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变循环发动机的空中魔术(下):F136输了现在赢在未来

  冷战结束后,由于苏联威胁的消失,美国开始着手于削减军力,但同时,美国空军需要填补F-22采购量削减后战机数量的空缺,美国的盟国也需要更新自己的空军机队。为此,美国启动了联合攻击战斗机(JSF)计划,即F-35战斗机。

  在JSF竞标过程中,洛马公司的X-35最终击败了波音公司的X-32。美国空军明白,为了托举起这个史上最重的中型战机,所需要的是一颗异常强劲的“心脏”。因此,国防部迅速向普拉特·惠特尼公司(PW)和通用电气公司(GE)下达了研制订单。其中,PW推出的F-135发动机直接沿用了F-22战机采用的F-119发动机的核心机,而GE公司则邀请了一家英国航发巨头罗尔斯·罗伊斯(RR)参与研发了F-136发动机,它沿用了一部分F-120发动机和F-110发动机的技术。PW,GE和RR被称为世界航空发动机的三驾马车,它们在民用发动机的市场份额总和超过了90%,军用发动机性能也大幅领先第二集团。它们的产品无疑令人期待。

  在F-136项目中,GE持有60%的股份,而RR持有剩余的40%。GE打算结合变循环技术的深厚积累,再加上RR的外援,一举扭转在新一代军用发动机上的颓势。

  GE和RR在2003年完成了F-136的初始设计,在2005年8月获得了美国国防部24亿美元的拨款,研发步入了正轨。 GE和RR公司研制F-136有3种改型,包括为常规起落的F-35A研制的F136-GE-100,为短距离/垂直起降的F-35B研制F136-GE-600,以及为作为航母舰载机的F-35B研制的F136-GE-400。

  通过长期变循环技术的研发,GE公司已经发展出了不同于前几代完全靠改变几何形状的变循环技术,即变循环发动机——可控压比发动机(COPE),也就是后来的自适应循环(ADVENT计划)发动机。

  传统的发动机大体来说是一种固定的几何结构,中篇讨论的F-120通过了活门手段实现了两种模式之间的转换,而变循环发动机减少了上一代F-120发动机的活门数量(但F-136的涵道比是固定的,这点相对于F-120的设计来说较为保守),转而选择了通过调整风扇的转速、间距等参数来实现发动机内空气的压比可控。由于发动机的推力几乎与压比成正比,所以发动机通过这种方式提供了不同工况条件下的推力变化,不仅更省油,而且减少了机械结构重量,继续提高了推重比。不过这一切工作都是以GE公司对发动机压气机的充分研究(遥遥领先于其他任何公司)、先进的数控系统和两家公司对高温合金研究的积累为前提的。

  F-136还有个巨大的亮点。在传统的发动机上,第一级低压涡轮和最后的高压涡轮有一个引导气流的导向器叶片,基于对数控系统和发动机内气流研究的积累,F-136上取消了这一部件,简化了机械结构和冷却结构,让发动机更紧凑,热损失更少。

  通过这一系列的措施,F-136的最大推力达到了178千牛,超过了当时也处于试验阶段的F-135,成为了人类历史上推力最大的涡扇发动机,其推重比更是超过了11。

  但GE和RR的前沿技术也成为了F-136项目的杀手。尽管两家技术积累已经非常深厚,但简化的结构产生了隐患,在试验过程中产生了气流不稳定的现象。美方认为F-136在正常条件下的性能无可比拟,但在恶劣工况下的安全性不佳,这对于单发战斗机来说是致命的。而且,由于F-135与F-119使用了相同的核心机,部分零件甚至可以互换,方便美军的维修和采购。因此,采用了保守技术的F-135最终战胜了F-136成为了JSF独家供货商。

  另外,部分原因也对这一结果产生了影响。由于美国国会部分议员不太希望军品利润和技术流入其他国家(即便是铁杆盟友英国),故而对F-135更为青睐,以至于时任英国首相曾表示:“F136的落选将会影响英美伙伴关系!”

  尽管经过了两个项目的失败,但是美国并没有放弃变循环发动机的研发。而且,业内普遍认为美国下一代战斗机的心脏必定是变循环发动机,美国空军研究实验室在2012年也分别与PW和GE签订了“自适应发动机技术发展”计划,并获得了拨款。GE公司近年来在陶瓷基复合材料(CMC)上取得的巨大成果(CMC的使用预计能使F-414的最大推力从9.8吨提升到12吨!),以及几十年来对于数控系统和变循环发动机的研究,使得GE迅速拿出了该计划的样机。从下图可以看出,该样机使用了F-110系列的尾喷管。

  作为全球航空动力研究毋庸置疑的领导者,美国在传统发动机已经大幅领先于世界的情况下,仍然拨巨资进行变循环发动机的开发,试图追求新的突破,不仅进行了深厚的技术积累,还进一步扩充了本就非常雄厚的研制团队。尤其是,在传统发动机赢得大单之后,美国政府、军方以及相关公司依然没有放弃变循环发动机的研制计划,企业仍然自筹资金进行研发,政府随后也提供了财政支持。这种重视基础研究、鼓励技术创新的精神无疑值得我们学习!诚然,科学研究需要巨量的资金投入,但是应急式投入与研发是远远不够的,只有持续的巨量资金投入才能巩固基础研究与技术积累。有的时候,甚至还需要一些略显固执的执着。

  不过,我们也不必因此妄自菲薄。我国近年在高超音速飞行器上使用的组合冲压发动机(将亚燃冲压和超燃冲压发动机组合)已处于世界第一梯队,从某种意义上说这也是一种变循环发动机。去年中航工业也传出了消息,我国已成功研制用于战斗机的、推重比达12-13、未来推力超过16吨的变循环核心机。虽然目前还不清楚该型机采取什么方式来实现热力循环的改变,但相信不久的未来能够见到我国的战机搭载自己的“可变心脏”在空中翱翔!


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