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发动机大战 普惠F100和通用电气F110的恩怨情仇
2018-3-2 1:35:00           作者:空军之翼

1968年美国空、海军空中优势战斗机计划要求大幅度提高发动机推重比和改善进气道与发动机的匹配性。同时美国国防部作出了采用同一个核心机发展两种发动机的决定。美国空、海军在1968年4月联合提出了一项为期18个月的初始工程发展计划,要求普惠和通用电气各制造和试验一台验证机,发动机的核心要能同时满足空、海军的要求。

普惠以JTF22核心发动机为基础,为发展空、海军用的两种发动机进行投标。JTF22是在JTF16验证机基础上发展的,在1969年7月首次运转。1970年3月普惠在于通用电气 1/10的竞争中获胜者,空军型正式编号为F100,海军型编号为F401。F100的推力比较低,不过大修间隔时间较长,F401着眼于航母操作的需求,紧急最大推力的需求较大。两个型号只有燃烧段(也就是核心段)是相同的,其他包括风扇直径,加力燃烧室,尾喷管与其他主要次系统都无法互换。

1970年4月美国空军与普惠签订2.75亿美元的“成本加奖励”合同。该合同规定若成本超过或低于合同,则超过或低于部分由空军和公司按90∶10比例分摊。但后来由于实际费用超过计划费用很多,在1971年7月增加合同金额1.22亿美元。对用于飞行试验和生产型发动机则按“固定价格加奖励”的办法,空军和公司之间按75∶25比例分摊。F100发动机用于研制的费用为4.75亿,用于部件改进的计划费用约6.66亿。这样,该发动机从开始研制到1984年15年内总计花费11亿美元。

可靠性问题

70年代正值美国空军在越战中获得的空战经验受到强大冲击,以及苏联的新型战斗机不仅在数量上超过美国,也会拉进与美国现役战斗机(主要是F-4)性能上的差距。当F100于1970年3月展开全面设计工作,并且于1972年7月首次试飞时,普惠并未预料到该发动机在材料与先进科技运用上需要更多的时间来完成测试与产品成熟化,而海军的放弃采购使得采用该发动机的F-15计划受到很大的压力。为了让新飞机可以准时服役,美国空军决定在测试完成前就同意F100进入量产,然后普惠边生产边完成所有预定的测试项目。

1974年11月F100发动机正式进入美国空军服役,普惠严重低估了F-15A每架次飞行中的发动机动力循环次数,他们不了解“鹰”在战斗训练的机动飞行中油门的剧烈变化程度。F100的性能配合F-15的设计,让飞行员拥有大量剩余能量来强化飞机的机动能力。当飞行员处于不停变化的空战中,油门也频繁的在低与开加力之间来回移动。F100的高性能与快速反应,使得油门变化的频率远高于以往的战斗机,发动机受到的压力也远高于设计时的预估,结果F100-PW-100出现了大量问题,也成就了F-15战斗机经常性的"趴窝"。

F100F100

但该发动机的性能的确让空军飞行员赞不绝口,F-15的机动能力、加速性能与当时的主力战斗机F-4有天壤之别。F100除了提高美国空军对于夺取制空权的信心外,也促成更多新战术的研究与使用。

F100发动机首先要满足F-15“鹰”的需求,空军希望等到F-16服役时F100已经成熟可靠了。但是F-15的F100发动机遭遇到了持续的可靠性问题,两家主要分包商出现的劳工问题加重了事态的严重性。

F100早期发生最主要的问题有三项,分别是压气机叶片失速、涡轮段损毁、零件寿命远低于预期。

F100超过70%的停滞性失速是“硬”加力引起的,也就是说往往在飞行员最需要增加推力的时刻发动机却失去了动力。为了降低发生的机率,美国空军要求飞行员避免进入会产生停滞性失速的飞行状态,降低开加力的频率等。在遭遇停滞性失速时标准处置流程是先关闭发动机,让发动机降转,等涡轮温度降到红线以下就立即点火重启动。

YF-16首飞时并没有受到停滞性失速的困扰,但随着初始试飞的展开,安装F100早期型的一架YF-16遭遇一次停滞性失速问题,发生在飞机正常性能包线之外。随后又出现三次发动机停滞性失速,都发生在高空低速大迎角飞行中。生产型F-16首次遭遇类似事故的是比利时空军的一架F-16,当时飞机已接近性能包线的边界,幸运的是飞行员成功重启发动机并安全降落。F-16安装了一台喷气发动机燃油启动器,在10668米高度的话飞行员有足够的时间依靠冲压空气进行至少三次无辅助启动。虽然停滞性失速在重新启动发动机之后就会消失,只不过这个程序对于只有单台F100的F-16来说相当的危险,使得早期F-16因为发动机出意外的比例偏高。

此外美国空军要求地勤人员调低发动机的推力输出以进一步减少危险发生的概率。这项规定只限于和平时期,当战争爆发的时候,还是需要恢复发动机该有的性能。这么一来,F-15的地勤人员必须以手动方式调整每一具发动机,连新出厂的也不例外,造成额外的工作量与成本支出。令美国空军相当不满的是普惠的服务态度,普惠认为当初收到的设计规范与要求当中并未包含这个部分,而且停滞性失速也与飞行员的操作习惯有关系,不愿意免费提供解决的方案。双方的对峙闹到了国会,最终使美国空军后来与海军达成协议,利用原先预备为F-14更换发动机的经费,提出战斗机备选发动机(AFE)招标。

以F100之前的经验来说,操作2000小时下累积的热机循环次数大约为1765次,可是F100实际上累积次数高达10360次,这与频繁的油门从低到开加力有很大的关联。换句话说,F100并不是按这么高的热机循环周期设计的,所带来的负面效应也是前所未见的,诸如许多热端零件老化速率超过预期或者是出现上述的涡轮叶片断裂现象,使得普惠与F100饱受批评。虽然一位美国空军的工程师宣称他在F100设计阶段已经注意到这个问题,但没有受到应有的重视,不过普惠的反应是美国空军方面过度操作F100,并非他们的产品有问题。美国空军于1979年被迫接收没有发动机的F-15,连同当时问题重重的TF30发动机,美国海空军三大新机种:F-14、F-15和F-16都面临暂时停飞或没有发动机可用的问题。

解决方案

尽管美国空军与普惠之间的关系相当紧张,军方还是继续提供经费让普惠进行修改。

最初设计F100发动机控制系统时,普惠工程师意识到发动机吸入导弹燃气后可能会导致失速。于是在控制系统里增加了一个“火箭点火”功能来预防失速的发生。发射导弹时,向发动机核心和加力燃烧室供油的统一燃料控制系统就收到一个电子信号,同时发动机的可变定子叶片也改变角度以预防失速的发生,燃料控制系统暂时减少发动机的供油流量,尾喷口张大以减小加力燃烧室内的压力脉冲幅度。试飞表明“火箭点火”功能在发射导弹时并不需要,反而可以有效防止停滞性失速。

普惠提出使用数字式电子发动机控制系统取代原先的设计,不断监测发动机轴转速、涡轮温度、压气机定子叶片的角度,并对发动机进行微调以确保处于最佳性能。通过监测和比较转子转速和风扇排气温度,该单元能够感知到即将发生的停滞失速,并向燃油控制系统发送一个假“火箭点火”信号来启动上述的抗失速措施。

而“硬”加力引起的停滞性失速则使用不同方法来解决,为了防止压力脉冲波向前传导至风扇涵道,普惠研制了一个安装在内涵机匣前段的“近端分离器”。F100发动机风扇的进气一部分通过内涵机匣进入核心机,其余的通过风扇涵道进入加力燃烧室。近端分离器可关闭风扇后面的外涵道入口,使加力燃烧室压力脉冲波无法通过外涵道抵达风扇。安装了近端分离器的发动机在F-15上进行了试飞,但最后F-15的发动机没有采用这个设计,因为双发机在一台发动机失去推力时仍能保持飞行。单发的F-16都安装了近端分离器了。

美国空军同时也修改零件采购的方式和维修的细则,在两方配合之下,F100逐渐成熟稳定,成为相当出色的发动机。F-16机队每1000小时飞行遭遇0.15次停滞失速,大大优于F-15机队。

通用电气F110

吃过F100的苦头之后,美国空军深感为F-16寻求备选发动机的必要性。一方面是为普惠树立一个竞争对手来降低成本,另一方面是在普惠发动机出状况时,也有第二种选择。为寻求F-16和海军F-14“雄猫”的备选发动机,1984年国防部授予通用电气一份价值8000万美元合同,制造一3台用于试飞的F101衍生型战斗机发动机(DFE)。F101 DFE的设计基于B-1轰炸机使用的F101,但融合了F/A-18使用的F404发动机的一些特性。

该项目的目的:鉴定F101 DFE与F-16和F-14飞机/发动机在实际飞行中的匹配能力、性能和作战适用性;通过加速任务试验确定发动机的耐久性;根据验证的能力,提出生产型发动机的型号规范。

如果计划成功,那么将提供足够的数据,以使进入全面工程研制阶段的风险减到最小。

经过1980年和1981年两年的广泛试验,达到或部分超过了预期的目标。在F-16飞机上的试飞结果证明,F101 DFE无需作重大改进就可以装在这种飞机上使用。在F-14飞机上的试飞结果表明,飞机的留空时间和作战半径都比装原来TF30发动机的增加25%。在试飞中,发动机无需调整,并且油门杆的使用不受限制。在1982年12月的一次试验中,完成了5004个总累积循环(TAC),其热端部件寿命为当时新采购的F100发动机的三倍。

F110发动机F110发动机

基于上述结果,通用电气又得到了一项美国空军战斗机备选发动机(AFE)的全面研制合同,价值9300万美元,为期两年。发动机正式编号为F110,与普惠F100发动机的改进型竞争用于新生产的F-15和F-16战斗机。这项全面研制计划的重点是实现系统最佳化,确定供F-15、F-16和F-14用的F110发动机的最终构型,并继续进行高空模拟试验、加速任务试验和各种环境试验。

美国海军决定采用DFE来取代“雄猫”的TF30涡扇发动机,但是美国空军更进一步,于1984年2月按照双承包商采购策略,决定对F-15和F-16战斗机发动机的采购在F100和F110之间按一定比例分配。在1985年采购的160台中,75%为F110,25%为F100。从此,开始了一场发动机大战。

F110F110

与F101-GE-100发动机相比,F110有以下几方面的改变:风扇由2级改为3级,压比提高到3.2,直径减小到970mm,涵道比由2.01减到0.87;为适应低压转子转速提高,重新设计了低压涡轮;为满足战斗机机动飞行要求,设计过载提高到10;对控制系统作了改进,增加了备份装置;为适应F-14、F-16和特别是F-15飞机的机体,对外部尺寸、管线和防冰系统作了必要的修改;最后,也是很容易被忽略的一点,就是为了减轻重量而不牺牲耐久性,对核心机以外的几乎所有部件和系统都采取了减重措施。

F110-GE-129F110-GE-129

F110都使用在F-16机队上,F-15只安装F100。1985财年Block 30 F-16C/D开始安装F110发动机,从此之后美国空军购买的F-16中有75%安装通用电气发动机,剩余的安装普惠发动机。但是同个联队并不会装备安装有不同发动机的F-16,因为会增加备件和物流的成本。

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