索德軍，孫明霞，梁春華，梁彩云

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的發(fā)展特點(diǎn)及趨勢分析

索德軍，孫明霞，梁春華，梁彩云

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

旨在為戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究和產(chǎn)品研制提供參考與借鑒，全面綜述了美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的發(fā)展歷程和典型成果，并歸納和總結(jié)了其發(fā)展特點(diǎn)與趨勢：技術(shù)研究是產(chǎn)品研制的堅實(shí)基礎(chǔ)，而核心機(jī)和發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)只是用于開發(fā)與驗(yàn)證技術(shù)，特別是正在驗(yàn)證的自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)還需要深入驗(yàn)證；型號研制受國防武器需求牽引，是眾多先進(jìn)技術(shù)的有機(jī)集成；提高技術(shù)指標(biāo)始終是戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢；高可靠性和耐久性是型號使用的必然要求，并逐步成為發(fā)展趨勢；提高經(jīng)濟(jì)可承受性是航空發(fā)動機(jī)最終追求目標(biāo)。

戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)；技術(shù)研究；產(chǎn)品研制；發(fā)展特點(diǎn)

0 引言

經(jīng)過近百年的發(fā)展，戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的推力顯著增大，推重比逐步提高，燃油消耗率明顯降低，可探測信號大大減弱，戰(zhàn)斗機(jī)的速度由亞聲速提高到超聲速，又由超聲速提高到超聲速巡航，同時機(jī)動性、敏捷性、可靠性、耐久性等也顯著提高，航程大大延長，全壽命期費(fèi)用明顯降低。特別是美國，基于國家戰(zhàn)略、國防戰(zhàn)略和領(lǐng)域規(guī)劃，堅持技術(shù)研究長遠(yuǎn)規(guī)劃與短期/專項計劃并行實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)水平的快速提高；堅持不斷吸取成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，產(chǎn)品研制得到科學(xué)與快速發(fā)展，目前以F-22/F119和F-35/F135為標(biāo)志的第5代戰(zhàn)斗機(jī)/發(fā)動機(jī)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，第6戰(zhàn)斗機(jī)/發(fā)動機(jī)正在籌劃之中。

因而，本文總結(jié)和分析了美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的發(fā)展特點(diǎn)，對于中國及至其他國家開展戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制具有非常重要的參考作用與借鑒價值。

1 戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的發(fā)展

直到20世紀(jì)50年代末，受到“重導(dǎo)彈、輕飛機(jī)”高層決策思想和“渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，已經(jīng)沒有多少事情可做”論調(diào)的影響，美國政府不重視戰(zhàn)斗機(jī)/發(fā)動機(jī)的技術(shù)研究和產(chǎn)品研制工作，其技術(shù)水平和產(chǎn)品發(fā)展速度明顯落后于前蘇聯(lián)。

20世紀(jì)60年代初，美國空軍和國防部認(rèn)識到戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)研制時間比戰(zhàn)斗機(jī)的要長得多，如果想實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)與發(fā)動機(jī)同步使用，就需要提前開發(fā)發(fā)動機(jī)技術(shù)，為此美國開始投資實(shí)施輕質(zhì)燃?xì)獍l(fā)生器（LWGG）研究計劃、先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器（ATEGG）研究計劃、飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)集成（APSI）計劃。正是在這些計劃下開發(fā)和驗(yàn)證的核心機(jī)及發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，為20世紀(jì)70、80年代的F100、F404、F101、F110等發(fā)動機(jī)的研制成功打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。PW公司的STF200核心機(jī)發(fā)展為JTF22發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，并在70年代初研制成功著名的F100發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)了跨聲速和超聲速性能的顯著提高；GE公司的ATEGG1、ATEGG2核心機(jī)發(fā)展為GE1、GE9等發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，并在80年代中期研制成功F110和F404發(fā)動機(jī)，取得了性能、可靠性、可維護(hù)性和安全性的綜合平衡。到了80年代，美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)水平和產(chǎn)品能力已經(jīng)超過前蘇聯(lián)的，居于世界先進(jìn)水平。

20世紀(jì)70～80年代，美國空軍/海軍聯(lián)合實(shí)施聯(lián)合技術(shù)驗(yàn)證發(fā)動機(jī)（JTDE）研究計劃。其目標(biāo)是將推重比提高25%，耗油率降低7%～10%，全壽命期費(fèi)用降低25%，具有推力轉(zhuǎn)向、推力反向和隱身能力。PW公司開發(fā)和驗(yàn)證了ATEGG685和XTC65等核心機(jī)，JTDE690和XTE65等發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，并以此為基礎(chǔ)成功地研制出當(dāng)時最先進(jìn)且最經(jīng)濟(jì)的F119發(fā)動機(jī)，取得了前所未有的性能、質(zhì)量、可靠性、耐久性、適用性、費(fèi)用和可生產(chǎn)性的綜合平衡；GE公司開發(fā)和驗(yàn)證了ATEGG3、ATEGG4和XTC45等核心機(jī)，GE23、GE29和GE33等發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)展了雙涵渦噴/渦扇變循環(huán)發(fā)動機(jī)YF120。另外，利用在這些計劃和部件改進(jìn)計劃（CIP）、發(fā)動機(jī)型號衍生計劃（EMDP）、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性計劃（ENSIP）、發(fā)動機(jī)耐久性和損傷容限評估（DADTA）計劃、發(fā)動機(jī)熱端部件（HOST）與低循環(huán)疲勞（LCF）計劃等開發(fā)和驗(yàn)證的高負(fù)荷的風(fēng)扇與壓氣機(jī)、短環(huán)形燃燒室、高溫高負(fù)荷渦輪、分區(qū)供油穩(wěn)定的加力燃燒室、收斂擴(kuò)散噴管等部件和技術(shù)，改進(jìn)改型研制了F100、F404和F110系列發(fā)動機(jī)。

1988年，為了繼續(xù)擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢，美國政府和工業(yè)界又實(shí)施了綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)（IHPTET）研究計劃。其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)推重比提高100%，耗油率降低40%，成本降低35%以及信號特征明顯減弱。該計劃的綜合性體現(xiàn)在：不但開發(fā)和驗(yàn)證技術(shù)水平翻1番的推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)，同時也開發(fā)和驗(yàn)證現(xiàn)役發(fā)動機(jī)改進(jìn)改型的技術(shù)；不但開發(fā)和驗(yàn)證氣動熱力學(xué)技術(shù)，也開發(fā)和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、材料和工藝等技術(shù)。PW公司先后開發(fā)和驗(yàn)證了XTC66和XTC67等核心機(jī)和XTE66和XTE67等發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，利用開發(fā)的技術(shù)和XTE66發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，改進(jìn)了F100、F119、F135等戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)和競爭研制新一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)。GE公司先后開發(fā)和驗(yàn)證了XTC76與XTC77等核心機(jī)和XTE76與XTE77等發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，正在利用開發(fā)的技術(shù)和XTE76等發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，研制F136發(fā)動機(jī)和競爭研制新一代變循環(huán)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)。

21世紀(jì)初，美國組織有關(guān)專家對2020年航空技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測：（1）如果沒有先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)，未來作戰(zhàn)飛機(jī)在任何時間任何地點(diǎn)對任何目標(biāo)都能夠預(yù)測、發(fā)現(xiàn)、跟蹤、鎖定、瞄準(zhǔn)、交戰(zhàn)和評估的美國武裝部隊未來航空愿景就根本無法滿足。（2）燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展確實(shí)有很大的潛能，并且仍然是航空推進(jìn)系統(tǒng)的主要形式，在未來沒有哪種推進(jìn)系統(tǒng)可以取代。（3）噴氣發(fā)動機(jī)技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜和精深，新技術(shù)通常需要用10～15 a才能從試驗(yàn)室轉(zhuǎn)入實(shí)際生產(chǎn)?；谶@些結(jié)論，為了繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位，美國國防部繼續(xù)加強(qiáng)對渦輪發(fā)動機(jī)研究和發(fā)展的投資，實(shí)施技術(shù)目標(biāo)更宏大、應(yīng)用范圍更廣泛、技術(shù)途徑更實(shí)際的通用經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)（VAATE）研究計劃，開發(fā)和驗(yàn)證先進(jìn)技術(shù)，研制新型發(fā)動機(jī)產(chǎn)品。其目標(biāo)是到2017年使發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性較基準(zhǔn)（如F119）發(fā)動機(jī)的提高10倍。

21世紀(jì)初，美國政府發(fā)布了《美國空軍2020年愿景》、《美國航空航天倡議》、《美國國防部空間科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略》等國家級政府文件，基本明確：對未來武器裝備的宏觀需求是全球到達(dá)、快速打擊、持久攻擊、持久且快速反應(yīng)的情報/監(jiān)視/偵察（ISR）、多任務(wù)機(jī)動、靈活保障等；對下一代戰(zhàn)斗機(jī)的基本要求：可能為可選有人與無人駕駛和具備超聲速巡航與作戰(zhàn)、超常規(guī)機(jī)動、超級隱身、超遠(yuǎn)程打擊、超越物理域和信息域的實(shí)時控制等能力；對其發(fā)動機(jī)的基本要求：可能為超大推力與推重比、超低油耗、超級隱身、超機(jī)動、長耐久（壽命）、超低費(fèi)用。因而，美國第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)可能的結(jié)果：以高效高耐久核心機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)大推力與高推重比；以低壓自適應(yīng)部件和智能控制為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)適應(yīng)性與低油耗；以高隱身結(jié)構(gòu)的進(jìn)口與噴管與超級隱身材料為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)超級隱身；以增加矢量控制技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)更高機(jī)動性；借鑒預(yù)研與型號經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)長耐久和超低費(fèi)用。目前，GE公司基于VAATE計劃開發(fā)和驗(yàn)證的自適應(yīng)通用發(fā)動機(jī)技術(shù)（ADVENT）發(fā)展的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)，采用“3流道”技術(shù)，即在傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機(jī)的核心機(jī)流道和外涵道流道的基礎(chǔ)上增加由自適應(yīng)風(fēng)扇產(chǎn)生的第3個外流道，ADVENT3流道變循環(huán)發(fā)動機(jī)如圖1所示。PW公司以F135和“靜潔動力”PW1000發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，采用在VAATE計劃下開發(fā)和驗(yàn)證的變循環(huán)技術(shù)和自適應(yīng)風(fēng)扇技術(shù)發(fā)展的PW9000發(fā)動機(jī)如圖2所示。

圖1 ADVENT3流道變循環(huán)發(fā)動機(jī)

圖2 PW9000發(fā)動機(jī)

2 戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的發(fā)展特點(diǎn)與趨勢

美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的發(fā)展歷程如圖3所示。綜合分析美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)以下發(fā)展特點(diǎn)和趨勢。

圖3 美國航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)發(fā)展概況

2.1 戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)與趨勢

2.1.1 技術(shù)研究是戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)產(chǎn)品研制的堅實(shí)基礎(chǔ)

美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展，基于需求牽引和技術(shù)推動的政策。

20世紀(jì)60年代中后期，美國制訂了1套比較完整的分階段的發(fā)動機(jī)研究和研制全過程的組織和管理體制文件。其核心是把發(fā)動機(jī)技術(shù)研究和產(chǎn)品研制的全過程分為研究、探索發(fā)展，預(yù)先研制、工程研制和作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展5個階段。各階段的投資都是專款專用。在此期間，美國官產(chǎn)學(xué)實(shí)施了ATEGG、APSI等技術(shù)研究計劃，開發(fā)和驗(yàn)證了大量的新技術(shù)、新材料和新工藝，為TF39、TF30、F100、F101等發(fā)動機(jī)的性能提高和成功研制打下了較好的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)70年代，由于F100和TF30等發(fā)動機(jī)較差的可靠性、耐久性和作戰(zhàn)適應(yīng)性影響了戰(zhàn)斗機(jī)的使用，除了在之后繼續(xù)進(jìn)行的JTDE等技術(shù)預(yù)研計劃中明顯增加了耐久性和可靠性驗(yàn)證內(nèi)容外，美國軍方（空軍和海軍）和工業(yè)界（PW、GEAE公司等）于70年代末和80年代初還實(shí)施了部件改進(jìn)計劃（CIP）、發(fā)動機(jī)型號衍生計劃（EMDP）、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（ENSIP）、發(fā)動機(jī)耐久性和損傷容限評估（DADTA）、發(fā)動機(jī)熱端部件（HOST）和低循環(huán)疲勞（LCF）等技術(shù)預(yù)研計劃，開發(fā)和驗(yàn)證軍用發(fā)動機(jī)的性能提高、耐久性改進(jìn)、費(fèi)用降低等先進(jìn)技術(shù)，為性能與可靠性、耐久性、可維修性的綜合平衡的F100-PW-220和F110-GE-100發(fā)動機(jī)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

20世紀(jì)80年代末以來，美國官產(chǎn)學(xué)又聯(lián)合實(shí)施了高速推進(jìn)技術(shù)（HSP）、IHPTET、HCF和VAATE等技術(shù)預(yù)研計劃，開發(fā)和驗(yàn)證軍用發(fā)動機(jī)的性能提高、耐久性改進(jìn)、費(fèi)用降低等前沿技術(shù)，為F100、F110和F414等第4代發(fā)動機(jī)的改進(jìn)改型，F(xiàn)119、F135和F136等的第5代發(fā)動機(jī)的研制和改進(jìn)，為未來戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的研制都提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障；同時引入了技術(shù)成熟度（TRL）度量標(biāo)準(zhǔn)，以驗(yàn)證其可實(shí)現(xiàn)性，從而降低研制風(fēng)險。

總之，美國政府部門和空軍/海軍等使用部門，根據(jù)當(dāng)時特別是未來的需要，制定了綜合性和前瞻性的遠(yuǎn)期技術(shù)預(yù)研計劃，開發(fā)和驗(yàn)證了大量的新技術(shù)、新材料和新工藝，為先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的全新研制打下了堅實(shí)基礎(chǔ)；同時，為了解決型號在研制與使用中暴露的問題，實(shí)施了一些部件改進(jìn)和專項技術(shù)預(yù)研計劃，為現(xiàn)役型號和在研型號提供了有力的技術(shù)保障。這些系統(tǒng)成套的技術(shù)預(yù)研計劃所開發(fā)和驗(yàn)證的技術(shù)，既滿足了戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)遠(yuǎn)期的研制和發(fā)展要求，也滿足了戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)近期研制和改進(jìn)的需要，使戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)走上了“使用一代、改進(jìn)一代、研制一代、預(yù)研一代、探索一代”的科學(xué)發(fā)展道路。

2.1.2 核心機(jī)和發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)是技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證的平臺

自1963年美國提出ATEGG計劃來驗(yàn)證航空發(fā)動機(jī)的核心機(jī)技術(shù)后，就一直秉承著利用核心機(jī)和發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)來驗(yàn)證發(fā)動機(jī)技術(shù)的基本思路，并持續(xù)實(shí)施。美國在預(yù)研計劃下開發(fā)和驗(yàn)證的核心機(jī)和發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)是為了更真實(shí)和高技術(shù)成熟度地驗(yàn)證先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)物，更多的是技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證的平臺。美國技術(shù)預(yù)研計劃實(shí)施原則包括：（1）在真實(shí)的全尺寸核心機(jī)環(huán)境下對部件進(jìn)行試驗(yàn)；（2）應(yīng)用經(jīng)過考驗(yàn)的現(xiàn)有平臺對工業(yè)界研制的新技術(shù)和部件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；（3）輸出的推力或空氣流量處于適當(dāng)發(fā)動機(jī)等級、所做的全部部件都與同一空氣流量相匹配；（4）允許其成功但不能保證其成功。

據(jù)不完全統(tǒng)計，從1963年實(shí)施渦輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器（ATEGG）研究計劃、1967年實(shí)施飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)綜合（APSI）計劃、1973年實(shí)施的JTDE計劃、1988年實(shí)施IHPTET計劃和2006年實(shí)施VAATE計劃以來，PW公司從最初JTF14、JTF16到JTDE690、XTE65、XTE66、XTE67等開發(fā)了幾十種核心機(jī)或發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，而形成發(fā)動機(jī)型號的只有F100、F119、F135等發(fā)動機(jī)；GE公司從GE1開始發(fā)展到GE37以及XTE76、XTE77等40多種核心機(jī)或發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，而真正形成發(fā)動機(jī)型號的只有TF39、F110（F101同核心機(jī)）、F404、F414、YF120（未定型）、F136（未裝備）等發(fā)動機(jī)?？梢哉f，在眾多的驗(yàn)證機(jī)中，能夠形成型號裝備部隊的寥寥無幾。這也充分說明美國實(shí)施技術(shù)預(yù)研計劃的目的是通過核心機(jī)和發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)來開發(fā)和驗(yàn)證先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和領(lǐng)先，用以改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品和研制未來產(chǎn)品，而不是單純追求產(chǎn)品。

2.1.3 變循環(huán)（自適應(yīng)循環(huán)）技術(shù)還需深入開發(fā)與驗(yàn)證

雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)的發(fā)展源于20世紀(jì)50年代末60年代初美國轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)對超聲速和超聲速巡航的需求。對于變循環(huán)發(fā)動機(jī)：60～80年代初期美國主要進(jìn)行方案探索研究；80年代中期以來，美國、英國、法國和日本等國家主要進(jìn)行方案優(yōu)選和驗(yàn)證。發(fā)展歷程如圖4所示。

圖4 國外變循環(huán)發(fā)動機(jī)發(fā)展概況[11]

20世紀(jì)70年代，美國NASA實(shí)施超聲速巡航研究（SCR）計劃，對變循環(huán)發(fā)動機(jī)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)行研究，從上百個方案中優(yōu)選出能夠滿足亞聲速和超聲速飛行要求的2種變循環(huán)發(fā)動機(jī)，即GE公司的雙涵道發(fā)動機(jī)（DBE）和PW公司的變流路控制發(fā)動機(jī)（VSCE）進(jìn)行集中研究。在1976年還特別制定了單獨(dú)的超聲速推進(jìn)技術(shù)研究計劃——變循環(huán)發(fā)動機(jī)（VCE）計劃。

20世紀(jì)80年代，GE公司在美國第5代戰(zhàn)斗機(jī)競爭中對采用變循環(huán)技術(shù)的YF120發(fā)動機(jī)進(jìn)行地面驗(yàn)證和飛行驗(yàn)證，最終因研制風(fēng)險較大敗于F119發(fā)動機(jī)沒有進(jìn)入工程研制。1985年后，美國的變循環(huán)發(fā)動機(jī)研究計劃工作納入NASA的高速推進(jìn)研究計劃（HSPR），DBE和VSCE2種方案繼續(xù)得到發(fā)展。

從20世紀(jì)80年代末到21世紀(jì)初，在IHPTET研究計劃下，GE和Allison公司以XTC16/XTC76/XTC77核心機(jī)驗(yàn)證機(jī)和XTE76/XTE77發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)為平臺，開發(fā)和驗(yàn)證雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)——可控壓比發(fā)動機(jī)（COPE）技術(shù)。

21世紀(jì)初，在VAATE研究計劃第1階段中，美國空軍實(shí)施了自適應(yīng)通用發(fā)動機(jī)技術(shù)（ADVENT）研究計劃，將自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)（變循環(huán)發(fā)動機(jī)）技術(shù)作為下一代軍用發(fā)動機(jī)的技術(shù)授予GE和RR公司進(jìn)行開發(fā)和驗(yàn)證。美國國防部于2012年夏天投資2.136億美元，確定GEAE和PW公司參與實(shí)施為期4 a的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)驗(yàn)證（AETD）計劃。AETD計劃是ADVENT計劃的繼續(xù)，是1項技術(shù)成熟計劃，目的是促進(jìn)采用3涵道結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)成熟，以為未來3 a內(nèi)可能開始工程研制階段的美國空軍下一代戰(zhàn)斗機(jī)或轟炸機(jī)等多種作戰(zhàn)平臺提供動力技術(shù)。AETD計劃分2個階段進(jìn)行，第1階段到2015年中期結(jié)束，完成初始發(fā)動機(jī)設(shè)計，以及全環(huán)形燃燒室、高壓壓氣機(jī)和陶瓷基復(fù)合材料部件的試驗(yàn)；第2階段到2016年結(jié)束，將完成風(fēng)扇和核心機(jī)試驗(yàn)，首臺發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)最早在2017年進(jìn)行。AETD計劃在2013年2月進(jìn)行初始概念評估、2014年進(jìn)行壓氣機(jī)臺架試驗(yàn)、2015年進(jìn)行風(fēng)扇和核心機(jī)試驗(yàn)、2016年完成發(fā)動機(jī)的整機(jī)地面試驗(yàn)，技術(shù)成熟度TRL6，具備正式開始發(fā)動機(jī)研制的條件。2020年將開始飛行試驗(yàn)，技術(shù)成熟度達(dá)到TRL8。

總之，盡管變循環(huán)發(fā)動機(jī)經(jīng)過了40多年的發(fā)展，并且?guī)缀醢l(fā)展為第5代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)，但是隨著認(rèn)識的加深和需求的變化，一些關(guān)鍵技術(shù)還需要更深入開發(fā)與驗(yàn)證，有理由相信這項顛覆性的技術(shù)很可能用于美國第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)上。

2.2 戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制的發(fā)展特點(diǎn)與趨勢

2.2.1 型號研制受國防武器需求牽引，眾多先進(jìn)技術(shù)有機(jī)集成

美國發(fā)動機(jī)型號研制，是在國防武器需求的強(qiáng)烈牽引下，集成之前型號成熟經(jīng)驗(yàn)和在驗(yàn)證機(jī)上開發(fā)和驗(yàn)證的先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，如F100、F404、F110、F414、F119、F135等發(fā)動機(jī)。

20世紀(jì)60年代中后期總結(jié)越南和中東2次戰(zhàn)爭的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，為了應(yīng)對MiG-25戰(zhàn)斗機(jī)并取得空中優(yōu)勢，美國決定研制中空格斗戰(zhàn)斗機(jī)。該戰(zhàn)斗機(jī)既要具有突出的空中格斗性能，又要兼顧對地攻擊能力，因而要求配裝的發(fā)動機(jī)具有較高的推重比和較好的進(jìn)氣道/發(fā)動機(jī)匹配性能。為了滿足美國空軍的要求，PW公司采用“盡量增大發(fā)動機(jī)推力和減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量”的總體設(shè)計思想，在60年代初實(shí)施的LWGG、ATEGGAPSI計劃研究成果的基礎(chǔ)上，采用了美國當(dāng)時幾乎所有可行的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新材料，研制了F100發(fā)動機(jī)。

20世紀(jì)80年代初，隨著Su-27和MIG-29等戰(zhàn)斗機(jī)以及空對空導(dǎo)彈技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)-15/F-16等戰(zhàn)斗機(jī)空中優(yōu)勢堪憂，美國軍方籌備研制新一代空中對抗戰(zhàn)斗機(jī)。對新一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的要求是具有高推重比、推力矢量能力、低紅外和雷達(dá)信號特征、低不加力耗油率、大喘振裕度、高可靠性和耐久性、良好的維修性和低的全壽命期費(fèi)用。為此，美國空軍選定PW公司研制F119發(fā)動機(jī)，其充分吸取F100發(fā)動機(jī)的研制和使用經(jīng)驗(yàn)，采用低風(fēng)險策略、一體化產(chǎn)品研制、發(fā)動機(jī)完整性大綱等手段，采用高負(fù)荷/空心/無高循環(huán)疲勞的整體葉盤結(jié)構(gòu)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、復(fù)合材料風(fēng)扇靜子、輕質(zhì)隨機(jī)轉(zhuǎn)子、先進(jìn)阻尼葉片、浮動壁燃燒室、單晶渦輪轉(zhuǎn)子和導(dǎo)向葉片、高負(fù)荷超冷渦輪、刷式密封、輕質(zhì)且結(jié)構(gòu)簡單的噴管、以光纖做部件的先進(jìn)發(fā)動機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了性能高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、耐久性和保障性好，很好地滿足了F-22戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)術(shù)要求。

20世紀(jì)90年代中期，為了節(jié)省費(fèi)用，美國國防部取消了多用途戰(zhàn)斗機(jī)（MRF）和A/F-X研制計劃，先后啟動了聯(lián)合先進(jìn)攻擊技術(shù)（JAST）和聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）研制計劃，選定PW公司研制F135發(fā)動機(jī)。F135主推進(jìn)系統(tǒng)以F119發(fā)動機(jī)核心機(jī)為基礎(chǔ)，重新設(shè)計了風(fēng)扇和低壓渦輪，改進(jìn)了加力燃燒室和噴管；采用了在IHPTET、VAATE、等研究計劃下開發(fā)和驗(yàn)證的進(jìn)口外物損傷檢測技術(shù)、耐高循環(huán)疲勞的風(fēng)扇葉片、先進(jìn)熱障涂層、高溫刷式密封、金屬基復(fù)合材料、低可探測性軸對稱噴管、變排量燃油泵、整體式起動/發(fā)電機(jī)、分布式控制系統(tǒng)、在線健康診斷等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了推重比高、涵道比小、增壓比高、渦輪進(jìn)口溫度高、耐久性高、可維護(hù)性好和保障性好。

總之，美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的全新研制和改進(jìn)改型，都受國防武器需求牽引，繼承較多之前型號研制積累的成熟技術(shù)保持可靠性和耐久性，采用經(jīng)過預(yù)研計劃驗(yàn)證的較多的先進(jìn)技術(shù)提高綜合能力，實(shí)現(xiàn)了綜合性能、研制費(fèi)用和研制風(fēng)險之間平衡的理性發(fā)展。

2.2.2 提高技術(shù)指標(biāo)始終是戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢

戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)是推重比和耗油率，二者直接影響著戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)半徑、加速性、爬升率、持續(xù)轉(zhuǎn)向力、最大平飛速度等核心指標(biāo)。

世界現(xiàn)有型號發(fā)動機(jī)和美國IHPTET與VAATE計劃理想的發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)的推重比發(fā)展趨勢如圖5所示。從圖中可見，美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的推重比已經(jīng)由F100發(fā)動機(jī)的7.0級提高到F119發(fā)動機(jī)的10.0級，最新的F135發(fā)動機(jī)的推重比也只達(dá)到10.0級；而IHPTET計劃的目標(biāo)是16.0級，VAATE計劃的目標(biāo)是20.0，顯著高于實(shí)際產(chǎn)品所能達(dá)到的目標(biāo)。

圖5 航空發(fā)動機(jī)推重比的發(fā)展

世界現(xiàn)有型號發(fā)動機(jī)和美國IHPTET與VAATE計劃理想的發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)的耗油率發(fā)展趨勢如圖6所示。從圖中可見，PW公司的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的耗油率已經(jīng)由F100發(fā)動機(jī)的0.70級降低到F119發(fā)動機(jī)的0.60級；而IHPTET計劃的目標(biāo)是較20世紀(jì)80年代末的水平降低40%，VAATE計劃的目標(biāo)是較F119發(fā)動機(jī)的降低25%，也均高于實(shí)際產(chǎn)品所能達(dá)到的目標(biāo)。

圖6 航空發(fā)動機(jī)耗油率的發(fā)展

總之，美國一直追求提高推重比和降低耗油率等戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)，并開始了一系列的開發(fā)與驗(yàn)證工作，也取得了明顯效果，但是其技術(shù)指標(biāo)變?yōu)楫a(chǎn)品指標(biāo)都要經(jīng)過很長時間。

2.2.3 高綜合性能是型號使用的必然要求，并逐步成為發(fā)展趨勢

20世紀(jì)40～50年代是航空渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展初期，美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的研制以解決氣動熱力問題、推力和耗油率等性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)為重點(diǎn)，沒有能力考慮壽命和耐久性等問題，只能采取“武器庫思想”解決“有與無”的問題。

20世紀(jì)60年代初，以解決戰(zhàn)斗機(jī)與發(fā)動機(jī)間及各部件間的匹配問題為重點(diǎn)，開始考慮降低型號研制風(fēng)險，取得了初步成果。60～70年代，戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的研制將提高性能作為重中之重，強(qiáng)調(diào)“3高1低”，沒有將可靠性放在同等重要的地位，導(dǎo)致投入使用后，出現(xiàn)大量作戰(zhàn)適應(yīng)性、可靠性、耐久性和維修性問題，嚴(yán)重地影響了戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)使用，大大增加了全壽命周期成本。在1979～1985年，實(shí)施了發(fā)動機(jī)型號衍生計劃，將先進(jìn)的部件技術(shù)應(yīng)用到F100生產(chǎn)型發(fā)動機(jī)中，改型研制了“性能降低、耐久性與可靠性提高”的F100-220發(fā)動機(jī)，解決了長期困擾的非常嚴(yán)重的作戰(zhàn)適用性、可靠性、耐久性和維護(hù)性的問題（見表1），于1985年投入生產(chǎn)。

表1 F100-PW-220發(fā)動機(jī)驗(yàn)證的可靠性和可維修性

20世紀(jì)80年代，在F119-PW-100發(fā)動機(jī)的研制中，美國政府和工業(yè)界充分吸取了F100發(fā)動機(jī)的研制和使用經(jīng)驗(yàn)，采用低風(fēng)險策略、一體化產(chǎn)品研制、發(fā)動機(jī)完整性大綱、風(fēng)險管理和并行工程等，使F119發(fā)動機(jī)具有性能高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、耐久性和保障性好等優(yōu)勢，不但繼承了第4代飛機(jī)發(fā)動機(jī)的性能優(yōu)點(diǎn)，而且在結(jié)構(gòu)、耐久性、可維護(hù)性和保障性上也有所突破，零件數(shù)量減少40%～60%，耐久性提高2倍。20世紀(jì)90年代中期，在F135推進(jìn)系統(tǒng)的研制中，美國政府和工業(yè)界充分吸取了F100和F119發(fā)動機(jī)的研制和使用經(jīng)驗(yàn)，以F119發(fā)動機(jī)核心機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)綜合性能明顯提高。具體表現(xiàn)包括：推力增大10%；質(zhì)量減輕，使F-22戰(zhàn)斗機(jī)實(shí)現(xiàn)超聲速巡航；耗油率降低2%～3%；工作中油門移動速度不受限制，空中起動成功率100%，機(jī)動性與可操縱性大大提高；可靠性與耐久性提高（見表2）；全壽命周期費(fèi)用降低的同時，也使研制風(fēng)險大大降低。

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

進(jìn)入21世紀(jì)，美國空軍實(shí)施VAATE計劃開發(fā)、驗(yàn)證和轉(zhuǎn)移先進(jìn)的多用途渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)。VAATE計劃仍傳承IHPTET計劃的戰(zhàn)略目標(biāo)，但更強(qiáng)調(diào)渦輪發(fā)動機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性（體現(xiàn)在國防方面：經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)爭→經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)爭持久→持久的戰(zhàn)爭能力＝必勝的戰(zhàn)爭→戰(zhàn)爭的經(jīng)濟(jì)回報的良性循環(huán)）。其目標(biāo)是到2017年使現(xiàn)役、在研和未來的軍、民兩用推進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可承受性較基準(zhǔn)推進(jìn)系統(tǒng)（如F1l9發(fā)動機(jī)）的提高10倍。

總之，隨著型號研制經(jīng)驗(yàn)的豐富、先進(jìn)技術(shù)的不斷驗(yàn)證，美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的評價指標(biāo)已經(jīng)由最初只重性能到注重性能與4性技術(shù)的協(xié)調(diào)，再到綜合性能和經(jīng)濟(jì)可承受性的不斷提高，以研制出用戶能買得起、用得起、用得好的發(fā)動機(jī)。

3 結(jié)束語

綜上所述，美國基于國家戰(zhàn)略和國防戰(zhàn)略，通過實(shí)施長遠(yuǎn)且系統(tǒng)的ATEGG、JTDE、IHPTET和VAATE等計劃，在近百種核心機(jī)和發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)平臺上不斷地開發(fā)和驗(yàn)證新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料和先進(jìn)循環(huán)，通過技術(shù)牽引實(shí)現(xiàn)了技術(shù)領(lǐng)先；通過需求牽引適時地將先進(jìn)的核心機(jī)和發(fā)動機(jī)驗(yàn)證平臺發(fā)展為型號驗(yàn)證機(jī)，并不斷吸取型號成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，研制了著名的F101、F100、F110、F404、F414、F119和F135等戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)，產(chǎn)品研制得到科學(xué)與快速發(fā)展，20世紀(jì)90年代以來一直處于世界領(lǐng)先水平，21世紀(jì)已經(jīng)開始籌劃研制第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)。隨著ADVENT和AETD等計劃的不斷實(shí)施,自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機(jī)將逐步成熟,并很可能成為第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)；而且，高超聲速、太陽能、脈沖爆震等仍處于概念探索階段的發(fā)動機(jī)的發(fā)展?jié)摿⒅鸩矫骼?，但?030年前配裝下一代戰(zhàn)斗機(jī)的可能性并不大。

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Review on Technical Investigation and Product Development of Fighter Engine in US

SUO De-jun,SUN Ming-xia,LIANG Chun-hua,LIANG Cai-yun
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China）

Aim to provide references for fighter engine technology investigation and product development,the development course and results of U.S.fighter engine were summarized based on the literatures.The development characteristics and tendency of U.S.fighter engine were summarized based on results of introducing fighter engine development.The research results show that technical development is solid foundation for product development,core engine and engine demonstrator are used for technical development and demonstration,and the adaptive cycle technology need to be demonstrated deeply.In terms of product development the engine model development pulled by national defense weapon demand was organically integrated by the various advanced technologies.The development tendency of the fighter engine is the engine performance improvement all the time,and the improvement of the engine reliability and durability is the inevitable requirement,and that would become the development tendency.The final goal of aero engine development is the economic affordability improvement.

fighter engine；technology investigation；product development;development characteristics

V 268.7

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.06.013

2016-06-07基金項目：國家重大基礎(chǔ)研究項目資助

索德軍（1978），男，高級工程師，從事航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)情報研究工作；E-mail：sdj27@163.com。

索德軍，孫明霞，梁春華,等.美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的發(fā)展特點(diǎn)及趨勢分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2016，42（6）：82-89.SUO Dejun,SUN Mingxia,LIANG Chunhua,et al.Review on technical investigation and product development of fighter enginein US[J].Aeroengine，2016，42（6）：82-89.

（編輯：張寶玲）