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

F100问题不断,和普惠的交涉又许久无果,美国空军开始寻求为F-15和F-16开发一种替代发动机。普惠的老对手通用电气无疑是最佳选择,经过一番运作,通用电气携F101加力涡扇发动机方案加入了空军“先进技术发动机”(ATE)竞标。在获知了F100研制过程中的各种问题后,通用电气决定采取技术风险较低的路线,提高可靠性和维护性。1972年通用电气获得了政府资金支持,用于完成F101的开发,作为北美-罗克韦尔B-1“枪骑兵”轰炸机的动力系统。1979年,美国空军专门拨款支持进一步发展F101,作为对普惠F100的可能替代品。

空军起初只是用支持F101作为一个筹码,希望以此迫使普惠积极解决F100的问题。但国会有更高远的想法:追求性能和渴求创新的军用发动机项目没有有效的竞争激励是不行的,要求空军和海军要在各自的F100和TF30发动机项目中另外引进一个竞争者提供替代品。1980年国会正式将参与竞争的替代项目命名为“替代战斗机发动机计划”(AFE)。通用电气拿出的竞争方案是F101的发展型F110,普惠推出的是改进型F100-220。从1984年到1989年,美国空军每年都要将F-16发动机的订单在普惠和通用电气之间进行分配,每年的份额都有所不同,这导致两家公司每年的激烈竞争。但如果把6年间的总份额累计来看,其实两家公司基本上是平分秋色。

作为竞争的统筹规划者,美国军方在研发和采购过程中并未由于竞争的存在而节约多少资金,但通过对竞争的有效统筹,美国空军从更优秀的厂商那里获得了性能更优、更为可靠且维护性更好的喷气发动机。在合适的竞争激励机制下,通用电气继续推进自己的喷气发动机研究,并在YJ101基础上开发出F404低涵道比涡扇发动机,赢得了海军F/A-18“大黄蜂”动力项目。F404更加简单可靠,其设计推力水平和J79相当,但重量却降低一倍,而且零部件数量大幅降低。有趣的是,虽然海军非常青睐F404,却仍然指定普惠公司作为第二供应商以确保形成有效竞争。海军领导层也认识到整个美国只有普惠和通用电气两家公司有能力设计制造F110和F100那样的先进喷气发动机,一旦其中任何一家退出该行业,形成事实垄断的一方会让自己彻底丧失选择权。

加力涡扇发动机的时代是一个发动机性能暴风骤雨式提升的时代,普惠把发动机技术推向了极限,也遭遇了诸多失败,而通用电气则通过采用相对保守的技术路线获得了利益。在这个时代的末期,许多研究者认为,普惠和通用电气这两家实力雄厚的公司之间的积极竞争对美军获得高性能发动机至关重要,作为竞争的统筹者,军方成为最大的获益者。

预先研究+统筹竞争=性能最大化

20世纪80年代初,美国空军和海军正式提出要求,开发用于取代F-15和F-14的新一代战斗机及相应的发动机。海军最后退出了这个联合计划,后来开发了自己的新型战斗机F/A-18E/F,该机采用通用电气的F414——F404的改进型。

空军继续进行自己的先进战术战斗机计划(ATF),这一计划的最终结果便是F-22“猛禽”。对于新一代发动机研制者而言,空军提出的主要技术要求是超音速巡航(不开加力保持超音速飞行)、低可探测性、推力矢量、短距起降、高可靠性和低价格。这次参加新型发动机竞标的仍然是普惠和通用电气。有趣的是,与F100对F101/110的那次竞争相比,普惠和通用电气几乎可谓是“互换”了研制战略。

在TF30和F100项目中普惠遭遇了严重的技术问题,由于迟迟无法解决,空军让通用电气重新加入竞标,普惠没有实现完胜。这次普惠决定改变研制方法,适当降低技术风险,提高可靠性。而作为竞争对手的通用电气曾在FX/VFX竞标中输给普惠,其中一个重要原因就是对手的技术方案更加先进。这次失利之后,通用电气被迫花了十多年时间才重新进入高端战斗机发动机市场,之所以能做到这一点是因为后来开发的F110和F404更加注重可靠性和结构的简单性,在与问题不断的普惠发动机竞争中占据了上风。而这一次,通用电气决定采用上次普惠胜出时的战略,即展现发动机的高性能和超凡脱俗的技术先进性。

早在开发先进战术战斗机(ATF)竞标样机之前,美国政府曾出资支持了一系列发动机部件演示和概念研发项目。这些项目中有海军领导的“先进发动机研究计划”(ATES)和飞机推进分系统综合计划,其中后者中包含一个“联合技术演示发动机计划”(JTDE)。普惠和通用电气都参与了ATES计划,验证了一系列先进发动机技术。普惠开始关注对转双转子技术,而通用电气则验证了包括变循环发动机技术在内的一系列方案。

在ATES研究之后,美国又进行了“战术系统推进评估”研究计划,这项研究中发动机研制方和飞机研制方被匹配成组,进行进一步的设计研究。这一阶段通用电气决定采取变循环发动机概念,而普惠则决定采用对转双转子低涵道比涡扇方案。1984年通用电气还展示并采取了另一项超前的技术:高低压涡轮之间无导流片端面的对转双转子技术。1983年9月,通用电气和普惠分别和空军签署协议,开发一台地面测试用样机,样机推力需达30000磅,采用二元矢量喷口,具备超声速巡航潜力,但重量方面比飞行测试略有放宽。

普惠的XF119地面演示样机减少了压气机级数,以降低制造费用和重量,提高可靠性。通用电气的XF120地面演示样机更为超前,采用了复杂的变循环技术,取消了高低压涡轮间导流片。

上世纪80年代中期,美国政府对性能指标又做了几次调整,飞机的研制方也对发动机施加了重大影响。1985年美国空军进一步压低了单价,对发动机提出了更严苛的低可探测性要求。1986年中,空军提出发动机厂商必须在最终选定承包商开始工程制造开发(EMD)之前对演示样机进行飞行测试。这意味着通用电气和普惠必须重新设计演示样机,使其符合飞行测试的重量要求。1987年,惠普和通用电气两家公司结合整机设计的状况,分析后发现,要满足空军对飞机的性能要求,发动机的推力必须达到35000磅!这无疑让后续发展工作雪上加霜。

事已至此,美国空军要求通用电气和普惠自行决定在地面演示样机和飞行测试样机上采用的新技术含量。通用电气坚持高技术、高风险的方案,决心在飞行测试中展示更突出的性能,希望以此打动空军,最终胜出。普惠的YF119与用于地面测试的XF119差异不大,性能方面也不及YF120。飞行测试中,洛克希德-通用动力-波音的YF-22和诺斯罗普-麦道YF-23验证机在使用通用电气演示发动机时表现出来的性能都比使用普惠发动机时好。但空军还是认为,在最求高性能的同时必须同时考虑技术风险和成本因素。

1991年4月,空军宣布选择洛克希德团队和普惠发动机进入下一阶段工程制造开发。胜出的原因显然是由于他们追求较低的技术风险和成本。通用电气的变循环发动机和高低压涡轮间无导流片设计更先进更复杂,且未经过全面验证,无疑会增加技术风险。普惠的发动机在技术上相对保守,复杂程度较低,采用了渐进改进方式,技术风险和成本较低,却能满足军方对发动机的所有性能要求。

普惠F119-PW-100生产原型机于1997年完成首飞,在F-22EMD飞行测试过程中,遇到的技术问题远远少于当年的F100和TF30,两架F-22 EMD原型机飞行测试的最初500小时内几乎没出现任何问题。显然普惠在风险和性能两者之间的权衡更为成功。

F119在F-22项目上的成功为普惠赢得了巨大的商机。1995年初,波音、洛克希德-马丁和麦道3家角逐JSF项目的公司都把F119作为自己的动力方案,要求以F119-PW-100核心机为基础,对喷口、风扇、控制系统和其他部件进行调整和改动,以适应不同JSF型别的需要。至此普惠已经包揽了F-22和JSF的动力系统,同时还是F-15和大量F-16的动力供应商。这种近乎垄断的局面引起了美国政府的担忧。许多官员提出在发动机研发采购中应引入更多竞争,并应该继续支持通用电气——美国除普惠外唯一一家高性能喷气发动机制造商。

1995年夏,国会要求JSF联合战斗机项目开辟第二家发动机供应商,以保持适度的竞争——就像上世纪80年代F-16项目那样。11月末,普惠获得了一份初始开发协议,要求开发一种F119改型发动机,作为JSF动力系统。同时获得初始开发协议的还有通用电气-艾利逊团队,他们负责开发YF120和F110改型发动机。

1997年初,普惠拿到了工程制造研制协议,加上先前的JSF发动机开发经费,研制费用总额接近10亿美元。而通用电气的YF120核心机也成为JSF第二备选发动机的起点,该计划被正式命名为“替代发动机计划”(AEP)。由于艾利逊公司被罗罗收购,现在罗罗也成了通用电气的盟友,在新发动机(即今天的F136)的开发中,罗罗负责三级风扇、燃烧室、低压涡轮和附件齿轮箱部分,工作量大约占40%。眼下,F136由于进度问题,显然还无法与F135构成直接竞争,但美国国会力排众议,连续几年增加AEP项目预算,总投资近24亿美元,其重要意图就是维持健康的竞争土壤和发动机装备的可替代性。另一方面,F136项目除了有英国罗罗的参与,还有土耳其航空制造部门的参与,这样都使得未来F-35战斗机对海外用户有更多的亲和力。

在F-22动力竞标中败北的通用电气YF120为什么没有死掉?这离不开美国政府和军方对喷气动力前瞻技术的悉心呵护。美国军方明白,YF120失利的原因之一是采用了太多新技术,缺乏足够的验证。在YF120竞争ATF失败之后到通用电气重新进入JSF的AEP竞标之前,空军一直通过IHPTET(综合高性能涡轮发动机技术)项目与通用电气展开合作,目的是帮助YF120的诸多先进技术更加成熟。IHPTET计划于1988年启动,是政府支持下的雄心勃勃的技术开发和演示计划,美国陆海空三军、NASA、国防部预先研究计划局都参与其中,其最主要的目标是将军用涡扇发动机的推重比提高一倍,同时将生产和维护成本降低35%。IHPTET的费用一半由政府提供,另一半则由企业投资,美国政府希望能验证开发可靠性更高的下一代大推力喷气发动机的可能性。IHPTET分为三个阶段,每一阶段都设有阶段性目标并进行全面评估,该计划支持普惠和通用电气等企业开发和验证了一大批先进核心机技术,其中涉及涡扇、涡轴以及用于武器的小型一次性喷气发动机诸多领域。通过这项计划,美国的航空喷气发动机预研技术始终和现役技术保持着合理的时间间隔,确保了技术领先优势。在美国人看来,现役装备必须考虑技术风险,而预先研究则是为了克服前瞻技术的技术风险,使其走向实用化。

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作者:司古 编辑:杨超
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