核心机之路　第四代大推力军用涡轮风扇发动机发展（上）

自上世纪40年代涡轮喷气发动机诞生以来,大大促进了飞机飞行速度、高度和航程的增加,获得了巨大的军事和经济效益。世界上的航空发达国家执行了一系列航空发动机技术基础研究计划,推出一代又一代先进军民用发动机,跨上了一个又一个技术新台阶。在短短不到60年的时间内,代表涡轮发动机综合性能水平指标的推重比已由当初的2提高到10一级,军、民用航空发动机性能水平得到了持续不断的提高。航空发动机行业已成为世界航空强国的军事工业和国民经济的支柱产业。

航空发动机不仅仅是性能与结构的堆砌,更反应出一个国家航空动力产业的科研基础和工业实力,其中涉及到研制思想的转变、工艺材料的进步、设计方法和设计平台的改进以及航空发动机型谱体系构建方法等没有在单个型号上直接体现出来的潜在因素,这些才是决定一个国家航空发动机产业扬帆驶向何方的灯塔。笔者在关注航空发动机,尤其是大推力军用涡轮风扇发动机的过程中,收集到了大量的专业书籍和科研论文,慢慢了解到了航空发动机研制背后的故事。本文就是对大量涉及到第四代大推力军用涡轮风扇发动机发展专业资料的重新整理、归纳和总结,并加入了笔者一点点浅薄的观点,为了不使个人的观点影响到论述军用大推发展的客观性,笔者尽量只是对科研资料进行重新归纳和整理,保持科研资料在客观事实和观点上的完整性。特此代表业余关注、热爱祖国航空动力事业的朋友们,向这些科研资料的作者、整理者、收集者表示衷心的敬意和感谢。

在现代战斗机设计中,首先要确定的就是发动机的推力级别、推力曲线特性和推重比,因为发动机的性能决定了战斗机的设计概念和性能用途,没有合适的发动机型号通常都会对战斗机设计和装备产生致命性的影响,从而导致整个空军战术体系不完整或效能低下,而一款性能先进、可靠性优秀的航空发动机也可以让战斗机性能“化腐朽为神奇”。大推力军用涡轮风扇发动机是所有军用航空发动机中推力级别最高,研制技术难度最大和在型谱发展中最核心的发动机类型,直接影响到双发重型战斗机,单发中型战斗机的研制、装备和性能,从而关系到航空兵争夺制空权、中距拦截和远程精确打击等等关键战术实力的形成;其改进出的大涵道比涡轮风扇发动机又通常是战略轰炸机、战略运输机和大型客机的首选动力,因此其还对国家战略威慑力、打击力和民用航空发展乃至国民经济产生深远的影响。

大推力涡轮军用风扇发动机通常是轴流式、小涵道比、混合排气、加力推力超过10吨的涡轮风扇发动机,其概念和结构发展经历了较长的历史发展后,已经基本成熟并日趋完善,第三、四代涡扇大推将是未来各国空中力量的主要动力。

群雄并起

从二战结束到21世纪初的半个多世纪以来,喷气战斗机大致经历了4次更新换代,其中第1代已全部退役;第2代在英、美全部退役,其它国家还在部分使用;第3代为世界各国现役主战机种;第4代战斗机已开始小批量装备部队。与战斗机对应的燃气涡轮发动机也被划分为4代,目前大量服役中的战斗机发动机的推重比已从2提高到7～8,不加力耗油率已从1.0～1.2kg/(daN·h)下降到0.6～0.7kg/(daN·h);推重比达9～10的发动机已小批投入使用。

民用大涵道比涡扇发动机的最大推力已超过50000daN,巡航耗油率从50年代涡喷发动机1.1kg/(daN·h)下降到0.55kg/(daN·h);正在研制中的齿轮传动的涡扇发动机涵道比达11,油耗再下降9%。功率为1000kW左右的涡轴发动机的单位功率从150kW/(kg/s)提高到近300kW/(kg/s)。在性能提高的同时,发动机可靠性和耐久性也有很大改善。军用发动机空中停车率一般为0.2～0.4/1000发动机飞行小时,民用发动机为0.002～0.02/1000发动机飞行小时。军用发动机热端零件寿命为2000h,民用发动机的热端寿命为20000～30000h。

特别在涡轮风扇发动机方面,从20世纪50年代开始各国相继研制了100余种各种类型的航空涡扇发动机,每一种发动机又派生出不同型号的发动机,推力从67daN到56893daN(GE90-115B,127900磅),涵道比从0.2到11,从而满足了各种不同用途飞机的需要。

当前西方航空发达国家特别是美国,在航空武器装备和技术水平在世界上处于领先地位,并带领着航空发动机技术发展和新装备(型号)研制的方向。从装备的发展方面,美、英俄等国现役的主力机种都是第三代军用飞机及其发动机,飞机如F-15、F-16、F-18、幻影2000、MIG-29、SU-27等,发动机如F-100、F-404、F-110、M-53、РД-33、AL-31等,而且这些飞机和发动机都在不断改进改型,以提高其性能水平。法、日、印、韩等国是二、三代并存,以第三代为主。这些国家都正在积极发展和推进全新研制的第四代飞机和发动机,飞机如F/A-22、F-35、“台风”、阵风、米格1.44或者是苏-47等;发动机如F119、F135、EJ200、M88-Ⅲ、АЛ-41Ф等,这些飞机和发动机已开始陆续装备部队。

美国在航空发动机研制方面比英国和德国晚了5～8年,但由于航空技术基础好,国家的技术和经济实力强,而且二次大战后成为两大对抗阵营之一,不惜在军备和航空装备上投入大量人力、物力和资金,在经过引进和仿制过程后,很快转入了自行研制的道路,并在世界航空发动机技术方面处于领先地位。目前已形成庞大的航空发动机研究、发展和生产体系,能独立研制和生产品种齐全、推力(功率)级配套的军民用发动机。

英国是世界上最早研制成功航空发动机的国家之一,后来虽因国力有限,失去了在航空发动机技术领域的全面优势,但在民用涡扇发动机和垂直起落动力装置等技术方面仍处于世界一流地位。经过几次合并,从1966年开始英国的航空发动机工业已经完全集中到罗·罗公司。在军用发动机领域,针对欧洲合作研制战斗机的要求,重点发展8000～10000daN推力级的加力涡扇发动机,如RB199和EJ200;这两种发动机分别是西欧三国和四国联合研制和生产的,罗·罗公司均作了全面的技术准备,例如罗·罗公司为EJ200发动机研制了XG40技术验证机并在合作中负责高压核心部分。

在民机方面,除独立改型研制RB211系列发动机使之能与美国两大公司的大涵道比涡扇发动机抗衡外,还参与五国联合研制的V2500工作,负责十分关键的高压压气机部分。在技术途径上,从70年代开始,借鉴美国的核心机技术发展途径,实施了高温涡轮验证装置HTDU(HighTemperatureDemonstratorUnit)和XG系列验证计划,注意通过早期技术验证减少型号研制风险,因而罗·罗公司仍不失为世界三大发动机公司之一。

法国是早期航空发达国家,由于在二次大战时被占领,战后航空工业瓦解殆尽,其航空发动机工业是从战后从头开始搞起来的,因而大大落后于美、英。经过引进和改进改型,从60年代后期开始,在继承和创新相结合的方针下走上了自行研制涡扇发动机的道路。目前法国航空发动机工业由斯奈克玛、透博梅卡和微型涡轮发动机三家公司构成,另有一个发动机研究与试验中心――萨克累发动机试验中心。1945年法国着手恢复航空工业,为保持独立军事力量和外交政策,把技术力量和财力集中于喷气战斗机发动机,在为飞机选择发动机方面,法国政府坚持“宁愿自己的水平低,也不买外国发动机”的政策,从而促进了法国自身航空发动机技术的发展。

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