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标题: 大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)
来源: 千秋洫狼/日期: 2011-02-26

大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  C-5“银河”运输机、“阿利·伯克”级驱逐舰、UH-1“休伊”直升机和M1“艾布拉姆斯”主战坦克和之间到底有什么关系?如果一定要找,那么请记住,它们之间最为重要的关系便是,都有一颗“飞翔的心”。“阿利·伯克”使用的通用电气LM2500船用燃气轮机,先祖便是“银河”的TF39高涵道比涡扇发动机;而驱动“艾布拉姆斯”的霍尼韦尔AGT1500燃气轮机,其原型则是“休伊”的涡轴发动机T-53。这样的例子在航空强国不胜枚举。如果调查一下美国军用航空喷气技术在民航、车辆以及船舶制造等诸多领域的扩散效应,不难得出这样的结论——先进喷气发动机技术是构成美国航空技术优势乃至其大国地位的一块重要的基石。

  这块基石是怎样修筑起来的?美国的航空喷气推进技术是怎样走到的今天?期间又有哪些值得总结和注意的经验?希望本文能够找到一些线索。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  很难想象,没有先进航空发动机的美国空军会是怎样的面貌。图为美军C-17“环球霸王”机群,该机使用的普惠F117-PW-100是普惠PW2000的军用型,PW2000最初是为波音757设计的,和罗罗RB211是竞争对手。

  美利坚的喷气曙光

  喷气推进技术第一缕曙光初露的时候,美国并没有给予太多的重视,但也并非没有任何行动,通用电气、普惠、洛克希德和诺斯罗普公司等公司都进行过相关研究,但面对二战的紧张军需生产现状,美国政府甚至强制要求各军工企业放缓喷气推进研究,全力生产现有军备。即便如此,美国军方仍然有人在密切关注航空喷气发动机,这就是美国陆军航空队司令亨利·阿诺德上将。1941年初,阿诺德和部分通用电气公司负责人获悉英国正在从事喷气推进研究,而且已经开发出了惠特尔发动机,于是通过美国政府斡旋,最终从英国获得了惠特尔的技术成果,并交由通用电气涡轮增压器分部制造,以协助美国尽快开发喷气式战斗机。与此同时,贝尔飞机公司接到政府订单,要求与通用电气制造的惠特尔发动机(GE 1-A)相匹配的喷气式飞机,即后来的XP-59。在喷气发动机研发中,包括通用电气、普惠、威斯汀豪斯、洛克希德、诺斯罗普等许多美国公司都获得过政府的经费支持。但后来的事实证明,被寄予厚望的XP-59在测试中和英国“流星”一样,性能平平,其中的原因并不复杂——当时的惠特尔发动机离心压气机存在不少问题。

  1942年10月首飞的XP-59使用两台GE 1-A,单台推力1250磅,后来的改进型使用了推力1600磅的GE 1-16,但其推力仍然无法让喷气式飞机全面超越当时顶尖的活塞式飞机。凭借和英国的盟友关系,美国很快又拿到了英国德·哈维兰公司推力2700磅的“妖精”(Goblin)轴流式涡喷发动机,依靠这种动力系统,洛克希德公司开发出XP-80“流星”。 试飞中XP-80最大平飞时速突破了800千米,算是为喷气动力争回了些面子。美国原本指定由艾利斯-查尔莫斯公司许可制造“妖精”,并定名为J36,但由于仿制工作存在诸多问题而一再拖延,军方遂转而寻求替代品。通用电气抓住机会着手改进,在原有GE 1-A基础上发展出I-14、I-16(J31)和I-18,推力分别达到1400磅、1600磅和1800磅,到后来的I-40(J33),推力已经提升到4000磅。为了使用J33,XP-80的机体进行了重新设计,改进后的原型机直到1944年夏方才首飞。装备J33的P-80(后改称F-80)是非常成功的第一代喷气战斗机,但该机服役太晚,没能赶上二战的尾巴。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  通用电气设计的J33(I-40)推力提升到4000磅(18千牛),是F-80“流星”的动力系统。

  许多学者认为,二战结束前,德国的喷气推进技术研究至少领先美国5年。这一结论不是空穴来风,而是根据战后许多美军技术人员参观纳粹德国喷气推进研究机构后的体会得出的。正是因为喷气推进技术的领先优势,德国才成为二战中唯一真正较为成功地装备和使用喷气式战斗机的国家。早期喷气发动机问题多多,德国虽然占据先机,战争中也只有两种喷气发动机研发项目取得了成功——推力2000磅的容克尤莫 004和推力1800磅的宝马BMW 003。依靠这些先进动力,德国先后研制成功Me 262、Ar 234以及He 162等先进作战飞机。看到德国超前的喷气推进技术研究和相关资料时,美军许多将领感到震惊。这种震动,直接促动了美军高层。他们认识到,先进航空装备的基础是航空动力系统,从那时起美国比以往更加坚决地支持发展先进军用喷气发动机,并以此为基础抢占航空装备的技术制高点。

  美国人的认识不算晚,因为即使在1945/1946年间,仍然是喷气发动机的发展初期。

  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  1950年普惠应用双转子技术开发成功的J57轴流式喷气发动机,为普惠赢得了第一次爆发式发展的机会。

  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。

 
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  由于J40项目的彻底失败,老牌企业威斯汀豪斯和美国海军的合作关系彻底破裂,海军许多战机无法动机可用,广阔的市场被普惠夺得,威斯汀豪斯一蹶不振。

  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  柯蒂斯-莱特公司引进英国“蓝宝石”发动机技术制造的J65。由于缺乏研制开发能力,更缺乏创新实力,柯蒂斯-莱特不久也在竞争中出局。

  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  著名的船用燃气轮机LM2500,其技术渊源可以追溯到通用电气的第一种高涵道比涡扇发动机TF39——C-5A“银河”的动力。

  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  通用电气1955年完成的J79,虽然是单转子设计,但由于开创性地引入了可调定子技术,J79的性能非常优秀,成为通用电气的经典之作。除装备F-104、F-4、A-5、B-58外,J79发展出的民用简化版CJ805还成为康维尔880/990等民机的动力。

  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。

  
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  普惠F100-PW-220加力涡扇发动机。F100是美国第一种推重比达到8一级的涡扇发动机,但该发动机服役之初频出的问题让F-15常常“趴窝”。

  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。

  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  美军技术人员正在准备测试通用电气F101使用合成混合燃料(由JP-8与合成燃料按1:1配比而成)的工作性能。凭借F101,通用电气赢得了B-1轰炸机的动力竞标,F101核心机衍生出来的F110后来还成为大部分F-16C/D、F-14B/D以及新型F-15的动力系统。

  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  以高性能、高可靠性和较低的技术风险为发展战略的普惠F119发动机成功击败通用电气F120成为F-22的动力系统。

  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  在F119/100基础上发展出来的普惠F-135成为大部分F-35的动力装置。

  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。

  
大国地位的动力基石:美国航空发动机的顶尖之路(高清组图)


  通用电气与罗罗合作开发的F-136虽然在美国军政两界遭到诸多阻力,但美国政府还是大力拨款希望促成其开发,这一做法最根本的动因在于美国需要可替代动力装置和适度的竞争环境。

  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。

(网易)
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