磨砺记——美国航空发动机发展经验及启示

航空发动机是装备制造领域的最高端产品,代表了装备制造业的最高技术水平,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,其重要性一向为人所强调,但成为航空发动机强国的道路之艰难却往往为人所低估。事实上,作为业内“第一梯队“领跑位置的美英俄三国,为了摘得这颗“皇冠上明珠”,也曾被摔得遍体鳞伤,在长达几十年的时间里,上演了一出又一出颇不平凡但又引人深思的磨砺记。

以引进起家

美国是公认的当今航空发动机技术最为先进的国家。但有趣的是,美国在喷气时代最初的起点却同样是“拿来主义”。二战爆发前,航空喷气推进研究最为积极的国家是德国和英国,而美国在这方面做的工作相当有限——J30和J34在进度上的拖沓说明了这一点。当时英国对离心式和轴流式喷气发动机都展开了研究,而德国的轴流式喷气发动机则取得了突破进展,在二战中就达到了实用水平。战争中凭借与英国的同盟地位,美国政府从英国直接拿到了惠特尔离心式喷气发动机的相关技术,凭借这种新的动力系统,美国贝尔公司开发了XP-59喷气式飞机,并于1942年10月进行了试飞。但试飞表明,使用早期离心式喷气发动机的XP-59性能平平,无法和当时最先进的螺旋桨飞机相比。当时美国通用电气仿制的GE 1-A发动机推力仅为1250磅,后来改进的GE 1-16推力达到了1650磅,但仍显不足。后来美国又从英国获得了轴流式的Goblin发动机,推力达到了2700磅,在此基础上开发出了XP-80“流星”喷气式飞机。战后,当美国航空兵将领和科学技术人员检查德国航空研发机构时,许多人都对德国已经掌握的先进喷气技术感到震惊。从那时起美国比以往更加坚决地决定开发先进的喷气式军用飞机,而要开发优秀的喷气机,先进的喷气发动机技术是关键要素。

美国较早认识到航空发动机是航空产业的原动力,从而把发动机产业作为重要战略方向,为后来的喷气发动机技术大发展做了最初的思想准备。

摆脱仿制自主突破

美国航空发动机发展的另一个经验是,较早摆脱了仿制生产和改良发展的模式,以技术突破为导向全力发展自己的先进技术,在发动机技术领域奠定了自己的知识技术基础。今天美国最为著名的喷气发动机制造商普惠公司在战争时期几乎没有任何独立研发喷气发动机的经验,战后普惠决定许可制造英国罗罗公司的尼恩发动机——由于德国喷气发动机制造企业遭到严重损毁,因此战后初期,罗罗公司被认为是世界上最先进的喷气发动机制造商。战后初期所有的喷气发动机都有4个重大缺陷:高油耗、低推力、加速缓慢,噪音较大。由于这些问题,开发海军航母舰载机、远程陆基战斗机、远程战略轰炸机以及商用客机等都十分困难。经过研究,普惠公司认为自己在喷气发动机研发方面落后其他主要制造厂商至少5年,在战后环境中要保持竞争力,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,于是从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,其目的就是追赶竞争对手。

普惠把研发重点放在了解决低推力和高油耗两大问题上,当时最好的喷气发动机推力约为4000~5000磅。普惠决心把发动机的推力提高一倍,达到10000磅,并实现更好的燃油效率。经过近5年的艰苦努力,普惠工程师发展出先进的双转子发送机J57,把推力提高到10000磅,后续型号更是达到了18000磅推力,耗油率也大大降低。随着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完成持续超音速平飞的战斗机。除了B-52和F-100,J57还成为美国空军许多飞机的动力:麦道F-101战斗机、通用动力康维尔F-102战斗机、波音KC-135空中加油机。海军沃特F8U,道格拉斯F4D、F5D和A3D等不少战术飞机也选择了J57。在J57基础上的改进型J75采用了更为性能更好的耐高温材料,推力更大,成为共和F-105和通用动力康维尔F-106以及其他军用飞机的动力装置。最后,J57的商用型JT3还成为波音707的动力,直接促成了远程军用/商用运输的大发展。J57奠定了美国在喷气发动机领域领先地位的第一块基石,这其中主要应该归功于坚持从基础研究着手,而这绝非是一朝一夕之功。

“心脏病”的问题

“心脏病“的问题,在航空工业的发展过程中是普遍存在的,即便是美国这个当今世界的头号航空强国也曾一再为此所困扰,远非是一帆风顺的。比如,继J57的初步成功后,上世纪五六十年代通用电气J79是世界上最为重要也最具革命性的一种喷气发动机。最初是应美国空军2倍音速大推力节油发动机要求开发的。在当时来说,J79是一种相当先进的发动机,选取了在当时较先进的设计参数,如涡轮进口温度930℃,加力温度1800℃,压气机压比高于12。另外,J79在世界上首先采用压气机静子调节技术,使发动机气动性能得到改进。此外还采用了双身叶片结构,消除叶片共振。同时各主要机匣、封严装置的承力件及轴均采用刚性好、重量轻的锥形结构。由于推重比较高,迎风面积小,耗油率较低(以J79-GE-17为例,单台加力推力 79.6 千牛(8,120 公斤),耗油率 0.2 千克/牛顿·小时(0.84 千克/公斤·小时)),因此先是被选中作为 F-104 的首选动力,其改进型后来在 F-104 后期型、F-4、以色列“幼狮”战斗机甚至 F-16 的出口简化型 F-16/79 上都得到应用。J79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。然而,后来获得巨大成功的J79在启步阶段却是步履为艰,由于研制进度大幅滞后,XF-104 仍不得不装备无瑞特公司研制的加力燃烧室的 J65-B-3 涡喷发动机,为此 XF-104 的后机身和进气口进行了重大修改,以适应这种推力较小的发动机。由于推力限制,XF-104 最初的速度远未达到设计指标——其平飞速度甚至未能突破音障,只能在小角度俯冲时达到马赫数 1,几乎沦为了一个笑柄。

相比于J79的坎坷,后来同样成为一代经典的P&W F100涡扇发动机,在研制之初遭遇了更大的麻烦。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。结果,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,差一点断送了F-15的前途。F-15 战斗机在美国各界殷切的期盼下交付空军使用了,然而在随后的使用过程中发现 F100 存在许多影响可靠性的严重问题,直接危及飞行安全,这令使用者和设计者们伤透脑筋。据统计从 F100-PW-100 正式投入使用到 1979 年 4 月,美空军共使用 1,100 余台发动机,累计工作时间超过 25 万飞行小时,综合故障率为 2.688/1000EFH(发动机飞行小时),造成 1979 年缺少 90~100 台发动机,而 普惠公司零备件供应不足更使得大批出厂的 F-15 不能处于战备状态,导致大批飞机 “趴窝”,成为当时美军最棘手的问题之一。最后,不得已之下的美国政府出资发起了“部件改进计划”,对F100进行改进和修补,几经周折才算让F100满足了使用要求,F-15这个“机库皇后”才摆脱了这番羞辱。

对于“失败者”也不放弃

美国航空发动机工业的另一个可取之处,是对“失败者”也不放弃,当然这背后需要进行深层次的解读。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。

作为一种高度复杂的机械产品,我们还应该看到高性能航空发动机出现的各种问题中,很多不应该单单只从其本身的设计和制造角度来原因。比如,普惠F100经曾遭遇的一系列研发问题就是如此。由于在美国军方的催促下,F100的研制时间极为紧张,普惠不得不将某些试验安排在原型机科研试飞阶段去完成了,因此在部件可靠性、维护性等试验方面存在“明显的没吃饱”现象。再加上由于动力强劲加上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。在使用中要求能快速来回推、拉油门杆,这就使发动机转速、温度发生急剧的变化,从而导致主要部件承受多变的应力循环,像这样的应力循环变化相当频繁。然而在设计 F100 发动机时,设计师们没能预料到发动机在新的工作条件下所承受的大负荷。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,美国空军当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,美国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。美国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,只能要求空军追加拨款来解决问题。

一点感悟

众所周知,由于美国很早就建立了完善的市场经济体制,所以美国政府素来倡导在各种军用装备的发展和采购方面鼓励充分的市场竞争。因而在发展航空发动机工业时候,美国政府自然就会选择适合本国市场经济体制的发展模式,事实上它也别无选择,也只能选择鼓励自由竞争的这条路。

这表现在,二战前的活塞时代,由于国内的经济体制是高度的自由市场经济体制,政府对行业的调控很少。所以美国的航空发动机工业布局是一个充分的市场竞争环境,大量的企业百家争鸣,令人眼花缭乱,如柯蒂斯-莱特、普惠、艾利森、通用、福特、帕卡德、西屋等等。美国政府鼓励这些公司之间展开竞争,不提倡研发的共享。这种方式虽然在经济上有些浪费,但却促进了各种不同技术途径的发展,也的确让美国军队获得了大量性能优良且可靠耐用的先进高性能航空发动机。

然而,在迈入喷气时代以后,情况发生了变化。随着喷气式发动机的结构越来越复杂,研发资源投入越来越大,一些航空发动机厂商开始“掉队”,比如“西屋”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,却在美国海军满怀希望的J40项目上栽倒。丢掉J40这个金子般的机会后,“西屋”也曾放手一搏,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,但再次倒在了高昂的投入与研发能力的不足上。自此“西屋”被彻底淘汰出高性能航空发动机领域。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。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,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。

其实在美国二战后,政府开始通过法律、金融等手段,加大了对市场经济进行调控,这也同样体现在发动机研发领域。随着掉队的厂商越来越多,以至到了1960年代中后期,美国政府决定研发第四代军用加力涡扇式喷气发动机时发现,整个美国只有普惠和通用电气两家公司有能力承担这个任务了,美国航空发动机的研发力量实际上遭到了极大的削弱。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,美国航空发动机工业的布局,也由自由竞争向政府主导下的“调控”式竞争转型。事实上,这种所谓的“调控”式竞争,其出发点在于整合资源、集中力量。一方面,通过竞争,喷气发动机研制厂商们积极开发各种先进理论和概念技术,通过各种演示活动去争取军方的关注。另一方面,虽然最后竞争成功的往往只有一家厂商,但美国空军却常常通过各种技术演示项目资助那些具有创意潜力的竞争失败者继续开发工作,把这作为未来可行技术的储备。也正因为如此,美国国防部每年都会拨出许多经费用于发动机相关技术的预研和演示项目。这类项目常常是就某一项或几项性能指标进行提升,一般不要求近期开发实用产品,而是为未来新型主战装备做技术摸底和可行性探索,其成果也为其他厂商所共享。比如,上世纪80年代初,在“先进战术战斗机”(ATF)计划正式开始前,美国政府就先资助了一系列部件演示和概念研发项目,其中包括“先进发动机研究计划”(ATES)和“联合技术演示发动机计划”(JTDE)。预先研究客观上降低了型号研制的动力系统风险,事实上让发动机开发走在了飞机研制项目的前面。每次新型号的研发,其动力系统基本是在预研项目积累的技术经验上进一步开发,由此保证了美国航空喷气发动机技术长期的领先优势。

显然,今天美国之所以能在高性能航空发动机领域保持“头羊”地位,政府主导下的“调控”式有序竞争,将资源整合起来,将力量攥成拳头,而不是你死我活的所谓“自由竞争”,才是“持续性领跑”的关键所在。但即便如此,从1981年ATF发动机招标需求提出,到1997年F-22原型机首飞,其发动机F119的开发时间也长达17年——高性能航空发动机研发的艰难也可见一般,唯有长期坚持政策的连贯性和整个工业布局体系的稳定性才能结出茁壮的果实。相比之下,中国的科研资源更为有限,虽然对于预先研究的某些阶段性目标,完全可以考虑引入竞争机制,这样可以在较短的时间内对尽可能多的技术路线进行评估,积累更多的技术经验,但“集中力量打硬仗”的道理却是始终要明确的。同时,政府应该积极支持企业自主研发某些新技术,在费用上可以与企业共同投资,降低企业的研发风险,并在政策的支持和资源投入的力度上要始终不予动摇。

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