没安好心,日本新型航空发动机性能媲美F-22发动机

日本防卫省防卫装备厅在其官方频道发布了一则宣传片，片中介绍了日本最新研制的XF9-1型航空发动机验证机，它将被用在日本下一代战斗机上。2018年7月，该验证机在IHI瑞穗工厂进行最大推力测试，测试结果为不启用加
力燃烧室时，最大推力为11吨，启用后最大推力为15吨。

6 i+ Y4 L4 f" H6 H% w5 j  A防卫省声称，XF9-1的性能已经可以媲美美国F119-PW-100发动机，并计划在2019年年底前完成新发动机的各项测试与数据分析。后者为F-22战斗机的发动机，代表世界航空发动机的最高水平。这标志着日本航空发动机技术取得重要进步，已经迈入世界先进水平。并且有能力为新一代战斗机，独立研制新型高推重比发动机。
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研制计划

XF9型发动机预研制项目，是日本国产五代机“F-3”计划的重要一环。根据防卫省2016年公布的26DMU方案，“F-3”为重型空优战机，配备两台新型高推重比涡扇发动机，飞行最大速度达到2马赫，具备优异的机动性能，将与美制F-35战机形成高低搭配。

' Q" [2 ]4 w9 e! F: Z8 B日本“F-3”计划技术验证机之一的X-2“心神”，于2016年4月首飞，当时安装的是XF-5引擎。该机仅做验证，没有量产，“F-3”战机将以它为基础继续研制。

. s3 T/ x$ X1 P9 j' F0 X& ]因此，“F-3”的发动机从一开始就全面对标美国F119型发动机。在研制过程中，需要解决缩小发动机横截面积、增强单位推力、提高推重比和供电功率，以及矢量喷嘴等技术难点。根据战斗机项目进展，研制计划分为三个阶段进行：

第一阶段，2010年至2015年间完成“下一代引擎主要部件”的研究，IHI先后完成压缩机、燃烧器和高压涡轮的研制工作。

第二阶段，2013年至2017年间完成“战斗机引擎核心部件”的研究。2017年7月，发动机最重要的部分：核心机研制成功。
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第三阶段，2015年至2019年间完成风扇、加力燃烧室等部分的研制，并组装出一台完整的发动机。

该项目现已进入第三阶段的最后测试期。不难看出，日本以自身掌握的零部件制造技术为基础，进而研制出核心机，然后再组装验证机测试，稳步地推进发动机研制工作。
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“既要大推力也要小口径”

XF9-1验证机是一种双轴涡扇发动机，设计上参考了美国F119发动机，两者结构类似但前者尺寸稍小。它具备3级风扇、1级高压涡轮、1级低压涡轮和6级高压压气机，进气口直径约1米，最宽处直径约1.09米，总长度4.8米。而F119发动机最宽处为1.20米，总长5.16米。


发动机结构示意图。防卫省对该机的总体技术描述为：“既要大推力，也要小口径。”
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整体上看，XF9-1在提升发动机性能上，最突出的技术点是让涡轮前温度达到1800摄氏度。这一指标直接关系到单位推力大小，是高性能发动机的重要标志。为此，IHI应用了最新的冷却、耐高温材料技术以及新生产工艺。
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5 \5 H1 c8 i0 W7 d4 `& N在该机的风扇和压气机部分，采用了镍基耐高温单晶叶盘。一次切削成型，并添加了稀有金属“铼”。铼的熔点达3186摄氏度，是熔点第三高的元素，添加在发动机零件中可以大大增强耐热性。在美国F-15、F-16、F-22和F-35的发动机上均有应用。

3 D$ n- X3 O) s9 Z+ Y7 iXF9-1的三级风扇。单晶叶盘的制作工序复杂、生产周期长而且合格率低，但可以耐受传统铸造叶片不能承受的高温，是研制推重比10这一级军用航空发动机不可或缺的重要零部件，在国际上也被航空大国所垄断。
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此外，相对于传统的榫头结构，单晶叶盘的气流效率高、维护性更好、耐热性能明显提升。还可以降低叶盘直径，缩小整体尺寸。以此来缩小发动机的雷达反射面积，提升隐身性能。并减少机舱内的体积占用，安装更多其它设备。
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日本在XF9-1验证机上第一次采用“浮壁式”火焰筒设计。优点是可以增强燃烧室内空气对流，大大提升冷却效率，延长火焰筒使用寿命。但是这种设计将原来的双层结构改为单层薄壁，结构更加复杂，加工过程中更易变形，制造难度上升了一个数量级不止。
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该机的浮壁式火焰筒。薄壁上的冲击孔和对流孔的位置稍有偏差，都会让散热效果大打折扣。

众所周知，日本在材料领域技术实力十分雄厚。尤其在军用高温合金、碳纤维材料、陶瓷基复合材料等领域世界领先。此次，XF9-1的火焰筒上就采用了SiC/SiC陶瓷复合基材料（CMC）。
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这是一种极具发展前景的航空发动机新材料。例如，碳化硅陶瓷材料的强度是传统合金钢的?1.5至2.5倍，密度也小于合金钢，可以降低发动机重量。陶瓷复合基材料中最先进的碳化硅纤维，在当下全世界只有日本和美国可以产出，而可以批量生产的只有日本碳素公司和日本宇部兴产株式会社。就连美国的“ADVENT”新发动机计划中，需要的碳化硅也由日本企业垄断。
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碳化硅纤维。在航发上应用这一材料，耐热性可增强20%，重量反而减轻1/3，但生产困难和高昂的价格阻碍了它的大规模应用。
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. S% B* Q2 n; L3 S除此之外，涡轮盘采用了自行独立研制的TMW-24镍钴高温合金溶制锻造。摩擦焊接、3D打印等先进制造技术也被运用在生产中。

& X  U! w- J4 k  `这些新材料和新生产工艺的应用，使得XF9-1的核心机可以在涡轮前温度1800摄氏度下稳定工作。甚至超过了F119发动机的涡轮前温度（1690摄氏度），已达到现代大型涡扇发动机性能的先进水平。

9 _/ a0 \8 l( R+ H) h8 h9 e7 s7 M3 ^一体化动力设计

- D( H2 U0 s4 k2 H; v- _1 G; f( X除了发动机本身，还配套研制了边界层隔道进气道、中央动力控制系统、180KW大功率启动器等与机体整合为一。意图组成一个具有较强隐身性能、耗油量低航程远、推力强劲、工作稳定的推进系统。



; w# V& y  \6 A" s位于发动机下方的小型启动器（红圈处），为机载设备提供充足的电能。
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有资料显示，XF9-1将会安装轴向矢量喷口，扩展部分可以自由偏转20度。矢量喷口技术的应用可以缩小机翼控制面的大小，既可以降低被探测面积，也可以明显提高机动性能。并且有利于降低飞行阻力，更容易实现超音速巡航。
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日本航研实力不可小觑
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/ ~0 n% E$ u$ A2 c9 r; v日本的航空工业在“二战”后被拆分，但随着其“亚洲桥头堡”地位的凸显，美国开始扶植日本航空企业。日本政府也大力支持航空企业成长，从1952年颁布《航空工业企业法》以来，制订了一系列航空工业发展法案。并持续向企业提供占开发经费总额55%的政府补贴，其余45%的部分，企业可以从银行获得低息贷款，而且政府还会再补贴一部分利息。总体扶持力度不小。

/ H1 u( Y. ~3 p% V$ u* m& z而在企业方面，因为有“和平宪法”制约，日本军用航空只能潜身于民用航空之中，“寓军于民”，军民间可以快速转换。民用产品和军用产品往往在同一个企业，甚至同一个厂房内生产。有如三菱重工、川崎重工、石川岛播磨重工（IHI）等实力强劲的航发生产企业。它们不光谋求国内订单，还积极参与国际项目。1981年三家公司联合成立了日本航空发动机协会，集中全日本最强的航发研制实力走向国际市场。从承担非核心零部件制造，到成为全球核心零件的重要提供商之一，日本航发技术实力悄然增长。
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: J) E2 R) `! t/ W1 T日本研制的多种航空发动机。
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XF9-1的性能细节还未公布。但它的前一代发动机XF5-1不开加力时推重比为7.8，而美国F119发动机则为7.2，最大的战斗机发动机，用于F-35的美国F135发动机则为7.6。当然，这一数据并不能反映发动机的全部性能。但从这一指标来看日本航发技术实力的确不容小视

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