《军武次位面》作者：血刃
不久前，2022中国航空产业大会暨南昌飞行大会上传来了军迷们翘首以待数年的好消息：中国航空发动机泰斗级研究员刘大响院士在关于《航空发动机和大飞机发展新机遇，江西航空产业的思考和建议》报告中暗示，WS-15（峨眉）发动机已完成首飞，并将在完成测试后正式列装，而它代表的则是中国第四代动力系统。
▲刘大响院士介绍了WS-15的关键信息
刘院士表示，中国航空器动力系统已跨上了三个技术台阶，即三代动力（推重比8一级的涡扇发动机和功重比7一级的涡轴发动机）；四代动力（推重比10一级的涡扇发动机和功重比9一级的涡轴发动机）和五代动力（推重比12-15一级大推力涡扇发动机、功重比11-12一级涡轴发动机和涡轮冲压组合循环发动机）。
航空发动机是战斗机的心脏，被视为现代工业最耀眼的宝石。长期以来，中国与世界先进水平有相当的差距，以至于不得不依赖引入俄罗斯技术，甚至歼-20问世后也曾面临如此窘境。然而自三代动力阶段，中国就已完成了不少技术创新，并逐渐在此领域自主化，而WS-15发动机作为歼-20的标配，自然会让该机的战斗力得到进一步提升。
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航发对战斗机性能的影响有多大？
由于苏-57迟迟没有真正形成战斗力，因此苏-35系列战斗机依旧是俄空天军真正的最强战力。过去数年来，部分俄罗斯军事博主将该机称为“四代半产品”，并表示该机即便面对F-22这样的五代机标杆代表，只要能进入近战，即可依靠机动性优势击败强敌。
▲苏-35曾被不少军迷认为是机动性最好的战斗机
F-22和苏-35分别配备二元矩形喷管和三元轴对称矢量喷管，但双方发动机的水平却存在很大差距。苏-35配备的117S发动机前身是苏联后期的AL-41发动机，经改进其寿命提升到4000小时，军用推力约86.3千牛，推重比接近9；F-22的F-119发动机则有上万小时寿命，最大推力可达156千牛，推重比超过10。因此，F-22的动力系统具有绝对优势。
▲F-22屡屡在模拟格斗中获得压倒性胜利，自然和其超机动性也有关
两种战机都具有出色的超机动性，但F-22在自旋下降时往往会改变旋转方向，体现了超强的可控性和傲人的机头指向能力，而苏-35却在表演中罕有对应表现。在下俯改出时，F-22曾有接近200度/秒的低头速率，几乎是一般眼镜蛇机动相应表现的三倍左右，苏-35在此方面同样存在差距，因此同样在过失速机动末端，F-22可能会更快改出。
▲苏-35的117S发动机
动力筋斗是前半程用常规筋斗机动进行上升回旋，抵达顶点后（速度最低点）以推力矢量增大攻角协助完成筋斗。苏-35BM完成360度筋斗需要18-19秒，F-22在筋斗顶点完成了难以想象的攻角，以至于后半段半径大幅降低，同样动作只需9-10秒！苏-35BM在上仰50度到下俯50度中，全程耗时3秒；而F-22从上仰90度到下俯90度则只需2秒！
▲美国的F-119发动机就综合水平来看，一度让中俄望尘莫及
虽然两种战机都有推力矢量构成的过失速指向能力，但F-22的跨音速阻力很低，推重比优势明显，因此能量恢复明显更快，这就意味着苏-35因丧失机动能力后恢复能量时，F-22即可接着完成下一个动作。由于苏-35的偏航轴偏转角只有8度，因此只能频繁以俯仰轴辅助，但由于偏转角度差距（15度对20度），因此苏-35的反应将明显和对方拉开差距。
▲尽管眼镜蛇机动曾被老一代军迷拿来说明俄式战机的机动性，但F-22却能做得更好
这种情况下，三元矢量构成的过失速机动性已很难发挥作用，而稳盘、横滚、水平加速和垂直爬升等常规机动性会成为关键。模拟对决显示，即便只配备平视显示器的F-22依旧能在近战中击败配备头盔瞄准具的台风战斗机，甚至有研究者认为F-22能在格斗中抗衡2架苏-35！由于动力差距，F-22不开加力的巡航速度就很惊人，因此即便不考虑隐身、航电等参数，苏-35也会处于几乎绝望的境地。
目前世界最强战斗机航发的水平如何？
就在F-22的F-119-PW-100发动机取得成功后，普拉特.惠特尼公司（以下简称普惠）又受命参与联合攻击战斗机（JSF）研发计划，而该计划最终衍生出了今天的F-35战斗机，而普惠的任务，就是为其研发专用发动机。基于F-119系列发动机的成功经验，普惠又和伍德沃德、罗尔斯罗伊斯和汉密尔顿等工期配合，专门攻关F-135系列发动机。
▲F-135系列发动机是目前世界最强航发
F-135系列发动机全重1.67吨，全长5.6米，总压比28，具有极大的推重比，其目前阶段最大推力已超过19吨，军用中间推力也超过12吨，几乎接近了中俄不少大推力发动机的最大推力标准。F-135发动机最大程度借鉴了F-119发动机的技术成就，但它的涵道比高达0.57，明显超过了F-119（0.3）。
▲F-35战斗机及其F-135航发将可能服役到本世纪下半叶
普惠公司还专门开发了新型传感器和诊断软件，由此为F-135发动机提供了PHM发动机健康预测和管理系统。该系统的核心是全权限数字式电子控制装置，可接受各类传感器发送的信息，不但能在飞行中自动探测发动机状态并通知飞行员，还能通过数据链将发动机的状态传送给基地，由此让地勤人员提前做好维护准备。这种预测故障的技术，目前还是很少见的。
▲目前，美国航发的统治地位依旧难以被动摇
目前，世界各国推重比超过10的一级涡扇发动机中，也只有F-119、F-135以及俄罗斯的AL-41F改进型投入使用，而欧洲喷气公司的EJ200和法国国营航空发动机研究制造公司的M88-2的推重比也只有9左右。然而AL-41F的高推重比却是以牺牲零部件寿命为代价，其寿命甚至不足美国同类航发的一半。
▲F-135发动机子系统的先进性，同样十分值得注意
2004年，F-135发动机开始进行测试，并在随后数年内配备给F-35战机完成了首飞，到2016年，美国空军和陆战队航空兵的F-35A/B获得初步战斗力。2018年普惠公司表示F-135发动机将会进一步改进并将推力提升到22吨以上，由此继续扩大技术优势，并将让升级版F-35获得至少半小时超音速巡航能力和更好的机动性。
发动机材料决定发动机的核心指标
早年间，歼-20不得不使用俄式AL-31F发动机，因此歼-20的潜能一时间难以发挥。太行系列发动机虽有所进步，但依旧存在不足，例如WS-10B的推力和可靠性都无法和美国同类发动机相比，而且其寿命仅为1500-2000小时，而WS-10C虽明显提升了推力，但寿命却反而受到影响。从本质上看，材料质量影响了我国发动机的不少指标。
▲看似简单的部件，却需要十分复杂的材料和工序才能成型
航空发动机有大量功能作用各不同的部件，按工作环境，航发部件分为冷端和热端两类，冷端部件以风扇机匣、压气机叶片、进气机匣为代表；热端部件以涡轮、燃烧室、尾喷管为代表。冷端部件多接近发动机进气方，或在发动机外围承担结构支撑和包裹作用；而热端部件工作温度、转速和承受压力都很高，因此需要特殊材料。
▲热端部件对材料的要求尤其苛刻
一般而言，冷端部件要求足够坚固且不能太重。早年间，冷端部件多采用航空铝合金，随着技术发展，比铝合金更轻、密度更低但物理强度性能接近的镁合金开始逐渐成为主流，由于它的抗冲击值更好，因此发动机齿轮机匣、油泵和油管等处往往能见到其身影。
▲WS-15的立项时间并不晚
热端部件往往在动辄上千度高温环境下工作，因此不但需要先进的冷却技术，也需要各类耐高温材料。目前常见的包括热障涂层材料和粉末冶金合金材料，前者是为了让热端部件长时间维持正常工作和耐高温能力，也是美国发动机长寿的诀窍之一；而高温合金分难熔金属和金属间化合物，目前最常见的高温合金包括镍基合金、钛基合金和钛基金属间化合物等。
▲稀土矿的利用率，也是航发事业的基础
广泛用于发动机热端部件的难熔金属（熔点超过1650度）本身储量较低，且往往和稀土矿伴生，由于开采提炼困难，且此类资源需求量很大，因此美国又开始开发碳化硅基和陶瓷基复合材料。这两种材料都属于高分子复合纤维材料，并能够同时使用或用不同比例和加工方式形成不同的新材料。
▲树脂基复合材料具有独特的优势
近年来，树脂基复合材料这种以树脂材料为基体、高性能持续纤维为增强材料合成的物质开始在发动机生产中通过质量轻的优势逐步取代了部分金属材料。此外，这种材料制成的风扇叶片被冲击后对风扇机匣的冲击也较小，在突发事故中可以极大提升整体的安全性，并降低发动机整体重量，因此这种材料的运用，将会是未来发动机制造的大趋势。
▲太行系列发动机已广泛运用了一系列尖端合成材料
目前，中国在铝/镁合金、镍基/钛基合金方面已实现自主研发、生产和应用，国产热障涂层也开始应用于最新批次的太行系列发动机。同时，我国还完成了树脂基材料的风扇叶片，但在陶瓷基和碳化硅基材料方面还处于研发和试验阶段。整体而言，我国航空发动机材料领域已实现了自主化，并开始迈向更高端化的新领域。
▲如此表现，也从侧面说明了WS-15可能的水平（图片来源：武器驿站）
据北京航空材料研究院高级工程师汤春峰介绍，该院实施了航空发动机关键构件（主轴承）抗疲劳测试，其部件甚至达到了5万小时且依旧还能继续进行！而中国工程院院士赵振业表示，该部件在极限寿命/可靠性/减重三方面都达到了国际先进水平。因此，WS-15发动机进一步完善后，甚至有望与美国顶端发动机实现平分秋色！
换装WS-15矢量发动机后，歼-20的性能会有什么改观？
比利时《空军认知》网站曾表示，WS-15专门为歼-20研发，具有小涵道比设计，推力甚至将超过美国的F-119，能进行矢量推力控制，将在成熟后取代WS-10系列，从而让歼-20达到终极状态。而从今年珠海航展上两款矢量发动机样品的亮相以及多方权威代表的回答来看，二元矢量版WS-15将在不久的将来成为歼-20最终的动力来源。
▲换装WS-15后，歼-20的量产速度也会发生明显变化
在近战中，胜负关键在于回旋、加速、高度变化和机头指向效率，谁避免进入对方武器瞄准发射区，并让对方落入自己的攻击范围，就可以胜利，因此这往往需要空间占位、优势角度获取和能量保持。而推力矢量动力则能在很短时间内带来很大的角速度变化，快速具备攻角条件，由此改变传统近战中机动对抗通过时间积累才能形成优势的格局。
▲动力系统的不足，一度限制了歼-20的潜力发挥
随着反隐身技术的升级，谁也无法保证五代机能完全避免近战。而歼-20的驾驶难度却远低于此前的战机，因此飞行员更多的注意力就会放在空战信息处理方面。近年来，中美两国开始在人工智能方面取得很大成就，因此这项技术也将用于歼-20，届时该机的矢量版WS-15就会得到人工智能的操控，最终让飞行员的压力骤降，并由此更顺利地在近战中锁定对方。
▲WS-15矢量版将极大改善歼-20的飞行可控性
先进战斗机一般追求机动数据包线内的大胆操作，但由于气动力舵面控制存在低速、大仰角与高空条件下控制效率降低等不足，因此飞机有效控制就是难题，也会带来较大安全隐患。如果配备矢量版WS-15，那么歼-20就会在任何速度、机动、高度等条件下保持较高的可控性，甚至还能在气动舵面失效时也提供明显的控制补偿效果，从而保证飞行稳定。
▲如今，歼-20已部署到国内多个战区
目前，歼-20已部署到我国多个战区，由此应对多个方向上的战略威胁。不同战区，地理条件和气候也会影响战机起降，而且我方机场也面临敌打击破坏的威胁，一旦最坏的情况出现，那么平日看似微不足道的距离差就可能是生死界线。然而矢量版WS-15就能让歼-20也如F-22那样在极短时间内完成大仰角起飞，由此在最坏的作战环境下保持安全出动率。
弯道超车，
中美两国将在新概念发动机领域并驾齐驱
尽管WS-15将从本质上改变我国航发的现状，但中国在传统涡扇发动机方面的技术底蕴依旧明显比世界领先水平单薄很多，不夸张地讲，美国在此方面的领先程度和技术积累，几乎是中俄两国紧密携手都很难抗衡的。因此不少学者认为，最好的方式是充分发展基础材料科学和机械设计能力，进而提前将赛道转入全新概念发动机领域。
▲从“三个技术台阶”中，可以品味到很多关键信息
刘大响院士表示，五代动力还包括空天动力，而涡轮冲压组合循环发动机等第五代动力系统是美国目前都没有完成的，而中国在此领域却取得了很多突破。从中国航发“三个台阶”这一关键词来看，可以发现我国第三代航发已很成熟，第四代初步完善，而第五代的大量核心动力已被攻破。
▲我国自适应变循环发动机已取得突破
刘院士称，我国航空动力发展一直遵循先有核心机，再出原型机的发展模式，因此我国第五代航空动力甚至可能已完成了核心机，或验证机也已问世，甚至原型机也已开始测试。早在2019年，沈阳航空发动机总设计师刘永泉表示，中国自适应变循环航发已领先世界完成了关键技术的整机验证，因此其原型机自然会在随后问世并开始测试。
▲目前，美国XA-100发动机的进度对比中国并无本质优势
2021年，中国航发集团发布的《航发动力2021年年度董事会经营评述》提到：公司有业内领先的研发技术和能力，具备涵盖产品全寿命周期的设计、制造、总装、试车整套技术和发动机综合服务保障能力，建立了从毛坯生产到零件加工、总装试车的涵盖全制造过程的国内先进航发生产线，具备一二三代航发及燃气轮机的总装试车能力和四、五代机试制能力。
▲2025年，将是中美两国新概念发动机的关键点
按照国际标准，我国第五代涡扇发动机与美国在研的XA-100自适应变循环发动机相当。据美国报道，该发动机在2020年底首次点火运行，并在今年10月完成所有地面测试。按照流程，下一阶段该发动机还要进行飞行台测试才会最终定型量产，时间点不早于2025年，而美国配备类似概念的第六代战斗机，则要等到2030年才会问世。
▲2030，我们一起期待
从目前的情况来看，中国在2021年就很可能已完成了对应XA-100的全新型号发动机原型机，因此完全能做到在2025年这个与对方同步的时间点进入量产阶段。而从多位一路见证歼-20成长起来的专家们透露的信息来看，国产六代机的整体研发进度也已取得突破性进展，因此按照国产新概念航发的发展进度来看，中国在该领域的角逐，将至少和对手并驾齐驱！
矗立在这里，倾听风的声音。飞翔的热情，带着无比灿烂的希望。中国航发也曾历经困难的低谷，也曾在无助中孤独摸索。一代代投身于这项工业制造巅峰的中国航发人，最终用不懈的努力，才让歼-20乃至所有中国战斗机脱胎换骨。当人民空军的驾驶员在座舱内感受风的速度时，无数航发人与他们同在！
长久以来，国产航发的落后一直是个被诟病之处，当初引入苏-35时，甚至有不少带着偏见色彩的人由此质疑歼-20的实际战斗力。随着国产太行系列发动机日趋完善，歼-20等新一代国产战斗机不但脱离了发动机受制于人的境遇，更实现了第一次性能飞跃；尽管WS-15还未真正装载到歼-20，但可以肯定的是，它会带来幅度更大的第二次性能飞跃。
