高性能军用发动机:美利坚大国地位基石如何奠定
2010年12月15日 08:51 新华网 】 【打印共有评论0

通用电气J31(I-16)离心式喷气发动机,该发动机仍然采用英国惠特尔W1的基本设计,推力1650磅(7.5千牛),曾做为P-59的动力,推重比还不到2。

竞争·公司的力量

处于自由竞争环境下的公司,有时候比政府还有闯劲。虽然美国人认识到发展喷气动力的重要意义,但在大战业已结束的背景下,没有什么竞争能比商战来得更加激烈和刺激,由此带来的技术激励,也是前所未有的,而处于商战前线的,便是美国的公司。

战争结束的最初几年,英国罗罗在喷气动力研究领域占据绝对的统治地位,美国通用电气、威斯汀豪斯(又译作西屋)、普惠、通用汽车的艾利逊分部以及柯蒂斯-莱特等公司屈居第二阵营。和英国相比,美国喷气发动机研发企业面临的环境与英国完全不同。战争期间英国政府要求工业企业之间展开密切合作,在开发喷气发动机方面分享研究成果。与之相对,美国政府鼓励公司之间自由竞争,不提倡成果共享。这种方式促进了多种技术途径的发展。通用电气最初从惠特尔技术起步,并对其不断改进,最终开发出了完全国产化的喷气发动机J33和J35。

通用电气的喷气发动机开发很大程度上得到了军方支持,其喷气发动机广泛用于美军第一代喷气式战斗机和轰炸机。威斯汀豪斯有着悠久的蒸汽轮机开发经验,战争期间该公司的喷气发动机研发工作主要支持者是海军,海军第一代战斗机大多采用威斯汀豪斯的产品。艾利逊最初主要生产通用电气设计的喷气发动机,产品提供给美国空军,作为对通用电气产能不足的补充。而后来崛起成为美国航空喷气发动机头号巨头的普惠,在战争时期几乎没有什么独立研发喷气发动机的经验,战后普惠决定许可制造罗罗的尼恩(Nene)发动机——惠特尔W.2B的后继改进型。但没过多久,普惠就发现,自己的产品根本无法摆脱战后最初所有喷气发动机的重大缺陷:高油耗、低推力、噪音大、加速缓慢。在许可生产罗罗产品的同时,普惠也继承了这些产品的既有缺陷。对比同行业其他竞争对手,普惠认为大大落后,要保持和提高竞争力,必须实现技术上的重大跨越,继续许可生产罗罗发动机是一条没有前途的死路。从1946年开始,普惠做出重大战略决策,投入巨资建设新的研发机构和相应测试设施,正是这一决策奠定了普惠成功的基石。

普惠把突破的重点放在了解决低推力和高油耗两个问题上。当时的喷气发动机推力约为4000~5000磅,普惠给自己制定了相当有难度的目标,把发动机的推力提高一倍,达到10000磅,并实现更好的燃油经济性。在瞄准军用喷气发动机市场的同时,普惠高层也意识到喷气发动机技术将逐步扩散应用到民用领域。经过大量基础工作,普惠在同行业中率先提出,通过大幅度提高压缩比解决推力和耗油率问题,工程师们开发出了超前的双转子技术,双转子设计能显著提高压气机效能,改善发动机加速响应速度,在提高推力的同时降低耗油率。根据这一先进理论,普惠成功设计出J57轴流涡喷发动机,1950年进行了首次台架试验,试验中J57推力达到了10000磅,是历史上第一种推力达到10000磅的喷气发动机,后续型号推力进一步提高到了18000磅,其单位推力油耗也比二战时期最好的德国喷气发动机Jumo 004降低了近一半。

伴随J57的成功,美军拥有了第一种远程战略喷气轰炸机B-52;1953年5月,使用J57的北美YF-100战斗机成为有史以来第一种能持续超音速平飞的战斗机。J57让普惠的订单纷至沓来:空军的麦道F-101“巫毒”、康维尔F-102“三角剑”、波音KC-135,以及海军的沃特F8U、道格拉斯F4D、F5D和A3D等不少战术飞机都相继选择J57作为动力。普惠乘胜前进,在J57基础上开发出改进型J75,成为共和F-105“雷公”和康维尔F-106“三角标枪”等军机的动力。J57的商用型JT3在民用航空领域也获得了重大成功,成为波音B707的动力,直接促成了远程军用/商用运输的大发展。

在普惠冒着巨大技术风险开发J57的同一时期,其他一些公司却相继沉沦:威斯汀豪斯这家在1945年即成立航空燃气涡轮分部,并开发成功美国自行设计的第一种涡喷发动机J30,接着又研制成功J34的资深发动机企业,却在海军满怀希望的J40项目上载倒。威斯汀豪斯原本希望加力型J40-WE-8推力达到15000磅,但苦于自身研发底子太薄,一直未能通过150小时认可测试。原定配备J40的海军F3H、F4D、A3D等作战飞机处于“无动力状态”,最后只能改用普惠J57等其他产品,由此造成的机身修改耗资2亿美元,让海军七窍生烟,于1955年取消了J40项目。丢掉J40这个金子般的机会后,威斯汀豪斯曾放手一搏,在1953年联手罗罗希望以“埃文”为基础开发新型军用喷气发动机,但再次倒在了糟糕的研发水平上。自此威斯汀豪斯彻底被淘汰出军用发动机领域。

柯蒂斯-莱特公司的命运也在这一时期发生转变。战后柯蒂斯-莱特先是通过军方协议获得了并不先进的威斯汀豪斯J34技术,并许可制造通用电气J47发动机。通过引进英国“蓝宝石”喷气发动机,柯蒂斯-莱特制造了J65,装备了A-4“天鹰”、“堪培拉”以及XF-104等飞机,但始终没能锻造出自己的研发实力。后来美国空军选择柯蒂斯-莱特开发大推力涡喷发动机J67——即许可制造的英国“奥林匹斯”的改进型,用于装备康维尔F-102,但由于研制过程中技术问题太多,进度一再拖延,最终归于失败,F-102的动力项目也成了普惠J57的口中肥肉。柯蒂斯-莱特从此一蹶不振,在50年代末淡出了喷气发动机制造领域。

上世纪50年代初英国人提出了低涵道比涡扇发动机概念,并应用于“康威”发动机。普惠原本并没有太多关注这一技术,但1957年通用电气在J79基础上融合该技术发展出了CJ805-23桨扇发动机,且赢得了波音公司的注意,也引起了普惠的警惕。普惠迅速把低涵道比涡扇概念应用到JT3上,推出了JT3D。JT3D很快取得了竞争优势——首先JT3D的原型J57在可靠性和性能方面口碑相当不错,另一方面JT3D相对J57的改动量并不很大,与之相比,通用电气的CJ805-23只是一个试验型号,无法取得用户的完全信赖。空军很快对普惠JT3D产生了兴趣,将该发动机的军用型TF33作为KC-135等飞机的动力。除了波音B707,JT3D还先后成为道格拉斯DC-8和波音B720的动力。到上世纪80年代停产,J57/JT3系列发动机总产量超过了21000台。

低涵道比涡扇发动机打开了通往高/超高涵道比涡扇发动机的道路。1965年,通用电气开发成功世界上第一台高涵道比涡扇发动机TF39,成为C-5“银河”的动力装置。TF39涡轮前温度提高到1370度,推力高达43000磅,燃油经济性有了“革命性提高”,为通用电气带来大笔收入。以TF39核心机发展出的CF6高涵道比民用航空发动机相继装别了诸多民航飞机,CF6进而又演化出LM2500系列船用燃气轮机,先后成为美国海军“斯普鲁恩斯”、“基德”、“佩里”、“提康德罗加”和“阿利·伯克”等多级主战舰艇的动力,到2004年已经售出1000台,使用国家多达29个。中国也曾进口LM2500,装备“哈尔滨”号导弹驱逐舰。

普惠的对手通用电气并不是弱者。在进一步提高压气机压缩比的过程中,工程师们遇到了新问题。为实现巡航条件下的最佳燃油消耗率而提高压气机压缩比,压气机在低速特别是加速过程中无法总是有效工作。此时流经压气机叶片的气流与初始设计条件会有很大不同,会产生许多小的紊流,常常导致造成压气机失速。通用电气率先在这一问题上取得了突破,成功开发出可调定子系统,这些可调定子可以根据气流情况的不同改变其迎角,能有效解决压气机失速问题。这一技术突破导致了著名的J79涡喷发动机的出现,可调定子的采用使得单转子的J79性能相当可观,让两倍声速飞行成为可能。J79是通用电气为美国军用航空发动机产业奉献的又一经典,F-104“星”、B-58“盗贼”、F-4“鬼怪”II、A-5“民团团员”和以色列“幼师”都采用了J79,其生产跨度超过30年。除美国外,比利时、加拿大、德国、以色列、意大利和日本都许可生产过该发动机,总产量超过17000台。可以这么说,上世纪五六十年代普惠J57和通用电气J79是世界上最为重要也最具革命性的两种喷气发动机。J57/JT3D最初是出于工业企业自身的目的并自行投资开发的,但它为后来所有现代喷气发动机奠定了基础,让持续超音速飞行不再是幻想,同时引领了涡扇发动机的概念,最终促成了更先进的战斗机和商用发动机的出现。通用电气J79最初是应美国空军2倍声速大推力节油发动机要求开发的,它揭示了现代喷气发动机巨大的推力和速度潜力,证明了美国喷气发动机工业的全球领先地位。

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作者:司古 编辑:杨超
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