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

加力涡扇时代的经典

20世纪50年代末期,美国开始考虑开发一种新型军用发动机,这种发动机将具有无与伦比的高速性能和优良的燃油经济性,前者将通过提高推重比和采用加力燃烧技术实现,而后者则可通过涡扇方式实现。军方提出的性能要求极高,直接挑战着当时可靠性技术和发动机性能的极限。在这样的情况下,美国好几个早期加力型涡扇发动机项目都经历了严重的技术问题。最为重大的问题是进气气流流场和压气机失速,此外还有可靠性和可维护性的问题。

普惠在1956年就进行了加力涡扇发动机试验。1959年,在空军的新机项目支持下普惠开始研制TF30,该项目后来在1961年被命名为TFX,这一项目要求开发一款同时满足空军和海军需要的大型超音速战斗轰炸机,即后来的通用动力F-111。1962年1月,美国政府选择了两个团队进入最后的角逐:通用动力/格鲁曼和普惠组成了一队,而波音则与通用电气组成了另一队。经过竞标,1962年末通用动力/格鲁曼-普惠团队赢得了开发合同。作为第一种装备部队的加力涡扇发动机,TF30的研发步履艰难,安装普惠YTF30发动机的F-111在1964年开始飞行试验,试验中相继发生了压气机失速和高速状态下致命的转子断裂等诸多问题。通用动力、普惠和美国政府花费了巨额资金和时间试图重新设计进气道加以解决,但问题始终没能根除。1968年,失去耐性的海军退出了F-111项目,转而开发自己的空优战斗机——格鲁曼F-14“雄猫”(同样使用TF30发动机)和F-111一样,TF30在F-14项目中也出现了不少严重的技术问题,让海军大伤脑筋。在经过了12年坎坷研制和改进历程后,TF30总算是达到了服役状态,但研发过程中的诸多严重问题损害了普惠和军方的合作关系,使空军和海军对普惠印象不佳。

在TF30之后,普惠开始了第二代加力涡扇发动机研制计划,该项目就是日后名满天下的F100。空军要求F100的推重比相较J79等现役发动机提升近一倍,达到8普惠再次面临着技术上的严峻挑战和巨大研制风险,研制过程困难重重。也就是在这一期间,美国军方开始逐渐认识到单凭企业自身力量已经不足以研制超前的高性能发动机,于是开始积极介入和支持新发动机的研发。

海军退出F-111项目后,空军和海军分别提出了新型战斗机F-X(后来诞生了道格拉斯F-15)和VFX(产生了格鲁曼F-14)的招标需求。美国国防部敏锐认识到,在统一装备计划失败之后,统一动力系统具有重要战略意义,因此强制规定空军和海军各自的战斗机动力必须使用共同的核心机。根据国防部的“通用标准核心机”构想,以空军为首,联合海军共同发起了“先进涡轮发动机燃气发生器计划”(ATEGG),通过竞标选择普惠和通用电气制造和展示两台原型机,期限是18个月。1970年初,普惠的JTF-22设计方案最终赢得了总额高达4.48亿美元的合同,将以此为基础为空军和海军开发一种通用核心机。耐人寻味的是,普惠JTF-22方案之所以能胜出,其中部分原因是军方认为普惠在发动机与进气系统的协调问题有更为深刻的理解——这些经验中相当部分都是来自于F-111和F-14上问题不断的TF30。

按照研制协议,普惠将分别为空军和海军提供F100-PW-100和F401-PW-400用于测试和评估。空军和海军还联合组成了通用发动机项目办公室具体协调研制事宜。但好景不长,海军再次动摇,认为自己已经有了F-14A及已趋成熟的TF30发动机,没必要在通用发动机上花费巨资,继而先是逐步削减F401的订购数量,后来干脆在1971年6月退出该项目,继续使用TF30。海军的退出让空军背上了沉重的负担,原本开发海军型发动机的巨额费用只能转嫁给空军,空军为此多支出了1.1亿美元。但空军开发先进核心机的决心没变,在国防部和空军的大力支持下,普惠的F100度过重重研制难关,成为美国军用喷气发动机发展史上的重要里程碑。

F100突破了当时的技术特别是在耐高温材料领域的极限。由于空军要求的开发进度过于紧张,预算也相对不足,普惠在处理不可避免的技术问题方面捉襟见肘,进度不断拖延,经费也节节攀升。虽然技术人员倾尽全力,仍然没能解决全部研制问题,F100投入量产时其开发工作实际上并未全部完成。1974年后期使用F100的F-15服役后,美国政府出资发起了“部件改进计划”,对发动机进行改进和修补,几经周折才算让F100满足了使用要求。

早期的F100发动机动力强劲,性能优良,但在使用性和可靠性方面存在严重问题。由于动力强劲加上F-15出色的机动性,飞行员们常常“粗鲁”地把飞机拉到飞行包线的边缘,这让发动机实际工作状态比设计状态更为恶劣。这种做法导致了比预想更糟糕的可靠性和维护性问题。更麻烦的是,空军此时发展出的大过载机动空战战术也带来了新问题:大机动动作使进气道内形成高能乱流,造成了压气机失速,严重的压气机失速经常导致发动机熄火,飞行员不得不尝试空中开车。这样的问题让空军甚为忧虑,因为除双发的F-15,F100还计划用来装备通用动力F-16单发战斗机,对于单发飞机,发动机空中熄火可是大灾难。压气机失速还导致了其他重大隐患,诸如叶片疲劳和断裂,可能在飞行中损坏飞机。为了避免这些灾难性的事故,空军给飞行员制订了使用性能限定标准,机械师们也不得不频繁检修发动机。空军要求普惠对发动机进行改进,而普惠认为已经提供了满足既定性能指标的产品,这些使用中出现的问题是由于F100的实际使用条件超出设计条件所致,要求空军追加拨款来解决问题。

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作者:司古 编辑:杨超
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