F-35的「超級心臟」 史上最大推力發動機F135

  


　　美國《空中打擊》網站近日報道，普惠公司日前交付了首台STOVL生產型F135發動機，F135發動機項目研製也隨之基本完成，這標誌著這一史上推力最大的軍用加力渦扇發動機即將服役。那麼F135研製歷程如何?為什麼堪稱史上推力最大的軍用加力渦扇發動機?


　　史上推力最大的軍用渦扇發動機

　　在經過13000多小時的性能測試之後，2010年年初普·惠公司向美國空軍交付了第一台F135-PW-100第四代渦扇發動機用於裝備F-35 常規起降型(CTOL，後面都使用該簡稱)作戰飛機。而根據美國《空中打擊》網站近日報道，普·惠公司日前交付了首台短距起飛/垂直降落(STOVL，後面都使用該簡稱)生產型F135發動機，標誌著該型發動機正式由研製階段進入生產階段。

　　普·惠公司對這一里程碑事件高度評價，認為F135發動機的成就是歷史性的，確保了公司在最先進的軍用航空發動機技術方面處於領先地位。目前普·惠公司已經交付了全部11台F135飛行試驗發動機，其中也包括首台STOVL型F135發動機。2010年也因此成為F135發動機項目極具紀念性意義的一年，標誌著整個項目研製工作即將完成。F135是繼F119-PW-100發動機裝備隱身戰鬥機F-22之後，世界上第二個推重比大於10的戰鬥機動力系統，也是人類航空史上推力最大的軍用加力渦扇發動機。

　　F-35項目牽引F135發動機計劃

　　洛馬擊敗波音，F-35項目啟動

　　1993年，美國國防部進行了聯合打擊戰鬥機項目論證，在國會的支持下，項目發展迅速，同年12月，根據美國防部的要求，波音公司和洛克希德·馬丁公司分別組織一個競爭團隊參與聯合打擊戰鬥機項目的競標。美國的戰鬥機研製過程分為：概念驗證階段、概念實證階段、工程製造與發展階段三個階段進行。 1995年、1997年和1998年美國發布了第一、第二和第三階段聯合暫時性需求文件制訂出聯合打擊戰鬥機的概念設計。



　　此後，聯合打擊戰鬥機項目進入驗證機對比試飛階段，波音公司設計了大三角翼、一對傾斜式尾翼而無水平尾翼的X-32，洛克希德·馬丁公司設計了採用常規布局的X-35，兩個驗證機進行了大約三年的對比試飛。在2001年10月26日，聯合作戰飛機的競標結果揭曉，洛克希德·馬丁競爭團隊的X-35擊敗波音競爭團隊的X-32，成為新一代美國海、空軍和陸戰隊的通用多用途五代機，並改稱為F-35聯合打擊戰鬥機。F-35戰鬥機分為三個改型系列，分別為：常規起降的F-35A型、垂直起降的F-35B型和艦載機F-35C型。

　　F135發動機因F-35的需求而啟動

　　在聯合打擊戰鬥機項目驗證機研製之時，世界上唯一可以滿足戰鬥機性能要求的發動機就是普·惠公司研製的F119-PW-100發動機，F119-PW-100也是人類歷史上第一型推重比超過10的航空動力系統。由於兩家競爭公司對飛機的要求不同，從而要求普·惠公司研製2種略有不同的F-119改進型以滿足每個競爭者各自的需要。波音型F-119發動機的代號是JSF/119-SE614，洛克希德·馬丁型的代號是JSF/F119-SE611。



　　這兩種型別的發動機之所以要存在這些差異，主要是因為兩個JSF機體製造商所採用的垂直升力系統方案有所不同。波音公司採用了類似海鷂戰鬥機的多個矢量噴管下偏垂直起飛方案，整體來看比較複雜。X-32使用多個引氣管道將發動機燃燒室出口燃氣引出到位於飛機重心位置的向下噴管提供垂直起降的主要升力，另外由數個小引氣通道將發動機風扇和加力燃燒室的氣流引出為飛機提供升力補充和姿態控制。

　　而洛克希德·馬丁公司的X-35採用了發動機主軸驅動的升力風扇+發動機噴管下偏來實現垂直起降。洛克希德·馬丁公司使用的發動機 JSF/F119-SE611採用了軸對稱噴管，能夠垂直下偏提供主要升力。既然驗證機採用了以F119-PW-100發動機為基礎的改進型號，在F- 35被確定贏得聯合打擊戰鬥機合同之後，動力系統沿用原來的發展思路就成了水到渠成的事情，這就是F135發動機項目的開端。



　　F135的研製發展歷程

　　F135發動機是為洛克希德·馬丁公司F-35飛機研製的,有3種型別,即常規起落型F135-PW-100、艦載短距起落型F135-PW- 400和STOVL型F135-PW-600。主合同商PW公司負責F135主發動機的研製和系統集成。分合同商RR公司負責軸驅動的升力風扇、三軸承偏轉噴管和滾轉噴管的研製。Hamilton Sund-strand公司、挪威的VOLVO航空公司(VAN)、Ducommun Aero Structure(DAS)公司、Unison工業公司和丹麥IFADA/S公司也參與了F135發動機的研製。

　　F135發動機於2002年5月成功地通過了初步設計評審,2003年5月成功地通過了關鍵設計評審。2003年9月,第1台F135生產型發動機組裝工作完成。2003年10月,F135 CTOL型發動機(FX631發動機)開始進行地面試驗,檢查了發動機是否有液體泄漏、從地面慢車到空中慢車間的油門特性。2003年11月8日,PW公司第1台F135 FX631生產型發動機首次進行加力試驗。2008年11月25日，普·惠公司F135發動機成功完成首次超聲速飛行，飛行的最高速度達馬赫數1.05。截止到2007年底，F135推進系統完成了3600小時的方案驗證試驗、8500小時的系統驗證試驗，垂直起飛推進系統試驗了4300小時和19次飛行試驗。此後常規起落型F135-PW-100於2010年年初正式定型，獲得服役許可。STOVL型F135-PW-600也在最近完成研製開始投產。



　　承接F119優異設計：先進技術實現卓越性能

　　先進的設計與技術

　　F135發動機是F119發動機的衍生型。F119發動機由3級風扇,6級高壓壓氣機、帶氣動噴嘴、浮壁式火焰筒的環形燃燒室、單級高壓渦輪、高壓渦輪轉向相反的單級低壓渦輪、加力燃燒室與二維矢量噴管等組成。整台發動機分為:風扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管和附件傳動機匣等6個單元體，另外還有附件、FADEC及發動機監測系統。其加力推力155.7千牛，中間推力105.0千牛，總壓比35，涵道比0.3，渦輪前溫 1850-1950K，最大直徑1.13米，長度4.826米、重量1460千克。

　　F135發動機採用與F119發動機基本相同的核心機。為提高推力，增加了發動機的空氣流量和涵道比，提高了發動機的工作溫度;為了獲得短距起飛和垂直著陸能力，垂直起降型增加了新穎的升力風扇、三軸承旋轉噴管、滾轉控制噴管。其3級風扇採用超中等展弦比、前掠葉片、線性摩擦焊的整體葉盤和失諧技術,在保持原風扇的高級壓比、高效率、大喘振裕度和輕質量的同時,將風扇的截面面積增加了10%-20%。6級壓氣機與F119發動機的基本相同。

　　燃燒室在F119發動機三維高紊流度、高旋流結構的浮動壁燃燒室的基礎上,採用了高燃油空氣比燃燒室技術,在提供小的分佈因子和所要求的徑向剖面的同時,滿足了效率目標。高、低壓渦輪採用對轉結構,「超冷」高壓渦輪轉子葉片和導流葉片採用計算流體力學(CFD)方法設計,利用高溫材料(可能為CMSX-4鑄造合金)鑄造,已在改進的F119發動機上得到驗證,在提高耐久性的同時,能夠明顯提高工作溫度(約為110℃)。低壓渦輪增加1級,變為2級,以適應增大的風扇帶來的驅動負荷。

　　F135發動機推比10.5、加力推力18噸級別、軍推13噸級別、質量1700千克，其18噸的加力推力目前沒有任何實際裝備戰鬥機的加力式渦扇發動機能夠企及。不過值得一提的是，F135相對於F119雖然推力大幅度提高，但是實際上是在同樣核心機基礎上用流量、高速性能換推力。F135雖然推力超群，但是其高速性能卻是下降的。



　　合理的垂直起降設計

　　STOVL型F135-PW-600為了滿足垂直起降要求，設計了升力風扇+發動機噴管下偏+調姿噴管的垂直起降動力方案。升力風扇由涵道、風扇、 D形噴管、聯軸器、作動裝置和伺服系統組成，由主發動機F135的2級低壓渦輪驅動;升力風扇直徑為1.27m，可以向前偏轉13°，向後偏轉30°，在 STOVL工作狀態下使戰鬥機上方的冷氣流以230kg/s的流量垂直向下噴出，產生90千牛的升力;3軸承偏轉噴管垂直向下偏轉(最多可偏轉95度，可左右各偏轉10度)，產生71.1千牛的升力;該噴管可使發動機的排氣從水平偏轉到垂直甚至向前，可以使推力從水平方向偏轉到垂直向後。

　　此外，每側翼根處的滾轉控制噴管利用發動機壓氣機的引氣，也可提供16.7kN的推力;在控制桿端的噴管差動地打開和關閉，實現滾轉控制;通過偏轉噴管偏航實現偏航控制;通過升力風扇和發動機推力分離器實現俯仰控制。包括主發動機在內的整個推進系統的長度為9.37m，懸停總推力為175.3千牛，短距起飛推力為169.5千牛。



　　F135技術水平領先世界一代

　　歐洲和俄羅斯的新銳發動機推重比均不到10

　　繼F119-PW-100發動機之後，美國研製成功的F135系列大推力渦扇發動機證明了美國依然是世界航空領域整體實力絕對第一的動力強國。目前世界公認的推比10一級的渦扇發動機有：歐洲合研羅羅公司的EJ200中推渦扇發動機、法國M88系列中推渦扇發動機、前蘇聯AL-41F大推力渦扇發動機和美國的F119(包括F135系列)和F120系列發動機(包括F136系列)。

　　雖然這些發動機型號都號稱推比達到了10一級，但是目前推比達到10的發動機系列只有美國的F119和F120系列，而只有F119和F135系列完成研製正式投入使用。歐洲的EJ200和M88系列發動機推比只能達到9左右，而俄羅斯號稱推比過10、加力推力17噸的AL-41F發動機僅僅完成 30%就隨著前蘇聯的解體而中斷，至今俄羅斯僅僅研製成功了推比8一級的117S發動機。

　　F119系列發動機(F135屬於F119發動機衍生型號)能夠完勝世界上其他國家的航空發動機，主要源於其先進的總體設計、高循環參數和尖端的材料工藝水平。目前推比10一級發動機中，F119-PW-100是唯一一個採用3611(三級風扇+六級壓氣機+單級高壓渦輪+單級低壓渦輪)總體設計的渦扇發動機，而EJ200和M88都比F119-PW-100增加了一級壓氣機，而且即便在葉片級數多於F119的情況下，壓比和喘振裕度也未見接近 F119的氣動設計水平。而F119採用的第三代單晶葉片和雙性能渦輪盤又賦予了F119發動機極高的循環參數水平，達到了1900K以上甚至超過了 2000K。極高的循環參數賦予F119烈焰洶湧的驅動力和高燃燒效率，這樣就使得F119發動機在性能提升的前提下，單位耗油率卻保持了較低的水平，為 F-22戰鬥機能夠超音速巡航做出了不可磨滅的貢獻。

　　美國雄厚的航空工業基礎

　　而為總體設計方案和高循環參數做基礎的是美國極為雄厚的航空材料和工藝水平。採用線性摩擦焊接技術的鈦合金寬弦空心葉片、六級鈦合金整體葉盤壓氣機、雙層浮壁高溫升短環型燃燒室、採用第三代單晶葉片和兩種熱處理技術的高低壓渦輪、採用兩種不同材料鍛造而成的雙性能粉末冶金渦輪盤以及第四代雙余度全許可權數字電子控制系統無一沒有採用目前航空動力領域最先進的材料和工藝技術。

　　集大成的F119發動機為F135發動機提供了一個堅實的改進基礎，F119為了保證高速性能從而採用了較小的涵道比，而F135為了追求大推力增加了涵道比、放大了流量，充分釋放了核心機的驅動潛能。其軍推已經達到13噸的級別，這已經是YF119加力推力的水平(由於F-22戰鬥機增重，曾經導致F119發動機推力從13噸級別增加到15噸)，而18噸的加力推力足以讓同類大推力渦扇發動機汗顏。F-35戰鬥機空重雖然達到了重型機標準的13 噸，但洶湧澎湃的推力使得整機推比依然相當優秀，避免其成為「笨拙的胖子」，也使F-35成為世界航空史上少見的單發重型機。

　　結語：

　　美國航空動力系統研製之所以能夠一直保持世界第一的位置，主要是得益於軍方和政府對於航空發動機預研計劃持之以恆的投資和合理的遠景規劃。從上世紀五十年代開始的核心機預研計劃，至今已經發展出7代核心機，而F119的核心機僅僅是當中的第四代。美國航空動力工業的技術潛力可見一斑。

　　中國在三十年前也逐漸開始學習美國的預研科研體制，開始了自己的核心機預研計劃，但由於起步晚，經驗和工業基礎不足，至今未能拿出一款大規模實用的核心機型號。目前中國五代機殲20已經首飛，計劃配裝五代機的WS15發動機在研製進度上已落後於飛機本身，核心機預研落後的造成的「心臟病」仍在困擾著中國空軍。