艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制道路

梁春華

（沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

1 引言

自從噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)成為海軍艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置以來，美國、英國、法國和前蘇聯(lián)等國家已經(jīng)成功地研制了J65-W-16A、J30-WE-20、J34-WE-30A/32/42、J42-P-6/8、J48-P-6A、J57-P-20A/10、J52-P-408A/8AJ33-A-1、J79-GE-17/10、ATAR 8K50和AL-21等渦噴發(fā)動(dòng)機(jī),以及TF34-GE-2/400A、TF30-P-6/8/412、F404、F110-GE-400、F414、SPEY RB168-20/25、PEGASUS 11-21、TF41-A-2、M88-2、R-79B-300、AL-31FK和RD-33K等渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，目前在為F-35C艦載戰(zhàn)斗機(jī)研制F135與F136發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，也在VAATE等研究計(jì)劃下研究像自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的未來1代艦載戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

研究國外艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展道路，總結(jié)其規(guī)律，對中國開展艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與開發(fā)工作具有重要的參考作用。

2 國外艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展

2.1 由“陸基改艦載與艦載改陸基”向“陸基與艦載兩棲”發(fā)展

20世紀(jì)50年代以來，美國、英國和法國的艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了由“陸基改艦載與艦載改陸基”向“陸基與艦載兩棲型研制”發(fā)展。

20世紀(jì)50～60年代，在艦載作戰(zhàn)飛機(jī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中，J65、J42、J48、J33、J34、J79和ATAR 8K50發(fā)動(dòng)機(jī)首先按陸基要求設(shè)計(jì)，后來改進(jìn)研制為艦載型發(fā)動(dòng)機(jī)；J52發(fā)動(dòng)機(jī)首先按艦載要求設(shè)計(jì)，后來改進(jìn)研制為陸基型發(fā)動(dòng)機(jī)；而J57和J75發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)之初，就是按陸基與艦載兩棲型研制的。

20世紀(jì)60～90年代初期，在艦載作戰(zhàn)飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，英國的SPEY RB168-1A、SPEY RB168-25、PEGASUS11-21(Mk104)，美國和英國合作的TF41-A-2和PEGASUS 11-21F(F402-RR-406)，俄羅斯的AL-31FK和RD-33MK，都是由陸基作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)研制的艦載型發(fā)動(dòng)機(jī)；美國的TF34、F404、F414發(fā)動(dòng)機(jī)是先按艦載要求設(shè)計(jì)的，之后根據(jù)需要，改進(jìn)研制成陸基型發(fā)動(dòng)機(jī)；TF30和F110發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)之初就是陸基與艦載兩棲型的。例如：AL-31FK和RD-33MK艦載型發(fā)動(dòng)機(jī)是在AL-31F和RD-33陸基發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用若干年后，為SU33和Mig29K艦載戰(zhàn)斗機(jī)改型研制的；TF34-GE-400發(fā)動(dòng)機(jī)最初是為S-3艦載型反潛機(jī)研制的，后來為滿足空軍A-10攻擊機(jī)要求，改型研制了TF34-GE-100陸基型發(fā)動(dòng)機(jī)；F110發(fā)動(dòng)機(jī)是GE公司為F-15/F-16陸基戰(zhàn)斗機(jī)和F-14艦載戰(zhàn)斗機(jī)研制的陸基與艦載雙棲發(fā)動(dòng)機(jī)。

20世紀(jì)90年代中期以來研制的艦載作戰(zhàn)飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)是從設(shè)計(jì)之初就是陸基與艦載兩棲型的。例如：1999年設(shè)計(jì)定型的M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)既可以作為空軍陸基型RAFALE B/C戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置，也可以作為海軍艦載型RAFALE M戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置；正在研制中的F135推進(jìn)系統(tǒng)既可以作為空軍陸基型F-35 STOL型戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置，也可以作為海軍艦載型F-35 CV型戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置，通過增加升力風(fēng)扇、3方位偏轉(zhuǎn)噴管和滾轉(zhuǎn)控制噴管，還可以作為F-35 STOVL型戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置。20世紀(jì)90年代以來，更多地選擇陸基與艦載兩棲型，可能主要是基于以下4點(diǎn)原因。

（1）由于在航空母艦上使用的作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量較少，而艦載作戰(zhàn)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)的研制費(fèi)用與陸基作戰(zhàn)飛機(jī)的相當(dāng)或更高，獨(dú)立研制艦載作戰(zhàn)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)的全壽命費(fèi)用太高。

（2）隨著氣動(dòng)和控制等技術(shù)的快速進(jìn)步，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與陸基作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能和瞬態(tài)性能都已經(jīng)大大提高，差別日益減小。

（3）隨著鈦合金、陶瓷和復(fù)合材料等材料的用量增大，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的防腐等問題已經(jīng)不再特別突出。

（4）隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)“五性”技術(shù)得到重視與快速發(fā)展，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與陸基作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、耐久性和可維護(hù)性已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，已經(jīng)不再是影響艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。

艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與陸基作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的差別呈現(xiàn)越來越小的趨勢，使得研制陸基與艦載兩棲型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)具有可行性，經(jīng)濟(jì)收益明顯，研制周期明顯縮短。

2.2 由“起飛質(zhì)量決定的單雙發(fā)”向“雙發(fā)為主，單發(fā)為輔”發(fā)展

20世紀(jì)50年代以來，美國、英國和法國開發(fā)和使用的典型艦載作戰(zhàn)飛機(jī)見表1。從表中可知，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的配置原則由“起飛質(zhì)量決定的單雙發(fā)”向“雙發(fā)為主，單發(fā)為輔”發(fā)展。

20世紀(jì)80年代以前，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的單雙發(fā)配置主要依據(jù)作戰(zhàn)飛機(jī)的最大起飛質(zhì)量：像F-8、A-4、A-7、AV-8、AV-8BⅡ和超軍旗等最大起飛質(zhì)量在20 t以下的輕型艦載作戰(zhàn)飛機(jī)采用單發(fā)布局；而像A-5、A-6、F-4和NA.39等最大起飛質(zhì)量在22t以上的重型艦載作戰(zhàn)飛機(jī)均采用雙發(fā)布局。

20世紀(jì)80年代以后,F-14A/B/D、F/A-18A/B/C/D、Mig-29K、SU-33、F/A-18E/F、Rafale M等艦載作戰(zhàn)飛機(jī)，均采用雙發(fā)布局；只有尚在研制、計(jì)劃于2013年投入使用的第4代聯(lián)合攻擊機(jī)F-35C（最大起飛質(zhì)量與F/A-18的相當(dāng)），采用的是單發(fā)布局。在這一時(shí)期，出現(xiàn)了“雙發(fā)為主，單發(fā)為輔”的明顯趨向。

更多地選擇雙發(fā)布局的艦載作戰(zhàn)飛機(jī)可能主要是考慮以下2點(diǎn)因素。

（1）由于大部分時(shí)間在海面上空工作，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)必須具有很高的安全性。從理論上講，采用雙發(fā)布局的作戰(zhàn)飛機(jī)，在艦上起飛和著艦過程中，1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，飛機(jī)依靠另1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)仍能完成起飛和著艦；而采用單發(fā)布局的作戰(zhàn)飛機(jī)，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，基本上無法挽救。因而，雙發(fā)布局的艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的安全性大大高于采用單發(fā)布局的作戰(zhàn)飛機(jī)。美國空軍安全局在1996～2000年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也從某種程度說明了這一點(diǎn)：由發(fā)動(dòng)機(jī)故障損失掉的34架戰(zhàn)斗機(jī)中，單發(fā)布局的F-16戰(zhàn)斗機(jī)占29架，而雙發(fā)布局的F-15戰(zhàn)斗機(jī)只有5架。為了實(shí)現(xiàn)雙發(fā)飛機(jī)單發(fā)復(fù)飛，美國海軍在艦載適用性要求中明確規(guī)定：在設(shè)計(jì)著艦質(zhì)量和進(jìn)場速度下，在單發(fā)停車、中等推力(非加力)狀態(tài)下，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)應(yīng)該具有500 ft/min的最小爬升率。

表1 20世紀(jì)50年代以來開發(fā)和使用典型的艦載作戰(zhàn)飛機(jī)

（2）由于艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的質(zhì)量明顯地重于陸基作戰(zhàn)飛機(jī)的質(zhì)量，采用雙發(fā)布局相對采用單發(fā)布局能夠彌補(bǔ)一些性能損失。

而F-35C聯(lián)合攻擊機(jī)選擇單發(fā)布局的原因可能包括以下2點(diǎn)。

（1）F135發(fā)動(dòng)機(jī)能夠保證較低的故障率和較高的安全性。的確，F(xiàn)135發(fā)動(dòng)機(jī)是由配裝美國空軍F-22A戰(zhàn)斗機(jī)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而來，繼承了其極高的性能、卓越的可靠性、維修性和保障性(RMS)。而F119發(fā)動(dòng)機(jī)充分吸取了F100發(fā)動(dòng)機(jī)研制/使用的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，采用一體化產(chǎn)品研制方法，并利用大量的成熟技術(shù)進(jìn)行研制，獲得了很高的可靠性、耐久性、可維護(hù)性和保障性，見表2。

（2）采用單發(fā)布局的飛機(jī)質(zhì)量較輕，且動(dòng)力操縱系統(tǒng)較簡單。

表2 F119發(fā)動(dòng)機(jī)相對于F100-PW-220發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和可維修性改進(jìn)

2.3 由“著重追求提高性能”向“提高性能與降低費(fèi)用并重”發(fā)展

與陸基作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制思想也經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)了逐步成熟。

第1階段：重點(diǎn)追求性能。

20世紀(jì)50～70年代，作戰(zhàn)飛機(jī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研制將提高性能作為重中之重，結(jié)果是研制出來的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的確得到了顯著的提高，但是作戰(zhàn)適應(yīng)性、可靠性、耐久性和維護(hù)性明顯過低，嚴(yán)重地影響了戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)使用，大大增加了全壽命成本。其中最深刻的教訓(xùn)就是配裝F-14A戰(zhàn)斗機(jī)的TF30-P-412發(fā)動(dòng)機(jī)。在TF30發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)規(guī)范中，既不包括可靠性、耐久性和可維護(hù)性等要求，也不包括為驗(yàn)證這些要求而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，因而，PW公司只花費(fèi)2年5個(gè)月的時(shí)間和0.21億美元的經(jīng)費(fèi)，只因性能達(dá)標(biāo)而成功地完成了TF30-P-412發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)定型和批量生產(chǎn)。但是，在使用中，該發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了影響安全性、可靠性、耐久性與可維護(hù)性的一些嚴(yán)重問題，PW公司不得不花費(fèi)15年（1971～1985）的時(shí)間和8.4億美元的經(jīng)費(fèi)對其進(jìn)行改進(jìn)。即使這樣，PW公司也沒有將其問題很好地解決，致使被F110-GE-400發(fā)動(dòng)機(jī)所替代。

第2階段：提高可靠性、耐久性、可維護(hù)性。

20世紀(jì)70～80年代中期，作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了提高可靠性、耐久性和可維護(hù)性方面，結(jié)果是全新研制和改進(jìn)改型的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能沒有明顯提高，但是作戰(zhàn)適應(yīng)性、可靠性、耐久性和維護(hù)性等達(dá)到了綜合平衡。典型的實(shí)例如F404和F110-GE-400等發(fā)動(dòng)機(jī)。

在F404發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，美國海軍和GE公司根據(jù)以往的使用經(jīng)驗(yàn)，突出了作戰(zhàn)適應(yīng)性、艦載適應(yīng)性、可靠性和可維護(hù)性的要求，而把成本、性能和質(zhì)量等要求放在較次要的地位。GE公司改變了過去強(qiáng)調(diào)性能，而忽視可靠性和維修性的作法，采用經(jīng)過驗(yàn)證的先進(jìn)技術(shù)，不追求過高的性能指標(biāo)，注重保持結(jié)構(gòu)簡單、費(fèi)用合理和風(fēng)險(xiǎn)降低，最終使其達(dá)到了喘振裕度大、抗畸變能力強(qiáng)、空中起動(dòng)可靠、經(jīng)受劇烈操作與錯(cuò)誤操縱能力強(qiáng)等特性。

F110-GE-400發(fā)動(dòng)機(jī)是GE公司為替代配裝F-14A戰(zhàn)斗機(jī)的TF30-P-412發(fā)動(dòng)機(jī)而研制的推重比為8級(jí)的小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是按照“結(jié)構(gòu)完整性大綱(ENSIP)”的要求研制的的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到了性能、作戰(zhàn)適應(yīng)性、可靠性、耐久性、可維護(hù)性的統(tǒng)籌兼顧，成功地解決了TF30發(fā)動(dòng)機(jī)存在的問題。

第3階段：性能與可靠性、耐久性、可維護(hù)性同時(shí)提高。

從20世紀(jì)80年代中期開始，作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作的重點(diǎn)又發(fā)生了轉(zhuǎn)移，即轉(zhuǎn)向在保持長壽命的前提下提高性能。F414發(fā)動(dòng)機(jī)就是典型的實(shí)例。在F414發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，除了繼承F404發(fā)動(dòng)機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)外，美國海軍和GE公司增加了對易損性和敏感性的要求，采用經(jīng)過驗(yàn)證的成熟技術(shù)和一體化設(shè)計(jì)與風(fēng)險(xiǎn)管理等先進(jìn)管理方法，成功地使其相對于F404-GE-400發(fā)動(dòng)機(jī)，推力增大35%，推重比從7.4提高到9，可靠性和耐久性也明顯提高、耗油率有所降低。

第4階段：提高經(jīng)濟(jì)可承受性。

21世紀(jì)初，美國又制定了VAATE研究計(jì)劃。該計(jì)劃的工作重點(diǎn)由以前的強(qiáng)調(diào)性能、耐久性和費(fèi)用，調(diào)整為追求經(jīng)濟(jì)可承受性。具體目標(biāo)是，通過開發(fā)通用核心機(jī)、智能發(fā)動(dòng)機(jī)和耐久性等方面的技術(shù)，使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性提高10倍；具體落實(shí)到大型渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，推重比提高200%，燃油消耗降低25%，設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)費(fèi)用降低60%。這些開發(fā)和驗(yàn)證的技術(shù)和部件用于目前構(gòu)想的未來新飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)、近期正在使用的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)、正在生產(chǎn)的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)與正在研制的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上。當(dāng)然，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)也是如此。

在F135推進(jìn)系統(tǒng)研制之初，PW公司領(lǐng)導(dǎo)的研制小組就強(qiáng)調(diào)低費(fèi)用，不再遵循性能驅(qū)動(dòng)原則，而是將經(jīng)濟(jì)可承受性作為重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。與現(xiàn)役的F110和F100發(fā)動(dòng)機(jī)相比，研制F135推進(jìn)系統(tǒng)的費(fèi)用節(jié)省35%，硬件和軟件可靠性提高2倍，維護(hù)技工減少30%～50%，提升和起重設(shè)備的配置減少50%，故障判斷和修理的時(shí)間減少94%，返廠維護(hù)時(shí)間延長225%。

在F136發(fā)動(dòng)機(jī)研制之初，GE公司領(lǐng)導(dǎo)的研制小組就把降低使用費(fèi)用和保障費(fèi)用作為一項(xiàng)基本要求，并將其與推力、耗油率作為獨(dú)立的設(shè)計(jì)變量來對待。采用非傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、研制、采購和保障方法，尤其是，通過提高可靠性與安全性，降低維護(hù)費(fèi)用；采用靈活的保障系統(tǒng)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)保障性，最終大大降低了在武器系統(tǒng)壽命期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和保障費(fèi)用。

3 結(jié)束語

經(jīng)過60多年的發(fā)展，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)由渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展到渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由陸基改艦載發(fā)展到陸艦兩棲，由低安全性發(fā)展到高安全性，正在向更先進(jìn)的變循環(huán)加智能的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方向發(fā)展。總結(jié)國外艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的這些成功的研制經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)發(fā)展途徑，都對中國開展這方面的工作具有重要的借鑒意義。

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