方昌德

戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的前沿。在第二次世界大戰(zhàn)即將結(jié)束時(shí)，新問世的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)首先是在戰(zhàn)斗機(jī)上取代活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的。此后的半個(gè)世紀(jì)以來，戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)作為一些軍事和經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)的投資和開發(fā)重點(diǎn)，在技術(shù)上取得了巨大的進(jìn)展。

以戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要性能指標(biāo)推重比（發(fā)動(dòng)機(jī)推力與發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的重力之比）計(jì)，從40年代后期第一批實(shí)用的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的2～3提高到70年代的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的7～8，從而使戰(zhàn)斗機(jī)的推重比從04提高到11左右，大大提高了飛機(jī)的速度和機(jī)動(dòng)性，見圖一。60年代后期，加力式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于其不加力時(shí)耗油率低而加力時(shí)推力增加多，開始取代渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)而成為當(dāng)前戰(zhàn)斗機(jī)的主要?jiǎng)恿?，使?zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)半徑大幅度增加。

與此同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。翻修壽命從幾十小時(shí)延長(zhǎng)到1000多小時(shí)，而且采用單元體設(shè)計(jì)和視性維修，發(fā)動(dòng)機(jī)不用再定期拆下翻修，而是通過狀態(tài)監(jiān)視，保證其可靠安全。另外關(guān)鍵熱端零件壽命長(zhǎng)達(dá)4000～5000次工作循環(huán)。這些零件即使用到壽命時(shí)也可在機(jī)上作單元體更換，簡(jiǎn)化了維修，減少了備份發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。

推重比7～8的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是在70年代中期到80年代中期投入使用的。它們是當(dāng)前在役一線戰(zhàn)斗機(jī)上的主要?jiǎng)恿ρb置，其主要參數(shù)和用途見表1。

從80年代后期開始，主要航空國(guó)家通過對(duì)現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)改型，全新研制推重比10一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)和開展更為雄心勃勃的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研，以為21世紀(jì)戰(zhàn)斗機(jī)提供更為優(yōu)良的動(dòng)力裝置。

現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)改型

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功后有30～40年的使用壽命期。在此期間，除糾正使用中暴露的缺陷，改進(jìn)可靠性、延長(zhǎng)壽命和降低制造成本外，發(fā)動(dòng)機(jī)的研制人員大都要利用研究成果改進(jìn)改型，提高性能和擴(kuò)大用途。與全新研制相比，改進(jìn)改型具有投資少、周期短、風(fēng)險(xiǎn)小和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。例如，世界上第一臺(tái)推重比8一級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)F100－100剛投入使用時(shí)，因出現(xiàn)大量可靠性和耐久性問題，迫使F－15和F－16戰(zhàn)斗機(jī)停飛。后來改進(jìn)發(fā)展了F100－200，采用了長(zhǎng)壽命核心機(jī)，1985年投入使用后其壽命長(zhǎng)達(dá)4300次循環(huán)，相當(dāng)平時(shí)7年使用的壽命。接著，研制人員又在1991年改型的基礎(chǔ)上研制出F100－229，推力從104.30千牛提高到128.90千牛；推重比從718提高到79。近來，美國(guó)普·惠公司和通用電氣公司正在對(duì)目前一線戰(zhàn)斗機(jī)上使用的F100、F110和F404作重大改進(jìn)，使F100和F110的推力提高到160千牛以上；F404的推力提高到97.8千牛，推重比為90～95。其中F404的改型重新編號(hào)為F414，于本世紀(jì)未裝備F／A－18E／F投入使用。 與F404相比，F(xiàn)414的渦輪前溫度提高了83～167℃；空氣流量增加10％；部件效率提高了1～2％，并采用整體葉盤、多斜孔冷卻火焰簡(jiǎn)和帶光纖元件的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制系統(tǒng)。其推力有增長(zhǎng)到107千牛的潛力。

全新研制的推重比10一級(jí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

從80年代中期開始，航空發(fā)達(dá)國(guó)家開始為第四代戰(zhàn)斗機(jī)研制推重比10一級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，典型的第四代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求如下：

具有超音速巡航能力，飛機(jī)能在不開加力的條件下以馬赫數(shù)15～16持續(xù)飛行；

為飛機(jī)提供短距起落和非常規(guī)機(jī)動(dòng)能力，發(fā)動(dòng)機(jī)須具備推力矢量功能；

具有隱身能力，發(fā)動(dòng)機(jī)的紅外和雷達(dá)反射信號(hào)特征要盡可能?。?/p>

加力推重比達(dá)10一級(jí)；

零件數(shù)量減少40％～60％，可靠性提高一倍，耐久性提高兩倍；

壽命期費(fèi)用降低25％～30％。考慮到推進(jìn)系統(tǒng)壽命期費(fèi)用占整個(gè)飛機(jī)壽命期費(fèi)用的40％～50％，降低發(fā)動(dòng)機(jī)壽命期費(fèi)用具有特別重要意義。

新一代發(fā)動(dòng)機(jī)主要有美國(guó)的F119、西歐四國(guó)的EJ200、法國(guó)的M88和俄羅斯的AЛ－41Ф。經(jīng)過10多年的型號(hào)驗(yàn)證機(jī)和工程原型機(jī)研制，這些發(fā)動(dòng)機(jī)將在21世紀(jì)初投入實(shí)際使用；但俄羅斯的AЛ－41Ф因經(jīng)濟(jì)原因，進(jìn)度會(huì)往后拖延。

與推重比8一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度提高了250℃；達(dá)到同樣總增壓比的風(fēng)扇和壓氣機(jī)級(jí)數(shù)減少了3級(jí)；燃燒室采用包括浮壁結(jié)構(gòu)在內(nèi)的先進(jìn)冷卻方法；高、低壓渦輪均為單級(jí)且對(duì)轉(zhuǎn)；加力燃燒室為強(qiáng)旋流一體化設(shè)計(jì)，并安裝了推力矢量噴管（即推力方向可在上下或左右20°范圍內(nèi)變化）；采用了可靠性更高的第三代全權(quán)數(shù)字電子控制系統(tǒng)。其主要參數(shù)和用途見表2。

關(guān)于美國(guó)聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）的先進(jìn)短距起飛和垂直著陸動(dòng)力裝置，本刊已有報(bào)道，這里不再詳述。

21世紀(jì)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研究

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和發(fā)展周期很長(zhǎng)。新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)研工作往往要在型號(hào)研制之前約15年開始。因此，一些航空發(fā)達(dá)國(guó)家在80年代中后期就開始實(shí)施更為先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研計(jì)劃。其中規(guī)模最大、水平最高的要數(shù)1987年開始的美國(guó)綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃。其總目標(biāo)是到2003年驗(yàn)證使發(fā)動(dòng)機(jī)性能翻一番的能力。該計(jì)劃包括渦噴／渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦槳／渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和短壽命發(fā)動(dòng)機(jī)。

就戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其目標(biāo)為：

推重比翻一番，達(dá)到20；耗油率降低30～40％；成本降低35％；低信號(hào)特征。

IHPTET計(jì)劃在戰(zhàn)斗機(jī)方面的效益有：

實(shí)現(xiàn)M>3的持續(xù)飛行；裝備超音速垂直短距起落飛機(jī)；航程／續(xù)航時(shí)間／有效載荷為現(xiàn)役飛機(jī)的一倍；提高生存力。

IHPTET計(jì)劃采取了變革性的技術(shù)途徑，綜合運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方面的突破性成果，大大提高渦輪前溫度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

以減輕重量為例，壓氣機(jī)由于采用新材料和新結(jié)構(gòu)，從原來的盤鼓混合結(jié)構(gòu)改為無盤轉(zhuǎn)子，在同樣級(jí)數(shù)條件下重量減為30％，見圖二。如果采用先進(jìn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，使達(dá)到同樣總增壓比的壓氣機(jī)級(jí)數(shù)減少一半的話，那么重量就可減為15％。因此，推重比提高一倍的目標(biāo)是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。

IHPTET計(jì)劃將按1991年、1997年和2003年三個(gè)階段分別實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)的30％、60％和100％。目前，第二階段的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，也就是說，現(xiàn)在已經(jīng)有能力研制推重比15～16的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。第三階段的計(jì)劃正在實(shí)施中，預(yù)計(jì)能在2003年達(dá)到原定目標(biāo)。這樣，有可能在2020年左右研制成功推重比20的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，其構(gòu)形如圖三所示。與目前現(xiàn)役的F100發(fā)動(dòng)機(jī)相比，2020年的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有如下的特點(diǎn)：

風(fēng)扇由3級(jí)減為1級(jí)，葉片有彎掠，為空心結(jié)構(gòu)；

壓氣機(jī)由9級(jí)減為3級(jí)，轉(zhuǎn)子為無盤結(jié)構(gòu)，由鈦金屬基復(fù)合材料制成；

燃燒室由耐熱合金改為陶瓷基復(fù)合材料，有可能實(shí)現(xiàn)變幾何結(jié)構(gòu)；

高、低壓渦輪均為單級(jí)，對(duì)轉(zhuǎn)，無級(jí)間導(dǎo)向器，渦輪前溫度將達(dá)2000～2100℃；

加力燃燒室因渦輪前溫度很高而取消；

尾噴管將采用射流控制的推力矢量噴管，從而大大減輕重量。

裝備推重比20一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)后，第五代戰(zhàn)斗機(jī)可在21000米高空以M3～M4持續(xù)巡航；在載彈近1噸時(shí)作戰(zhàn)半徑為1850公里；并具有隱身和非常規(guī)機(jī)動(dòng)能力；而且還可利用這些技術(shù)，設(shè)計(jì)出M>2的垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)。

千牛為推力單位，等于102千克力。