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早在1975年GE公司自筹资金2000多万美元,以F101核心机为基础、利用比例放大的F404低压部分组装一台热力循环参数与F100相近的验证机——F101X,她与F101相比降低了涵道比、提高了增压比。不过当时这台发动机的主要目标是竞争海军的F-14换发项目,然而由于海军担心整个换发工作代价太大(全部费用可能高达10亿美元),因此即便在有部分预算拨款支持的情况下,仍不愿从其他被认为更重要的项目中抽调资金以支持该计划。

有道是有心栽花花不开、无心插柳柳成行,后来的“剧情”发展恰好印证了这句老话。F101X的诞生立即引起了空军极大关注,尤为吸引他们的F101X在可靠性、耐久性方面的良好表现,更没有发生困扰F100的滞止失速问题。

到1979年初,已经有足够的空军官员同意接收原海军F-14换发的预算拨款来支持F101X。不过想要启动这个项目还必须在国会举行的听证会上进行说明、备询,在会上空军将领不得不面对那些支持P&W的议员们疾风暴雨般地质询,他们向空军司令提出了一系列诸如后勤保障、零配件供应、发动机性能等尖刻却现实的问题。不过尽管有这些反对意见,最终国会还是批准了该项目,当空军官员们获悉与GE的合同将在两周内签订的消息后,都感到异常的兴奋(wirebrushed)!

1979年2月,根据美军实施的“发动机型号衍生计划”EMDP,GE和军方签订了一份研制周期30个月“固定价格”的有限合同,总金额7970万美元研制F101DFE(衍生型战斗机发动机),并要求在F-16、F-14飞机上进行飞行试验。这项计划的主要目标是:

1、鉴定飞机/发动机的匹配能力、包括性能和作战适用性。

2、通过AMT [注6] 确定发动机的耐久性。

3、根据验证的能力,提出生产型发动机的型号规范。

由于有了一台经过严苛考验的F101核心机,通过F101X证明其改型方案也可行,因此这台核心机不需要做大的改动。1979年F101DFE首次台架试车,之后两年里发动机进行了广泛的试验,经历了1000多小时的地面试车,达到或超过了预期目标。根据合同GE只提供三台发动机,但后来又增加了两台,其中一台用于结构、损伤容限和耐久性试验,另一台则被用来验证新设计的发动机附件系统,以适应F-15发动机舱的安装要求。

[注6]AMT——Accelerated Mission Testing 加速任务试车,是按典型的飞行任务剖面归纳出发动机任务剖面图,然后按油门杆位置变化情况进行加速模拟试车。AMT基于损伤线性叠加原理,采用短时间大功率状态或加大载荷并删除无损伤或损伤较小状态的方法,因而试车时间大为缩短。AMT关键在于直接反映发动机外场的实际用法,这种试验方法与传统试车程序比较,能够更真实地反映发动机在使用中所受的损伤,通过较短时间的试验便能预先暴露发动机在外场实际使用条件下可能出现的问题,以便及早采取改进措施、防患于未然。

70年代初美国首先在TF41发动机研制中应用了AMT技术,如今该技术已纳入美国的军用标准中,并广泛用于新机研制定型过程、发动机寿命抽检以及局部结构改进的效果考核。

试飞工作进行的也比较顺利,1980年12月19日首架装配F101DFE发动机的F-16A(75-0745)试飞成功。几个月之前F101DFE已通过PFRT考核,值得注意的是试车采用了AMT技术。F-16/101 共飞行58次75个小时,完成了所有的飞行项目,试验表明F101DFE无需做重大改进即可装在F-16上使用,在飞行过程中工作稳定、表现出了良好的性能。不过试验期间也发生了一些故障,最严重的一次是第五次飞行中由于一个铝制燃油接头断裂造成停车,为此GE公司对发动机相关部件做了改进,排除了故障。

1981年和1982这两年里,F101DFE还在格鲁曼的F-14B原型机上进行了科研试飞,用了4台发动机,共飞行44次70小时。有意思的是试验用机正是当年测试F401的那架编号157986机。然而好事多磨,海军在1982年“故伎重演”取消了换发项目, F-14的“心脏移植手术”被迫再次推迟。

与此同时,并不甘心的P&W公司,不断地做着游说工作,力图阻止F101DEF项目的进行。他们一改先前“生硬”的态度,主动提出了几项“特惠措施”:只要取消这场发动机竞争,军方就能够以难以置信的低价采购所有的发动机。但这一切为时已晚,如今的空军是吃秤砣——铁了心了!

风水轮流转

1981年里根政府决定重新生产B-1B飞机,F101时来运转又有了用武之地。而此前空军已选定了CFM56-2(军方编号F108)作为KC135R加油机的换发型号。F101DFE和上述两个型号的核心机基本一致,因此生产费用一下降低了25%,当初反对意见中最主要的一项——后勤保障问题也因此迎刃而解。为F101DFE配套的试验设施、零配件供应网络、培训计划以及后勤支援设备都可以用于F101-GE-102和F108发动机,其中订货量达469台的F101发动机就足够维修站忙活了。

1982年对F101DFE来说是一个具有特殊(里程碑)意义的年份,这年里GE拿到一份追加合同,继续对F101DFE进行试验为下一步的FSD(全尺寸工程发展)作准备。合同内容包括对发动机作优化设计、并最终确定将来安装到F-14、15、16三种飞机上的发动机构型。年底GE被正式授予一份“固定价格”FSD合同,研制F101DFE的生产型——F110-GE-100。此时,从俄亥俄Evendale的GEAE总部又传来喜讯,一台编号509-004的F110发动机(这时已名正言顺了)在加速任务试车中顺利达到5004个 TAC[注7],若按每年飞行250小时(500TAC)计,这已相当于外场使用了10的时间!

[注7]TAC—Total Accumulated Cycles 总的累积循环(也有叫作空军战术循环),一般1个TAC=1/2个EFH (发动机飞行小时)。

随后两年里,F110的研制工作进展顺利。1984年2月份空军和GE签订了生产合同,将下一年160台采购订单中的75%交给了GE(余下40台为P&W生产的F100-PW-220),发动机大战的首回合GE初战告捷、占得先机!一年以后F110-GE-100定型,随后第一台量产型发动机交付使用。

F110-GE-100(图23)是GE研制的第一台120kN级别小涵道比加力式涡扇发动机,与F101相比的主要区别:采用按比例放大的YJ101/F404发动机三级风扇代替了1.14m直径的两级风扇,风扇压比提高60%、达到3.2,减少了空气流量(从159kg/s减至122kg/s),涵道比由2.01减到0.87。为了适应较高的风扇转速,在F101的2级低压涡轮基础上做了重新设计,加力/喷管部分是F101的缩小型,并采用了F404的技术。此外为适应减小的风扇流路,核心机部分也做了少量的改动,对核心机以外的系统、部件作了比例缩小和减重处理。

由于在研制之初就将发动机的可靠性和耐久性放在突出的位置,并在研制全过程中全面贯彻ENSIP的要求,造就出一台兼顾性能、可靠性、耐久性、可维护性的先进发动机,从表3的数据可以看出,虽然F110的推重比相对较低,但由于总空气流量较大,因此获得了很大的绝对推力。后来的使用情况也证明GE公司的研制工作非常出色,F110几乎成了安全可靠的代名词!

没有输家!—— 美国发动机大战(Engine War)的回顾2

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超级雄猫换心术

尽管F-14B/F101DFE计划被搁置,但发动机的出色表现还是给海军官员们留下了深刻的印象。相比较难以“伺候”的TF30,GE新发动机的诱惑实在是难挡的!1984年,海军终于重启了“超级雄猫”的换发计划,为飞机换装两台F110-GE-400发动机。

海军型与F110基本型存在的差异主要是由于安装的需要——即为了适应原装配TF30的飞机发动机舱,主要改进措施请参看图24。

新发动机无论是性能、可靠性还是维护性等方面较原来的TF30都有了大幅提高,经测试新发动机使雄猫的“航程增加 60%,爬升率提高 61%,作战滞空时间延长 1/3。爬升至 1067 米的时间要快上 61%,加速时间减少 43%,另外还消除了 TF30 常见的尾烟。”1987年F110发动机开始交付海军使用,装备F-14B/D型飞机。

没有输家!—— 美国发动机大战(Engine War)的回顾2

F110-GE-400发动机

没有输家!—— 美国发动机大战(Engine War)的回顾2

1986年9月29日安装F110-GE-400发动机的F-14“SuperTomcat”战斗机在格鲁曼公司的Calverton机场进行了首次飞行

普.惠的补救措施

虽然在F100-100服役的最初几年里,P&W公司也针对发动机发生的问题做了一些改进,1976年~1978年间使用AMT方法验证了发动机的改进成效,翻修寿命从最初500小时提高到750小时。但是P&W非常清楚这些修补措施尚不能彻底解决可靠性不高的问题,尤其是当空军决定以F101DFE作为F-15、16飞机的后备动力时,P&W发现F100已明显处于下风。恰好当时空军提出了EMDP计划、这成为F100发展历程中的重要转折点。在该计划的名义下P&W和军方签署了一份Pre-FSD的工程发展验证合同,改进F100的性能与可靠性。1979年7月改进型F100-PW-220 EMDP项目正式开始,1980年4月份发动机开始台架试车。在 F110 合同签订的那一年,P&W也获得了一份研制F100-PW-220的 FSD合同。

鉴于F100可靠性不高所带来的严重后果, P&W公司在F100-220研制之初就定下了一个指导方针,即不惜用牺牲性能的代价来提高发动机的可靠性、耐久性、结构完整性。这些改进包括:重新设计的“延长寿命的核心机”(ILC)、采用单晶材料制造涡轮叶片(由原来的PWA1422定向合金改为PWA1480单晶)、第一种用于战斗机发动机的FADEC(全权限数字式发动机控制)、提高维护性的发动机故障诊断装置(EDU)、经改进的加力燃烧室和齿轮式燃油泵等(参考图26)。发动机的全加力推力保持在105.9kN,但质量却增加了约66kg,导致推重比下降到7.4。

为了考核发动机的可靠性、耐久性,在F100-220的试验项目中还增加了3种试验:4000TAC的加速任务试车(见图27)、高M数下的耐久性试验以及高周疲劳试验。第一次加速任务试验中,发动机在90天内共运行953小时,相当于外场工作9年,试车期间发动机没有进行计划外检修,仅有8次维护(允许有15次),后来同一台核心机部件重新组装、再次完成一个4000TAC试车,在两次试验中由核心机引起的换发率、停车率、推力损失均为零,证明了F100-220的改进措施是有效的,彻底解决了可靠性不高的问题(见表4),1985年3月发动机设计定型,同年11月首台生产型发动机面世,1986年投入使用,装备F-15、F-16飞机。历经十年艰苦磨砺,F100终于走向成熟,为将来的进一步改型奠定了坚实的基础。

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F100-PW-220发动机的主要改进措施

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F100-PW-220加速任务试车(AMT)

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竞争的白热化

1983年5月空军发布了AFE生产合同的最终版征求建议书RFP,但此时的P&W仍幻想挤掉对手,因此在他的投标方案中无论采取哪种分配比例,定价都出奇的高;而实行单一供应商模式,则价格要低很多。不过心有余悸的空军根本不为所动,坚决推行AFE计划,1984年正式开始实行双承包商政策并签订了首批采购合同。军方还决定今后每年的采购合同都采取比例分配模式,各家所占份额的多寡主要取决于承包商的实际表现。据统计,到1994年F110共获定购1065台、F100为1021台,双方平分秋色。不过在F-16发动机的竞争中,GE公司声称获得了胜利,因为在1000余架飞机中,该公司提供的发动机占到了75%。

结束语

由于AFE计划成效显著,因此从80年代至今,美国几项大型发动机研制计划(IPE、ATF发动机、JSF动力等项目)都采用了这种方式。

正如本文标题所述,这是一场共赢的良性“战争”,交战各方都在此役中获得了“胜利”。航空动力历来是美国军方高度重视的“关键技术领域”,美军体认到为确保长期的领先地位,需通过有效的竞争才能实现,尤其是经历了F100的“惨痛”教训后,更加坚定了必须在该领域保持“有效竞争环境”的决心。实践证明AFE的实施确实大幅提高了美国航空发动机综合能力、更重要的是促使美国发动机业研制理念的革命性转变,意义重大、影响深远!

研制/生产者也没有因为“战争”而导致衰弱,相反使自身产品精益求精、不断提高。F100和F110发动机已被公认为第三代军用涡扇中的经典,成功地衍生出了两个庞大的发动机家族,并在数十个国家和地区中服役,至今仍是国际航空动力市场中的畅销产品!随着更多高新技术的融入,综合能力更高的改进型号还将不断问世、继续活跃于本世纪头三十年的航空领域,其生命周期之长令人折服!

这场战争还将延续下去,孰优孰劣将是人们永远讨论的话题……

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