大涵道比发动机投入使用，“运20”战力迎来质变

2023年4月，很多人发现，咱们的运20有点不对劲，哪里不对劲呢？发动机粗了，很多朋友知道，这叫做大涵道比涡扇发动机。今天咱们就来说说，大涵道比涡扇发动机与小涵道比发动机有什么区别？运20换发之后可能会有哪些性能提升呢？

首先，什么是涵道比呢？这个是专门针对涡轮风扇发动机（简称“涡扇发动机”）来讲的一个参数，涡轮风扇发动机的气流有两条通路，一条是中间经过核心机的内涵道，事实上他跟涡喷发动机的原理一样，另外一条是中间核心机和外面这个壳子中间的这一条，叫外涵道，外涵道流过的空气流量与内涵道流过的气流流量的比就叫涵道比。所以呢，涵道比越大，外面这个壳子就越粗，所以发动机也越粗。

大涵道比发动机会比小涵道比发动机有更大的推力，也会更加省油，这是为什么呢？简单来说就是，可以单位时间往后扔更多的空气。我们可以先从感性上认识一下，如果我坐在一艘船上，依靠往后扔东西产生动力往前跑，我让你选几个可以往后扔的东西，乒乓球，网球，铅球，你选哪个？肯定是铅球，他能更好的产生推力。着我们也可以从理论上来分析一下，依靠往后扔东西来产生推力，事实上利用的就是所谓反冲，我扔出去的东西的动量，就是我能获得的动量，而这个动量如果分配在单位时间里面，就是推力了。动量等于质量乘以速度，所以，要么我扔更重的东西，要么我更快地把他扔出去。

涡扇发动机示意图，配图来自图虫网

那么，凭什么我扔更重的东西就省劲儿，扔的更快就费劲儿呢？我们还要考虑耗费的能量，我们要给扔出去的这个东西多大的能量呢？高中学过，二分之一质量乘以速度的平方，看看这里速度是个平方，而质量上没有平方，提升速度就要比提升质量多耗费更多的能量。因此，航空发动机要想要更省油推力更大，就要往后扔更多的空气，对于大涵道比涡扇发动机来说，他里面那个核心机往后喷的气体并不是主要的动力来源，而核心机推动涡轮转动涡轮转动，涡轮再带动风扇转动，风扇转动再推动空气往后跑产生的动力才是主力，有多主力呢？在民航客机的大涵道比发动机里面，外涵道，也就是风扇产生的推力要占到总推力的80%以上。

大涵道比涡扇发动机虽然更加省油推力也更大，但是，他个头也大，所以产生的阻力也更大，因此，不适合高速飞行，因此，战斗机上装的还都是小涵道比的涡扇发动机，而且刚才说的省油推力大也是在低空低速状态下，在高空高速状态下，他们甚至不如涡喷，所以亚声速的运输机啊客机啊，是最适合大涵道比发动机的。

那运20换装了大涵道比涡扇发动机，能够带来哪些性能提升呢？当然咱们也不知道换装的是啥型号，参数怎么样。就前面讲的一般规律而言，它的推力应该会提升之前装的俄罗斯D30kp2发动机推力是12吨左右，后来换了咱们仿制D30又提升了性能的涡扇18之后这个推力提升了一点，可能不到13吨，而美国C17运输机的发动机一台推力就能到18.6吨，咱们新的这个大涵道比发动机咱们保守一点，应该没法一步到位这么大，但是哪怕只提升到15吨左右，这都会给作战能力带来极大的加强。

为什么呢？飞机设计都讲究一个推重比，也就是总推力和飞机重量的比，这个比值够大，飞机才能飞起来。资料上说运20之前的最大起飞重量是220吨，而之前四台发动机的推力大概是48吨，算一下大约0.22，对于运输机而言，这基本是能飞起来的极限推重比了，那我们用这个推重比反算一下，如果单台推力达到了15吨，那四台就是60吨，除以0.22,270多吨，这意味着换发之后的运20可以多带50吨的东西起飞，这50吨可以是货物，也可以是燃油，也就是说，要么装的更多，要么飞得更远，再结合大涵道比涡扇发动机更加省油的特性，这个综合实力说是质的提升也不过分。如果咱们再保守一点，比如因为咱们技术不够成熟，这个发动机的推力跟原来没有显著提升，那至少他可以更省油，这样至少运20也能够飞得更远，这对于运输机而言也是重大的进步。

而要我说，哪怕这个大涵道比涡扇发动机相比原来各方面性能没有显著提升，这也是非常具有意义的换发，因为我们之前的大涵道比发动机就是空白，能造出来就已经迈出了第一步，而有人用，才会有人研究，有人设计，有人制造，我们在这方面的经验才会不断提升，不仅是设计人员制造人员，还有使用维护大修的人员，我们都需要更好地认识这种发动机，越来越熟悉，他才有可能越来越先进。衷心希望以后能够看到越来越多的飞机装上咱们的”中国心”，而且咱们的”中国心”越跳越强劲。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：苟胜

审核：沈海军（同济大学航空与力学学院教授）

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