打破所有技术瓶颈！J20换发最强涡扇15，中美布局变循环发动机？|f119|涡喷|涡扇|涵道比|航空发动机

J-20是中国首款全天候隐形的空中优势战斗机，也是继F-22、F-35之后世界第三款现役五代机，中国也因此成为亚洲第一、世界第二个部署隐形作战飞机的国家。

但横空出世的J-20却长期苦于没有强劲的发动机，深受“心脏病”的困扰。自2011年首飞以来，J-20使用的发动机型号分别是最初的俄制发动机AL-31FM2，后来逐步换发涡扇-10B、涡扇-10C以及涡扇-10B3，发动机实现了从进口到国产的转变，但仍属于过渡版本，推力值还不足以满足J-20的超巡航需求。

J-20真正的专属发动机是涡扇-15，适配日程虽晚但到。2022年有官媒报道称，J-20已换发涡扇-15进行了飞行测试，试验性能得到显著提升。2023年3月，中国航发北京航空材料研究院项目负责人张勇表示，中国的涡扇-15发动机已经开始量产，技术上已打破所有瓶颈。至此，J-20终于迎来了最强大的“中国心脏”。

涡扇-15发动机：强在性能，难在设计

涡扇-15涡扇发动机的军用推力达105.22kN，在加力助推状态下可达161.87~181.37kN，其最大推力按181kN算，已经超过了F119的173kN加力推力值。在推动比方面，涡扇-15做到了9.7~10.87，同样超过了F119的9.0。再补充一点，F119是美国为F-22专门研制的加力涡扇发动机，可以看作涡扇-15的同级别对标版本。从推力、推动比两大指标来看，我国发动机已经实现了对美国同级发动机的反超，这再次显示了J-20的后发优势。

可以说，涡扇-15发动机补齐了J-20的最后一块短板，是我国五代隐形战机实现完美升级的最大功臣。根据研发人员的说法，涡扇-15在涡轮风扇发动机的技术赛道上达到了天花板，已经没有提升的空间。那么问题来了，涡扇-15为什么能做到业内顶尖？作为我国军用航空的核心装备，涡扇-15究竟强在哪里？

涡扇-15的强大之处体现在小涵道比、大推力设计上，有利于全面释放涡扇发动机的性能。涵道比是影响涡扇发动机推力的重要因素，具体是指当气流进入发动机后，外涵道与内涵道空气流量的比值。

这种设计的目的是将气流分流：外涵道的空气不经过燃烧，气温较低，流速较慢；内涵道的空气经过燃烧室，迅速增压升温，排出的尾气具有高温、高速的特点。两种性质的气流在喷管处交汇调和，通过降低一部分高温气体的流速和温度以提升推力，减少能量损耗，同时也降低了气动噪音。

涵道比越大，燃烧室体积占比越小，飞机的油耗相对越低，适航性与经济性就越好。因此，民航客机和大型运输机的涡扇发动机普遍采用大涵道比设计，一般在5~10左右，如美国通用的TF39-GE-1A涵道比为8，波音787使用的GEnx涵道比为9.5。但战斗机不是客机，也不是运输机，更注重极致速度和高机动性，特别是超音速巡航，几乎是五代机保持空中优势的硬性需求，如果采用大涵道比设计，超巡航就很难兼顾了。

因为大涵道比的涡扇发动机在低速时性能最好，效率最高，但高速时效率显著下降，而小涵道比发动机在高速时仍能维持高效运转。理论上，战机的极限飞行速度趋近于喷管处高热气流的速度，通过燃烧室的气流越多，混合尾气的速度就越快，更有利于实现高马赫状态的飞行。此外，涵道比越大意味着外涵道的空腔体积越大，在高速飞行时的迎风截面更高，产生的空气阻力会严重影响推进效率。

因此，追求超音速的战机普遍采用低涵道比的发动机设计，一般不超过0.6，例如我国自主研制的涡扇-10A发动机，涵道比只有0.57，相应推力为120~140kN，美国的F119为0.3，加力推力超过156kN。而涡扇-15的涵道比控制在了0.25，外涵道的流量仅占内涵道的1/4，比涡扇10A减少了50%以上，比F119还低16.7%。为实现这一指标，我国科研团队遇到了重重技术障碍，前后花费了30年时间才攻关成功！

据资料记载，涡扇-15发动机的开发始于1990年代初期，在2005年首次在实验台上成功运行，2009年原型机的测试推力达到160kN，推动比达到9，性能日臻完善。直到2022年，涡扇-15获得关键突破，综合性能接近完全版。这样看来，涡扇-15确实是我国航天军工“30年磨一剑”的精品，由此产生的空中优势使我国一跃居于世界战机的领先水平。

加装涡扇-15发动机后，J-20的最大速度究竟能有多快？

相信这是很多网友都好奇的问题，我们先来看此前J-20的极致速度。在2018年，《人民日报》曾发布主题为“军人一分钟”的视频，其中提到J-20在一分钟内可以战斗巡航52km，平均每秒钟飞出866.7m的距离，相当于2.5马赫左右。但这个速度应该是指最大速度，而不是巡航速度，前者是指不附带武器载荷，在合适的高度、天气等理想条件下达到的极限速度，后者是指每公里消耗燃油最少的经济速度。

2.5马赫的速度还是未使用涡扇-15发动机的成绩，按时间推算，2018年J-20的发动机型号应该是涡扇-10B或涡扇-10C，这两中发动机的最大推力都能达到140kN的级别，最大的是涡扇-10C的147kN。涡扇-15的181kN推力相较于涡扇-10系列的极值提升了23%，体现在航速上将是不小的增速效益。

但最终的速度并不能按照推力增加的比例计算，因为速度和推力并不是线性关系，速度越快，阻力的增加幅度会更快（阻力与速度的2次方呈正比），所以还要结合飞机的展弦比等因素来考虑。根据同济大学物理教授吴於人的观点，J-20的速度理论上可以达到2.8马赫，这是一个相当惊人的速度。

参考展弦比数据，这一速度确实有可能实现。J-20的机身展弦比约为2.2，在世界主要战机中处于一流水准，是天生为突破热障（2.5马赫）而设计的超音速战机。

横向对比就可见一斑：美国黑鸟侦察机SR-71的展弦比为1.9，最大速度可以达到3.3马赫，超过了地对空导弹的追击速度，俄罗斯MiG-25的展弦比为3.2，速度可达2.5马赫，这两架是世界上少有的能突破热障的有人驾驶飞机。不难看出，J-20的展弦比优于MiG-25，略逊于SR-71，在涡扇-15的加持下完全有可能达到2.8马赫的速度，超过了美国F-22的2.2马赫（也有消息称是2.5马赫）极速。

第六代战机的适配发动机：瞄准变循环发动机？

为旗舰机研制航空发动机，难度不亚于在科研领域攀登珠峰，我国用30年时间才搞定涡扇-15，美国研制F119也用了15年时间，可见难度之高。在第六代战机的研制上，中美俄三国都宣布了各自的开发计划，中国正处于预研阶段，但发动机仍是其中难度最高的技术瓶颈，很有可能放弃原先的技术赛道。

第六代战机是全面领先于五代机的未来战机，一般要具备如下几种重要特征：

超声速巡航作战
超常规机动
超级隐身
超远程打击
超越物理域和信息域的实施控制能力

具体到动力方面，则要求具备超大推力和超大推重比、超低油耗、超隐身、超机动、长寿命以及超低的维护费用。如果使用常规的循环发动机，受其部件和系统的限制，注定难以实现跨空域、跨速域飞行的能力，所以说“涡扇-15已触及天花板”并非没有道理！

前文提到，大涵道比的发动机低速性能佳，有利于提升续航；小涵道比的发动机高速性能好，有利于提升最大速度。但目前五代机动力的涵道比都是固定不变的，即内外涵道的气腔体积不可调节，无法自动匹配战机的速度。为匹配不同速度状态下的发动机性能，就需要将发动机的涵道比做成可变设计，变循环发动机应运而生，其最大的特点就是可改变热力循环特性。

这也是变循环发动机的优势所在：通过调节部分结构的形状、尺寸、位置，改变内外涵道的空气流量分配，兼顾飞行包线内的经济性、加速性和大推力要求。具体来说，就是在亚声速巡航状态下保持高涵道比，采用涡扇工作模式，超音速或高超音速状态下保持低涵道比，采用涡喷工作模式，进而实现发动机性能的自动适应。

但变循环发动机的研制难度更大，包含涡轮、涡扇、冲压等多种模式的变循环方案，技术路线更复杂。变循环发动机的研究始于20世纪60年代，美国的进度处于领先位置，现已研发出过渡型号的发动机，分别为通用的XA100和普惠的XA101，美空军计划将其装备在F-35上，换发后的F-35将成为美六代机的过渡机型。

XA100和XA101的设计大同小异，都是自适应变循环发动机，本质上属于涡喷+涡扇组合，自适应的原理是采用特殊的三流自适应循环设计，将空气引导至第三条涵道，以提高燃油效率，同时充当冷却剂。当需要加大推力时，第三条涵道中的气流被引导至燃烧室和风扇流，进入涡喷模式，全面爆发可产生200kN级的强大推力。

与现有的小涵道比涡扇发动机相比，涡喷/涡扇组合式发动机可提高35%的航程，减少25%的油耗，整体性能更强大、更高效。从美国的研制进程来看，第六代战机基本可以确定将采用变循环发动机。

对我国而言，变循环发动机也是研究的热点，目前正在加紧研发中，大批论文正在集中涌现。考虑到涡扇-15的已经量产，材料已经固化，且未来的涡扇-19、涡扇-20正也处于选择阶段，说明我国与美国发动机的代差已降到半代以内，中美六代机的动力有望实现同级别的较量。

中国的另一种选择：组合式循环发动机或旋转爆震发动机

除了当前热门的变循环发动机，中国还有更多的选择。根据J-20总设计师杨伟的介绍，中国的六代机将充满科幻色彩，可根据高度和空间进行变形（即可变气动布局），可跨大气层作战，还会搭载智能蒙皮，使机身自动修复。

未来战机可突破空天限制

其中“跨大气层作战”这一条，要求发动机具备超宽的工作速域，很可能采用在火箭发动机基础上升级的“协同吸气式火箭发动机”，这是一种新型的组合式循环发动机，具有涡轮/涡扇，亚燃冲压/超燃冲压，液体火箭发动机三种发动机的特点，共有五种运行模式。

这款发动机最大的优点是速度可变且极值更高，可达到5马赫以上。在高超音速飞行时，稠密气体与进气道剧烈摩擦，进入协同吸气式火箭的气体温度可达1000℃，气体密度小，体积大，燃烧效率低，此时需通过高效预冷器将1000℃的高温气体在5~10ms内迅速降温，提高空气密度，相当于实现了空气压缩，用压缩机二次压缩再送入燃烧室，这样获得的推力就能实现5马赫以上的高超音速飞行。