涡喷、涡扇、涡浆等发动机在军用与民用上均有应用,目前最常见的民用飞机发动机主要以涡扇发动机为主,如果以该类型发动机来说,那么最显著之处在于民航客机大多使用的是高涵道比涡扇发动机,拥有大尺寸风扇,外形特征相对明显;军机(特别是战斗机)则更多使用的则是低涵道比涡扇发动机。
战斗机追求的是速度和机动性,民航客机追求的是经济性和安全性,而高涵道比发动机截面积过大,超音速飞行的时候阻力大,显然不适合战斗机使用。另外,战斗机使用的发动机通常配备加力燃烧室,以牺牲燃油量和降低燃油效率获取推力在短时间内的增加。但也不是绝对的,如某些大型军用运输机(轰炸机、预警机、加油机等),它也会选用无加力的高涵道比涡扇发动机,高速性能也不总比民用好。
PW F119发动机应用于F22战斗机
IAE V2500发动机应用于A320系列飞机
最主要差异
军民用发动机的最主要差异来自于设计目的、使用环境与适航认证。
设计目的:军用发动机和民用发动机的重要区别之一,是由于设计目的不同所产生的性能差异。军用与民用飞机的飞行任务剖面是不一样的,军用发动机设计时更注重动力性能,以满足复杂多变的军用航空需求,如快速升降、高速飞行、迅速加速和突破音障等特殊任务。
使用环境:军用发动机使用场通常比较恶劣,如高温、高海拔、沙尘及海洋超低空等极端气候环境。因此,军用发动机往往具备更强的耐受力和适应性。而民用发动机更注重经济性和舒适性,对在极端环境下的要求相对较低,更关注燃油经济性和噪音的控制。民用发动机追求省油、低噪音、可靠性高。
某军用发动机的飞行剖面
适航认证:在适航认证上民用发动机一般需要在全球市场范围内销售,必须经过严格的国际适航认证,军用发动机设计制造时要达到军标(军用标准),定型要经过各种环境测试,如高寒缺氧环境,湿热环境,沙尘环境,长途机动等。
民用与军用发动机参数对比
具体区别
应用场景
军用发动机:主要用于军用飞机,如战斗机、轰炸机、运输机等。
民用发动机:主要用于民用飞机,如客机、货机等,以及部分通用航空领域。
甲板上起飞的J-15
(高湿度、高盐分的海洋超低空环境下作业)
循环参数
军用发动机:通常具有更高的循环参数,较为典型的就是温度,目前较好的军用发动机燃烧室出口温度已超过2000K,远超目前材料的长期耐温水平,高强度运行条件下也使得军用发动机的使用寿命远低于民用发动机,其寿命一般在数千小时左右。
民用发动机:追求高可靠性和长寿命,循环参数低很多,以满足长寿命和高可靠性的要求。民航飞机每天要飞行8~10个小时,几乎是不间断的飞行,对使用寿命的要求一般都是几万小时。
结构设计(以涡扇发动机为例)
风扇:民用发动机为了省油,大多采用高涵道比,所以风扇相对较大。军用发动机就不行了,特别是战斗机大部分使用小涵道比设计,以保证在超音速飞行时能保持较好性能。
压气机:压气的目的是提高空气压力,压力越高相对越省油,在民用中总增压比(加风扇)能达到35~40。军用发动机一般不会高于30(特殊的如F119高达35),因为再高就要增加更多的压气级,重量就上去了,而军用发动机对重量非常敏感。
燃烧室:民用发动机要求省油、低噪音、低排放,不要求较高的机动性能,不需要太注重燃烧的稳定性。军用发动机当然也要省油、低噪音,但燃烧稳定性是关键指标之一。
高低压涡轮:民用的为了提高效率(省油)可以做多级涡轮。而军用机的高、低压涡轮都尽可能设计成单级,同样也是因为承受不了重量上涨的后果。
尾喷管:在战斗机上大多使用收敛-扩散矢量喷管,而民用(或军用运输机)上多是亚声速,因此大多采用不可调收敛喷管。同时部分军用尾喷管需要考虑喷管的隐身性,必须具备吸波能力。
双WS-15的J20
(配备轴对称矢量喷管)
隐蔽性能
军用发动机:需要具备较低的红外辐射和雷达反射特性,使飞机更好隐蔽,提高飞机的生存力。
民用发动机:对隐蔽性能的要求相对较低,更关注环保性能。
耐久性和可维护性
军用发动机:通常需要具备更高的耐久性和可靠性,以适应战斗的苛刻环境。军用发动机的结构更加坚固,能够承受更大的机动载荷,可承受较大的机械和热应力。此外,军用发动机往往需要经常进行高强度的检修和维护,以保证其可用性和战斗力。
民用发动机:更注重发动机使用寿命、可靠性和延长维护间隔,以减少运营成本。
维修成本与周期
军用发动机:通常在极端条件下运行,如高G力机动、超音速飞行等,因此其设计更强调对恶劣条件的适应能力,由于作战需求,维护成本上往往没有太多限制,维护周期也被要求相对较短。
民用发动机:维修的直接花费占据航空公司运营开支的较大比例,降低维修成本对于提升企业竞争力具有重大意义。因其长期运行和高利用率的特点,其设计和选材必须要兼顾成本和维护的易行性,维修周期相对较长。
价格差异
军用发动机和民用发动机在价格上存在显著差异,这主要是由于它们的设计、制造、材料以及性能要求等方面的不同所导致的。一般来说,军用发动机的价格远高于民用发动机。这主要是因为军用发动机需要满足更为严格和复杂的要求。军用发动机需要承受更高的温度,要求其需要更先进的技术、更加昂贵的耐高温材料以及隐身材料,从而增加了成本和价格。民用发动机在设计和制造过程中可以采用更为成熟和经济的技术和材料,从而降低了成本和价格。
总体来说军用与民用涡扇发动机工作原理是一致的,某些军用与民用发动机也使用相同核心机,军用涡扇发动机更多是在不断地挑战工业设计与制造上平衡的极限,两种发动机都能反映出国家综合国力、工业基础和科技水平。
文案丨星辰时客
校对排版丨王洋芋