F-35超级心:最大推力涡扇发动机F135

本文出自:网易军事


美国《空中打击》网站近日报道,普惠公司日前交付了首台STOVL生产型F135发动机,F135发动机项目研制也随之基本完成,这标志着这一史上推力最大的军用加力涡扇发动机即将服役。那么F135研制历程如何?为什么堪称史上推力最大的军用加力涡扇发动机?本文将予以独家解析。

F-35超级心:最大推力涡扇发动机F135

正在接受测试的F135发动机。2010年普·惠公司完成了F135发动机整个项目的研制工作。


在经过13000多小时的性能测试之后,2010年年初普·惠公司向美国空军交付了第一台F135-PW-100第四代涡扇发动机用于装备F-35常规起降型(CTOL,后面都使用该简称)作战飞机。而根据美国《空中打击》网站近日报道,普·惠公司日前交付了首台短距起飞/垂直降落(STOVL,后面都使用该简称)生产型F135发动机,标志着该型发动机正式由研制阶段进入生产阶段。


普·惠公司对这一里程碑事件高度评价,认为F135发动机的成就是历史性的,确保了公司在最先进的军用航空发动机技术方面处于领先地位。目前普·惠公司已经交付了全部11台F135飞行试验发动机,其中也包括首台STOVL型F135发动机。2010年也因此成为F135发动机项目极具纪念性意义的一年,标志着整个项目研制工作即将完成。F135是继F119-PW-100发动机装备隐身战斗机F-22之后,世界上第二个推重比大于10的战斗机动力系统,也是人类航空史上推力最大的军用加力涡扇发动机。


F-35超级心:最大推力涡扇发动机F135

普惠公司根据装备F-22的F119发动机,发展出了JSF/F119-SE611发动机。当F-35被确定后,使用该发动机就成为很自然的事情。


洛马击败波音,F-35项目启动


1993年,美国国防部进行了联合打击战斗机项目论证,在国会的支持下,项目发展迅速,同年12月,根据美国防部的要求,波音公司和洛克希德·马丁公司分别组织一个竞争团队参与联合打击战斗机项目的竞标。美国的战斗机研制过程分为:概念验证阶段、概念实证阶段、工程制造与发展阶段三个阶段进行。1995年、1997年和1998年美国发布了第一、第二和第三阶段联合暂时性需求文件制订出联合打击战斗机的概念设计。


此后,联合打击战斗机项目进入验证机对比试飞阶段,波音公司设计了大三角翼、一对倾斜式尾翼而无水平尾翼的X-32,洛克希德·马丁公司设计了采用常规布局的X-35,两个验证机进行了大约三年的对比试飞。在2001年10月26日,联合作战飞机的竞标结果揭晓,洛克希德·马丁竞争团队的X-35击败波音竞争团队的X-32,成为新一代美国海、空军和陆战队的通用多用途五代机,并改称为F-35联合打击战斗机。F-35战斗机分为三个改型系列,分别为:常规起降的F-35A型、垂直起降的F-35B型和舰载机F-35C型。


F135发动机因F-35的需求而启动


在联合打击战斗机项目验证机研制之时,世界上唯一可以满足战斗机性能要求的发动机就是普·惠公司研制的F119-PW-100发动机,F119-PW-100也是人类历史上第一型推重比超过10的航空动力系统。由于两家竞争公司对飞机的要求不同,从而要求普·惠公司研制2种略有不同的F-119改进型以满足每个竞争者各自的需要。波音型F-119发动机的代号是JSF/119-SE614,洛克希德·马丁型的代号是JSF/F119-SE611。


这两种型别的发动机之所以要存在这些差异,主要是因为两个JSF机体制造商所采用的垂直升力系统方案有所不同。波音公司采用了类似海鹞战斗机的多个矢量喷管下偏垂直起飞方案,整体来看比较复杂。X-32使用多个引气管道将发动机燃烧室出口燃气引出到位于飞机重心位置的向下喷管提供垂直起降的主要升力,另外由数个小引气通道将发动机风扇和加力燃烧室的气流引出为飞机提供升力补充和姿态控制。


而洛克希德·马丁公司的X-35采用了发动机主轴驱动的升力风扇+发动机喷管下偏来实现垂直起降。洛克希德·马丁公司使用的发动机JSF/F119-SE611采用了轴对称喷管,能够垂直下偏提供主要升力。既然验证机采用了以F119-PW-100发动机为基础的改进型号,在F-35被确定赢得联合打击战斗机合同之后,动力系统沿用原来的发展思路就成了水到渠成的事情,这就是F135发动机项目的开端。


F-35超级心:最大推力涡扇发动机F135

正在试飞中的F-35战斗机。F135发动机经历了长久的测试,其中常规起落型F135-PW-100于2010年年初正式定型,STOVL型也于近日交付。


F135发动机是为洛克希德·马丁公司F-35飞机研制的,有3种型别,即常规起落型F135-PW-100、舰载短距起落型F135-PW-400和STOVL型F135-PW-600。主合同商PW公司负责F135主发动机的研制和系统集成。分合同商RR公司负责轴驱动的升力风扇、三轴承偏转喷管和滚转喷管的研制。Hamilton Sund-strand公司、挪威的VOLVO航空公司(VAN)、Ducommun Aero Structure(DAS)公司、Unison工业公司和丹麦IFADA/S公司也参与了F135发动机的研制。


F135发动机于2002年5月成功地通过了初步设计评审,2003年5月成功地通过了关键设计评审。2003年9月,第1台F135生产型发动机组装工作完成。2003年10月,F135 CTOL型发动机(FX631发动机)开始进行地面试验,检查了发动机是否有液体泄漏、从地面慢车到空中慢车间的油门特性。2003年11月8日,PW公司第1台F135 FX631生产型发动机首次进行加力试验。2008年11月25日,普·惠公司F135发动机成功完成首次超声速飞行,飞行的最高速度达马赫数1.05。截止到2007年底,F135推进系统完成了3600小时的方案验证试验、8500小时的系统验证试验,垂直起飞推进系统试验了4300小时和19次飞行试验。此后常规起落型F135-PW-100于2010年年初正式定型,获得服役许可。STOVL型F135-PW-600也在最近完成研制开始投产。


F-35超级心:最大推力涡扇发动机F135

F135发动机沿袭了不少F119发动机的设计。F119的大量优秀设计再加上先进的技术才让F135成为了史上推力最大的发动机。


F-35超级心:最大推力涡扇发动机F135

STOVL型F135-PW-600采用了升力风扇+发动机喷管下偏+调姿喷管的垂直起降动力方案。这种设计方案成功实现了垂直起降,俯仰,偏航和滚转的功能。


先进的设计与技术


F135发动机是F119发动机的衍生型。F119发动机由3级风扇,6级高压压气机、带气动喷嘴、浮壁式火焰筒的环形燃烧室、单级高压涡轮、高压涡轮转向相反的单级低压涡轮、加力燃烧室与二维矢量喷管等组成。整台发动机分为:风扇、核心机、低压涡轮、加力燃烧室、尾喷管和附件传动机匣等6个单元体,另外还有附件、FADEC及发动机监测系统。其加力推力155.7千牛,中间推力105.0千牛,总压比35,涵道比0.3,涡轮前温1850-1950K,最大直径1.13米,长度4.826米、重量1460千克。


F135发动机采用与F119发动机基本相同的核心机。为提高推力,增加了发动机的空气流量和涵道比,提高了发动机的工作温度;为了获得短距起飞和垂直着陆能力,垂直起降型增加了新颖的升力风扇、三轴承旋转喷管、滚转控制喷管。其3级风扇采用超中等展弦比、前掠叶片、线性摩擦焊的整体叶盘和失谐技术,在保持原风扇的高级压比、高效率、大喘振裕度和轻质量的同时,将风扇的截面面积增加了10%-20%。6级压气机与F119发动机的基本相同。


燃烧室在F119发动机三维高紊流度、高旋流结构的浮动壁燃烧室的基础上,采用了高燃油空气比燃烧室技术,在提供小的分布因子和所要求的径向剖面的同时,满足了效率目标。高、低压涡轮采用对转结构,“超冷”高压涡轮转子叶片和导流叶片采用计算流体力学(CFD)方法设计,利用高温材料(可能为CMSX-4铸造合金)铸造,已在改进的F119发动机上得到验证,在提高耐久性的同时,能够明显提高工作温度(约为110℃)。低压涡轮增加1级,变为2级,以适应增大的风扇带来的驱动负荷。


F135发动机推比10.5、加力推力18吨级别、军推13吨级别、质量1700千克,其18吨的加力推力目前没有任何实际装备战斗机的加力式涡扇发动机能够企及。不过值得一提的是,F135相对于F119虽然推力大幅度提高,但是实际上是在同样核心机基础上用流量、高速性能换推力。F135虽然推力超群,但是其高速性能却是下降的。


合理的垂直起降设计


STOVL型F135-PW-600为了满足垂直起降要求,设计了升力风扇+发动机喷管下偏+调姿喷管的垂直起降动力方案。升力风扇由涵道、风扇、D形喷管、联轴器、作动装置和伺服系统组成,由主发动机F135的2级低压涡轮驱动;升力风扇直径为1.27m,可以向前偏转13°,向后偏转30°,在STOVL工作状态下使战斗机上方的冷气流以230kg/s的流量垂直向下喷出,产生90千牛的升力;3轴承偏转喷管垂直向下偏转(最多可偏转95度,可左右各偏转10度),产生71.1千牛的升力;该喷管可使发动机的排气从水平偏转到垂直甚至向前,可以使推力从水平方向偏转到垂直向后。


此外,每侧翼根处的滚转控制喷管利用发动机压气机的引气,也可提供16.7kN的推力;在控制杆端的喷管差动地打开和关闭,实现滚转控制;通过偏转喷管偏航实现偏航控制;通过升力风扇和发动机推力分离器实现俯仰控制。包括主发动机在内的整个推进系统的长度为9.37m,悬停总推力为175.3千牛,短距起飞推力为169.5千牛。


欧洲和俄罗斯的新锐发动机推重比均不到10


继F119-PW-100发动机之后,美国研制成功的F135系列大推力涡扇发动机证明了美国依然是世界航空领域整体实力绝对第一的动力强国。目前世界公认的推比10一级的涡扇发动机有:欧洲合研罗罗公司的EJ200中推涡扇发动机、法国M88系列中推涡扇发动机、前苏联AL-41F大推力涡扇发动机和美国的F119(包括F135系列)和F120系列发动机(包括F136系列)。


虽然这些发动机型号都号称推比达到了10一级,但是目前推比达到10的发动机系列只有美国的F119和F120系列,而只有F119和F135系列完成研制正式投入使用。欧洲的EJ200和M88系列发动机推比只能达到9左右,而俄罗斯号称推比过10、加力推力17吨的AL-41F发动机仅仅完成30%就随着前苏联的解体而中断,至今俄罗斯仅仅研制成功了推比8一级的117S发动机。


F119系列发动机(F135属于F119发动机衍生型号)能够完胜世界上其他国家的航空发动机,主要源于其先进的总体设计、高循环参数和尖端的材料工艺水平。目前推比10一级发动机中,F119-PW-100是唯一一个采用3611(三级风扇+六级压气机+单级高压涡轮+单级低压涡轮)总体设计的涡扇发动机,而EJ200和M88都比F119-PW-100增加了一级压气机,而且即便在叶片级数多于F119的情况下,压比和喘振裕度也未见接近F119的气动设计水平。而F119采用的第三代单晶叶片和双性能涡轮盘又赋予了F119发动机极高的循环参数水平,达到了1900K以上甚至超过了2000K。极高的循环参数赋予F119烈焰汹涌的驱动力和高燃烧效率,这样就使得F119发动机在性能提升的前提下,单位耗油率却保持了较低的水平,为F-22战斗机能够超音速巡航做出了不可磨灭的贡献。


美国雄厚的航空工业基础


而为总体设计方案和高循环参数做基础的是美国极为雄厚的航空材料和工艺水平。采用线性摩擦焊接技术的钛合金宽弦空心叶片、六级钛合金整体叶盘压气机、双层浮壁高温升短环型燃烧室、采用第三代单晶叶片和两种热处理技术的高低压涡轮、采用两种不同材料锻造而成的双性能粉末冶金涡轮盘以及第四代双余度全权限数字电子控制系统无一没有采用目前航空动力领域最先进的材料和工艺技术。


集大成的F119发动机为F135发动机提供了一个坚实的改进基础,F119为了保证高速性能从而采用了较小的涵道比,而F135为了追求大推力增加了涵道比、放大了流量,充分释放了核心机的驱动潜能。其军推已经达到13吨的级别,这已经是YF119加力推力的水平(由于F-22战斗机增重,曾经导致F119发动机推力从13吨级别增加到15吨),而18吨的加力推力足以让同类大推力涡扇发动机汗颜。F-35战斗机空重虽然达到了重型机标准的13吨,但汹涌澎湃的推力使得整机推比依然相当优秀,避免其成为“笨拙的胖子”,也使F-35成为世界航空史上少见的单发重型机。




美国航空动力系统研制之所以能够一直保持世界第一的位置,主要是得益于军方和政府对于航空发动机预研计划持之以恒的投资和合理的远景规划。从上世纪五十年代开始的核心机预研计划,至今已经发展出7代核心机,而F119的核心机仅仅是当中的第四代。美国航空动力工业的技术潜力可见一斑。


中国在三十年前也逐渐开始学习美国的预研科研体制,开始了自己的核心机预研计划,但由于起步晚,经验和工业基础不足,至今未能拿出一款大规模实用的核心机型号。目前中国五代机歼20已经首飞,计划配装五代机的WS15发动机在研制进度上已落后于飞机本身,核心机预研落后的造成的“心脏病”仍在困扰着中国空军。

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