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帖子主题:讲武谈兵|美国“发动机大战”的可靠性PK,带来哪些启示?

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讲武谈兵|美国“发动机大战”的可靠性PK,带来哪些启示?

讲武谈兵|美国“发动机大战”的可靠性PK,带来哪些启示?

F100-PW-100 发动机在 F-15 服役后,尾喷管整流片被全数拆除以简化维护。 本文图片均来自网络

上期文章刊登后,有读者希望讲一讲国外航空发动机可靠性是如何改进和完善的。那么,笔者本期就从美国“发动机大战”谈起,希望对中国航空发动机工业的未来发展做一探讨。

有这样一种说法:航空工业是制造业皇冠上的明珠,以此类推,航空发动机则应是航空工业这颗明珠上最为璀璨的部分。从武器平台的角度来看,战车的发动机出问题了,可以由其他战车或装甲抢救车拖曳撤离战场;舰船的汽轮机出问题可以启用备用发动机可用;军用发动机一旦出问题,后果多半是机毁人亡的一等事故。因此,航空发动机对可靠性要求最高。

持续近半世纪的“发动机大战”

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通用电气的 F110 发动机。

上世纪70年代,围绕第三代战斗机的动力装置,普惠(普拉特尼惠特尼)公司和GE(通用电气)公司展开了“第一次发动机大战”。之后,这两大巨头又在第四代战斗机动力装置的采购上爆发了第二次“发动机大战”。由于第五代战斗机和第二代隐身战略轰炸机已被美国军方列入发展规划,毫无疑问,未来还会看到两家公司的“第三次发动机大战”。

而“第一次发动机大战”之所以会发生,其核心就是可靠性问题。

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涡扇发动机的典型结构图。

二代机时代,GE公司的J79和J85两大系列涡喷发动机占据绝对统治地位,成为美国空/海军战斗机的核心动力装置。尤其是J79系列所创造的辉煌迄今“后无来者”。但光环背后,GE过分沉迷于J79的后续发展,未能将研发重心及时转到更为先进的加力涡扇发动机。因此,当美国军方为TF-X项目选择第一代军用涡扇发动机时,GE公司匆匆推出的MF295不敌普惠在美国海军资助下研发的TF30,在第四代战斗机动力装置的竞争中失去先机。尽管TF30在装备F-111之后问题不断,但占据先机的普惠并乘胜追击,在F-15和 F-14的动力装置竞争中再次击败GE公司。

拿下这笔大单的普惠公司并不轻松。按照美国空军和海军组成的“发动机选型联合管理委员会”的要求,普惠公司需要同时研发空军F-15使用的F100发动机和海军F-14的F401发动机(替代性能有缺陷的TF30),两者的核心机都源自该公司竞标成功的JTF22。

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F100-PW-100 是世界上最早投入使用的推重比 8 一级小涵道比加力式涡扇发动机。

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空军和海军对发动机性能要求的侧重点不同,虽然采用相同的核心机,其实等于同时研发两种发动机。短时间内完成两种当时最先进涡扇发动机的研制,即便在今天也没有哪家公司能做到。于是,普惠公司也开始不断找“变通”的办法。

普惠公司首先要求推迟F401发动机的研制节点(毕竟F-14的采购数量比F-15少),随后要求减少两种发动机的部件试验小时数。由于发动机采购经费削减、F-14研发成本上升等诸多原因,美国海军被迫取消了F401的研制计划。美国空军以为如此一来普惠公司会集中力量把F100发动机搞好,却不想后者先打的是自己的小算盘,以“采购数量减少、成本上涨”为理由要求提高采购单价。美国空军为保证F-15的研发进度,只得“忍气吞声”,甚至给予普惠公司多次考核与试验的机会。1973年10月,F100勉强通过了150小时定型试验和全部部件考核试验。普惠公司对F100发动机在考核试验中暴露出的风扇叶片断裂以及与静子摩擦起火等多项可靠性问题进行改进和补救,却未能彻底解决问题。直到1974年11月F-15A量产型交付美国空军之际,F100的初始型号F100-PW-100依然是“百病缠身”。但美国空军已是“骑虎难下”,为确保F-16与F-15的通用性,选择了F100家族的第二个型号——F100-PW-200作为单发的F-16的发动机。

F100系列发动机服役后,最大的可靠性问题就是“喘振”和“空中熄火停车”,且故障率越来越高。美国空军从1974年开始每年都拨专款用于提升F100系列发动机的可靠性,但见效缓慢。为保障战机的出勤率,美国空军硬着头皮继续采购F100,并开始动了研制替代型号的念头。就这样,美国空军与普惠公司间“友谊的小船说翻就翻了”,而把后者拉下水的正是GE。

一家独大到两强分庭抗礼

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装备B-1B轰炸机的F101-GE-102发动机结构图。

就在普惠公司被F100和F401发动机搞得焦头烂额的时候,GE公司另辟蹊径拿下了B-1A战略轰炸机发动机的订单。GE公司以代号GE9的核心机为基础,为B-1A研发了该公司第一种加力涡扇发动机——F101。由于美国空军对B-1A的研发进度并不像F-15那么急迫,因此GE公司有充分的时间来走完空军在1969年制定的发动机结构完整性大纲。截至1977年卡特总统终止B-1A研发计划时,GE已生产了46台F101的样机,共完成超过12000小时的试验小时数,包括400小时的空中试飞。B-1A虽然下马,但F101-GE-100还是利用这个现成的空中实验平台完成了1895小时的飞行试验。F101-GE-100的出现堪称GE公司具有里程碑意义的事件。以F101为起点,衍生出为B-1B配套研制的F101-GE-102和为B-2A配套研制的F118。F101的核心机部分后续成就了当今最为著名的两大喷气式发动机家族——CFM56和F110。

在1977年B-1A下马时,GE公司就萌生了利用其核心机F101研发一款战斗机用加力涡扇发动机的念头,并与美国军方及时进行了沟通。1978年,GE公司以F101-GE-100核心机为基础,结合F404的部分技术,向美国空军和海军推出了代号为F101X的加力涡扇发动机设计方案。次年,美国空军与GE公司正式签订发动机研发合同,并赋予其F110的军用编号。GE公司还经过不懈努力,说服美国海军同意以F110替换F-14的TF30发动机。当初普惠公司未兑现的承诺,GE兑现了。

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正在进行 F101DEF 发动机测试的 F-14B 原型机,注意尾喷口。

得知这一消息后,在震惊之余,普惠连忙在华盛顿发动公关攻势,试图继续将GE公司挡在门外。然而,美国军方态度之坚决、理由之充分让普惠公司无以辩驳,后者只能全力投入到F100的后续型号发展上,准备接GE公司的招。普惠与GE的“发动机大战”进入白热化阶段。

1981年3月,美国空军F-16战机换装GE的F110发动机首飞成功。4个月后,美国海军F-14战机也加入到“换心”行列,换装后的F-14的飞行性能与装备TF30时相比有了质的提升。与F100相比,F110不仅更可靠,主要技术性能有大幅提高。心中有底的美国空军和海军在1983年1月联合与GE公司签订研发合同。美国空军向普惠公司和GE公司发出正式合作建议征询书,对新一代发动机的可靠性做出了具体而严格的要求。1984年2月,美国空军决定,按照一定的比例同时采购普惠公司的F100-PW-220和GE公司的F110-GE-100。

F100-PW-220是普惠公司痛定思痛之后拿出的诚意之作,其采用了部分重新设计,同时采用了大量提高可靠性的新技术,完成了空前的4000个循环的加速任务试验(等于平时使用9年)。最终考虑到后勤保障的通用性和连续性,美国空军依然大批量采购F100-PW-220及其后续发展型号。

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F110-GE-400 发动机的改动之处。

F110系列的优势则在于高可靠性、大推力和低成本。F110-GE-100的加力推力为12.46千牛F100-PW-220仅为10.572千牛。因此,F-16和F-15E的大部分后期型号多采用F110系列的F110-GE-129(加力推力12.9千牛)和F110-GE-132(加力推力14.30千牛),以便在起飞重量和飞行阻力不断增加的情况下,尽可能保持原有的飞行性能。而就成本来说,F101、F110、F108和CFM56等不同类型的几大系列发动机都采用相同技术源头的核心机,这一点是F100难以企及的。

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1986 年的 F-14B 原型机,安装 F110-GE-400 发动机,测试结果是皆大欢喜。

从普惠公司一家独大到GE公司抢食一杯羹,再到如今很多用户点名要求采购的F-15和F-16战机装备F110发动机,这本身就是GE公司的胜利。除了F110系列大推力涡扇发动机,GE公司还有享誉世界的F404/F414中推力涡扇发动机系列、T700涡轴发动机系列、LM2500燃气轮机系列以及大型飞机装备的CFM56和CF6系列大涵道比涡扇发动机系列。这一切使得GE公司赢得“第一次发动机大战”的胜利更像是一场锦上添花的意外之喜。

纵然GE公司研制的YF120发动机败于普惠公司的YF119,输掉了为F-22配套的“第二次发动机大战”,甚至已经规划好的F-35备用发动机F136被美国军方砍掉,也未对GE伤筋动骨。GE公司发动机可靠性好、性价比高的印象已经树立在众多客户心里。GE还掌握着“变循环发动机”和“自适应循环发动机”这两项当今世界最顶尖的喷气式发动机技术,并已经接近实用阶段。

由此,笔者认为,美国第五代军机“发动机大战”胜利者的桂冠很可能会戴在GE公司的头上,他们一直在为赢得未来而努力。

对中国航空发动机工业的启示

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F100-PW-220 发动机的主要改进措施。

对于中国航空发动机工业来说,普惠公司与GE公司之间两次“发动机大战”的精彩对决几乎是一个遥远的神话,但其中的经验仍值得中国借鉴。

在中国航空工业最初的规划中,航空发动机生产和研制单位都是依附于飞机生产和研制单位存在的,前者的主要任务就是为后者配套。当时不要说航空发动机,连军机项目也不存在竞争。只是到了改革开放之后,中国航空工业开始成立集团公司,原有的格局才逐渐被打破。但是,航空发动机工业依然是条块分割、各司其职,比如战斗机用的大推力涡喷/涡扇发动机只有沈阳的606所和黎明公司才有研制、生产能力。因此,为歼10配套的“太行”发动机才会交给这两个单位负责,而原本为成飞配套的成发只能生产中推力涡喷/涡扇发动机。缺少了竞争,从设计、研发到生产就很难产生活力和动力。

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F100-PW-100 的尾喷管。

事实上,今天为大家所熟知的歼10和歼20,其最初的设计方案就是通过不同研制单位之间的竞争脱颖而出的。尤其是歼10设计方案的诞生过程,在前不久缅怀故去总师宋文骢的回忆文章中提到过很多次。

从美国的经验来看,提高航空发动机的第一步是引入高水平的竞争。如果说以前我国航空发动机工业基础薄弱,无法形成相互竞争的规模,那么到了今天已经具备了形成几大航空动力集团竞争的局面。目前,国家已经有意将航空发动机工业从航空工业中独立出来,从而使其获得更为有力的支持。以此为契机,原本被割裂在全国各地的航空发动机科研院所和生产企业如果能够实现根本上的资产重组、资源整合,其带来的产业提升将无可限量。

笔者认为,美国有普惠公司和GE两大发动机巨头,那么我国航空发动机工业也可以形成南北两大动力集团。北方航空动力集团以606所和黎明为龙头,南方航空动力集团以624所和011基地为龙头,分别整合包括加力涡扇发动机、大涵道比涡扇发动机、涡轴发动机、涡桨发动机以及燃气轮机等在内的科研、生产资源,从而形成良性有序的竞争环境,从根本上解决可靠性问题。

其次,航空发动机的研制周期长、风险高,国内用户需要给国产航空发动机必要的成熟期。而一旦一款核心机成熟,其衍生型号足以满足一代甚至是两代军用飞机的需要。这会进一步降低新型航空发动机研制的风险,也为全新的航空发动机研发争取时间。

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F110-GE-100 的尾喷管。

以F100-PW-100为例,尽管其让美国空军吃尽了苦头,一度迫使F-15A/B全面停飞。但是,美国空军还是坚持大批量装备和使用该发动机,为的就是让其尽快成熟起来,改善、提高可靠性。从1974年到1980年,美国空军总共装备了1200余台F100-PW-100发动机、累计飞行超过42万小时。到了1985年,服役的F100-PW-100发动机超过3500台,累计飞行小时近200万。正是这种惊人的飞行小时数积累,才使得普惠公司找到了真正解决可靠性的途径,并由此推出了“脱胎换骨”的F100-PW-220。

反观国产“太行”发动机,从2005年12月设计定型到目前为止已经10年有余,实际装备部队的数量仍然很有限,这一点并不利于发动机的尽快成熟和可靠性提高。虽然一型发动机通过设计定型意味着其达到了指标考核要求,但是很多问题还是要批量生产服役并且经过长时间、高强度使用后才能发现。

还是以F100-PW-200/220为例,直到其大批量服役的1999年发生一起F-16坠毁事故后,美军对装备改型发动机的战斗机全面停飞检查才发现其压气机某一级静子叶片出现裂纹。美国空军耗资2600万美元将所有F100-PW-200/220压气机的这一级静子叶片进行更换,避免了更多类似事故的发生。这对于当今中国航空发动机工业及其用户来说,应该有所启示。

(“讲武谈兵”是由现代兵器杂志社资深编辑黄国志为澎湃防务开设的个人专栏,以客观严谨的态度,辅以活泼精炼的语言,力图“破除防务迷雾”,为读者更好地认识我国与国外在装备技术上的差距提供参考和借鉴。每周一或二倾情奉献。)

运营人员: 卢立志 MZ017

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      2016/4/20 12:27:50

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