 可以在機體表面佈設大量的小進氣口 在高速飛行中讓外界氣流衝進機身內部區域 從而實現冷卻效果 但是對於F35這樣的隱身戰機而言 這些進氣口雖然小 但是如果處理不當 就會導致隱身效果功虧一簣 所以開孔數量和麪積要小很多 在形狀和位置上也有很高的要求 這都提高了隱身飛機的熱管理設計難度 而且在現代戰機的發展上 熱管理設計的難度會越來越高 現在戰機追求信息化 網絡化以及取中心化 本質上來說 這是將原本由E3 R4135這種特種飛機平臺承擔的任務分散到F35這樣數量更多的小型戰機上 這也就意味著戰機需要更強的算力和儲存能力 更強的射頻功率 這些方面所有的性能提升都需要更大的電源功率作為實現基礎 作為F35發動機的升級重點在於熱管理和電源功率的提升 並不是推力 變循環發動機放在F35身上有點英雄無用武之地的感覺 當然F35還有數十年的服役期限 不排除未來F135發動機到達壽命極限後再更換變循環發動機的可能性 此外 在六代機上 美軍一直都是打算採用變循環發動機 從五代機向六代機發展的過程中 新一代先進發動機除了通過變循環架構實現不同速度範圍下的推力 油耗大幅度優化外 熱管理和電源功率也是重中之重 畢竟要帶無人機一起玩 電子設備的性能必須足夠強 好了 這期視頻到這就結束了 各位覺得變循環發動機什麼時候才能出現在美軍戰機上 可以在視頻下方留言 大家一起討論 我是火力君 下期見