■ 劉金龍 馮建文/中國(guó)航發(fā)研究院 歐陽(yáng)志高/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

普惠公司的F135發(fā)動(dòng)機(jī)是應(yīng)F-35戰(zhàn)斗機(jī)的前身——聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）項(xiàng)目需求啟動(dòng)研制的。2003—2004年，普惠公司相繼開始了常規(guī)起降型以及短距起飛/垂直降落型F135發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試工作。2006年12月15日，F(xiàn)-35A完成了首飛；2008年6月11日，F(xiàn)-35B完成了首飛；2010年3月17日，F(xiàn)-35B完成了首次懸停試驗(yàn)；2010年6月7日，F(xiàn)-35C完成首飛。美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、空軍、海軍分別于2015年7月、2016年8月以及2019年2月宣布F-35B、F-35A、F-35C機(jī)隊(duì)形成戰(zhàn)斗力。2018年4月，普惠公司宣布完成了F135項(xiàng)目的型號(hào)開發(fā)與飛行驗(yàn)證試驗(yàn)工作。普惠公司從F135發(fā)動(dòng)機(jī)的一系列試驗(yàn)失敗中不斷汲取教訓(xùn)，成為了軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的王者。

F135發(fā)動(dòng)機(jī)基本情況

圖1 F119發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

JSF在立項(xiàng)之初便要求在同一個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)上滿足3個(gè)不同軍種的使用要求，最終的F-35戰(zhàn)斗機(jī)包括常規(guī)起降型（CTOL）F-35A、艦載型（CV）F-35C和短距起飛/垂直降落型（STOVL）F-35B等3種不同型號(hào)。與F-35戰(zhàn)斗機(jī)型號(hào)相匹配，F(xiàn)135發(fā)動(dòng)機(jī)有3個(gè)不同的型號(hào)，F(xiàn)135-PW-100為F-35A空軍型的動(dòng)力裝置 ；F135-PW-400為F-35C海軍艦載型的動(dòng)力裝置 ；而由羅羅公司提供升力系統(tǒng)(LiftSystem)的F135-PW-600為F-35B海軍陸戰(zhàn)隊(duì)短距起飛/垂直降落型的動(dòng)力裝置。F135發(fā)動(dòng)機(jī)由F119發(fā)動(dòng)機(jī)衍生而來(lái)。F119發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)重型制空型戰(zhàn)斗機(jī)F-22的動(dòng)力裝置，涵道比為0.3∶1，非加力狀態(tài)下推重比為6.7，加力狀態(tài)下推重比達(dá)到9.0。F119發(fā)動(dòng)機(jī)包括3級(jí)風(fēng)扇、6級(jí)高壓壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室、1級(jí)高壓渦輪、1級(jí)低壓渦輪以及二維矢量噴管，結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

F-35與F-22的作戰(zhàn)任務(wù)不同，因此F135發(fā)動(dòng)機(jī)基本保留了F119核心機(jī)的設(shè)計(jì)，而涵道比增大為0.57∶1。F135發(fā)動(dòng)機(jī)重新設(shè)計(jì)了低壓部分，低壓渦輪也從F119發(fā)動(dòng)機(jī)的1級(jí)變?yōu)?級(jí)以提供更大的低壓軸功率。F135發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視圖如圖2和圖3所示。

F135發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

由于F135發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)高度機(jī)密的軍事裝備，因此官方公布的技術(shù)細(xì)節(jié)很少。根據(jù)簡(jiǎn)氏航空發(fā)動(dòng)機(jī)（Jane’s Aero Engines）數(shù)據(jù)庫(kù)資料介紹，F(xiàn)135-PW-100型發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

圖2 F135發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)起降型

圖3 F135發(fā)動(dòng)機(jī)短距起飛/垂直降落型

圖4 F135的升力系統(tǒng)

進(jìn)氣口

進(jìn)氣口直徑為1.168m，包含21個(gè)靜子導(dǎo)葉，導(dǎo)葉后緣與機(jī)匣鉸接并兼作低壓軸的前支點(diǎn)。

風(fēng)扇（低壓壓氣機(jī)）

風(fēng)扇包括3組整體葉盤轉(zhuǎn)子，在F119發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的基礎(chǔ)上提高了空氣流量及壓比。第一級(jí)風(fēng)扇靜子由復(fù)合材料制成，后兩級(jí)靜子為鈦合金。

高壓壓氣機(jī)

高壓壓氣機(jī)共6級(jí)，全部轉(zhuǎn)/靜子均為整體結(jié)構(gòu)。前兩級(jí)轉(zhuǎn)子為考慮損傷容限設(shè)計(jì)的鈦合金結(jié)構(gòu)，后4級(jí)轉(zhuǎn)子為高強(qiáng)度鎳基合金。前兩級(jí)靜子為可調(diào)葉片，后幾級(jí)靜子為鑄造鎳基合金。高壓壓氣機(jī)空氣流量為129.6kg /s。

燃燒室

燃燒室由F119發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室改進(jìn)而來(lái)。燃燒室外機(jī)匣長(zhǎng)度和直徑均為0.762m，可以承受溫度為920K，壓強(qiáng)為4150kPa的高溫氣體壓力。燃燒室直徑為0.51m，長(zhǎng)度為0.23m。浮壁式燃燒室通過(guò)襯片引入沖擊制冷以及薄膜冷卻。襯片為鎳基材料，表面鍍陶瓷并留有近千個(gè)氣膜孔。

高壓渦輪

高壓渦輪直徑為0.914m，轉(zhuǎn)速超過(guò)15000r/min，功率為47725kW。高壓渦輪的冷卻氣流在F119技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了一倍。

低壓渦輪

兩級(jí)低壓渦輪與高壓渦輪反向?qū)D(zhuǎn)，工作溫度約1360K。

加力燃燒室

包括收斂-擴(kuò)散噴管以及15個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)的鉸接魚鱗片。加力燃燒室氣壓為621kPa，溫度為2200K。

F135-PW-400型發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與F135-PW-100型發(fā)動(dòng)機(jī)接近，但包含了更多抗鹽霧腐蝕的材料。短距起飛/垂直降落F135-PW-600型發(fā)動(dòng)機(jī)則加裝了羅羅公司的升力系統(tǒng)。升力系統(tǒng)主要包括由F135發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸驅(qū)動(dòng)的前置升力風(fēng)扇、安裝在主發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的滾轉(zhuǎn)控制噴管以及機(jī)尾的全向矢量噴管3個(gè)部件，如圖 4所示。

普惠公司網(wǎng)站公布的F135發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)如表 1所示。

表1 F135發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

F135故障歷史

F135發(fā)動(dòng)機(jī)自開展試驗(yàn)測(cè)試以來(lái)，就相繼曝出了一系列問(wèn)題，甚至受到了美國(guó)政府問(wèn)責(zé)辦公室（GAO）的嚴(yán)厲指責(zé)。由于F135的高度機(jī)密，美國(guó)軍方及普惠公司對(duì)F135發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程信息的披露少之又少，本文通過(guò)公開的新聞報(bào)道，對(duì)F135的故障情況進(jìn)行了梳理。

2004年6月，短距起飛/垂直降落型F135發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)第二級(jí)渦輪導(dǎo)向葉片發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕，普惠公司更換了涂層材料。

2006年5月，F(xiàn)135發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中實(shí)測(cè)溫度比設(shè)計(jì)值高出90℃，給飛機(jī)熱管理系統(tǒng)帶來(lái)了問(wèn)題，普惠公司通過(guò)采用優(yōu)化涵道比、利用氣流冷卻、改進(jìn)密封等措施解決了發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題。

2007年6月，F(xiàn)135-PW-600型發(fā)動(dòng)機(jī)在佛羅里達(dá)州進(jìn)行升力風(fēng)扇失速測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生損壞（見圖 5）。原因是當(dāng)流道關(guān)閉的面積為正常使用狀態(tài)的300%時(shí)發(fā)生了非常嚴(yán)重的失速，升力風(fēng)扇傳動(dòng)軸斷裂脫落并打傷了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。JSF推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人伯恩斯稱這次試驗(yàn)的條件遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際飛行中可能遇到的情況，并不代表發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。

2007年8月，F(xiàn)135發(fā)動(dòng)機(jī)暫停了地面測(cè)試，原因是試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一片渦輪葉片損壞。JSF項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示第三級(jí)渦輪葉片在使用環(huán)境、材料、制造工藝等多種原因下發(fā)生了高周疲勞破壞。

2007年12月，F(xiàn)-35C機(jī)載發(fā)電機(jī)供應(yīng)商漢勝公司發(fā)現(xiàn)其發(fā)電機(jī)功率只能滿足機(jī)載電力需求的65%。為了增加發(fā)電機(jī)功率，普惠公司需要重新設(shè)計(jì)F135的傳動(dòng)附件，但是此舉會(huì)帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失。

2008年2月4日，短距起飛/垂直降落型F135發(fā)動(dòng)機(jī)第六號(hào)飛行測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生了第二起第三級(jí)渦輪葉片高周疲勞破壞。普惠認(rèn)為事故是由于第三級(jí)渦輪靜子導(dǎo)向葉片的尾流誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)發(fā)生破壞，短距起飛/垂直降落型發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪需要額外驅(qū)動(dòng)升力風(fēng)扇，因此其工作條件更嚴(yán)苛，葉片更容易破壞，而常規(guī)起降型F135發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片則沒(méi)有發(fā)生過(guò)高周疲勞斷裂事故。

圖5 F-35B升力風(fēng)扇排氣口

圖6 發(fā)生掉塊的F135發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇

2008年2月，一臺(tái)F135發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行地面超聲速試車時(shí)被發(fā)現(xiàn)有火花從噴管冒出，停車后發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇出現(xiàn)掉塊，如圖6所示，掉塊打傷了第一級(jí)和第二級(jí)高壓壓氣機(jī)，但沒(méi)有傷及燃燒室和渦輪。普惠稱事故發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)累計(jì)2455循環(huán)，相當(dāng)于經(jīng)歷了8年的服役期。

2009年9月，每日防務(wù)網(wǎng)站披露，一臺(tái)F135發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)試中發(fā)生損壞，普惠公司表示將會(huì)對(duì)F135第一級(jí)風(fēng)扇葉片尖端作進(jìn)一步改進(jìn)。

2011財(cái)年，美國(guó)國(guó)防部的一份年度總結(jié)報(bào)告中提到了F135-PW-600測(cè)試中暴露的一些問(wèn)題，其中包括升力風(fēng)扇的傳動(dòng)軸在遇到熱變形、公差、機(jī)動(dòng)載荷撓曲下配合存在問(wèn)題，且第一次重新設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸沒(méi)有通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，需要第二次重新設(shè)計(jì)；升力風(fēng)扇的離合器在工作中存在過(guò)熱問(wèn)題；滾轉(zhuǎn)控制噴管出口處溫度過(guò)高，影響了作動(dòng)筒的正常工作，需增加隔熱裝置。

2013年1月，恩格林空軍基地一架測(cè)試用F-35B的推力矢量噴口控制液壓管道失效，導(dǎo)致全部F-35B飛機(jī)停飛。事故調(diào)查表明問(wèn)題由管道供應(yīng)商派克漢尼芬公司的制造缺陷導(dǎo)致。

2013年2月，愛(ài)德華空軍基地一臺(tái)F135發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片發(fā)現(xiàn)了約15mm長(zhǎng)裂紋，但是普惠公司表示該事故可能由于孤立制造缺陷或者長(zhǎng)期過(guò)熱環(huán)境使用導(dǎo)致，不涉及設(shè)計(jì)問(wèn)題。但是此次故障一度引發(fā)了全部F-35飛機(jī)的停飛。

2013年12月，一臺(tái)測(cè)試用F135在使用時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的77%時(shí)發(fā)生了第一級(jí)空心風(fēng)扇葉盤破裂。普惠公司打算將第一級(jí)風(fēng)扇葉盤改為抗裂性能更好的實(shí)心葉盤結(jié)構(gòu)，但會(huì)增加約2.7kg的質(zhì)量。

圖7 F135發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇級(jí)間封嚴(yán)

2014年6月，一架F-35B空中發(fā)生了險(xiǎn)情并緊急降落。事故懷疑由F135的一個(gè)油門閥缺陷引起。普惠對(duì)所有F135進(jìn)行了篩查，發(fā)現(xiàn)數(shù)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均存在隱患。

2014年6月23日，恩格林空軍基地一架F-35A起飛時(shí)突然起火造成飛機(jī)嚴(yán)重?fù)p毀。事故調(diào)查委員會(huì)（AIB）的調(diào)查表明該事故由F135發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤第三級(jí)風(fēng)扇葉片碰磨所致。F135發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和靜子之間采用板式封嚴(yán)(plate seal)，轉(zhuǎn)子軸頸凸出的肋板與附有泡沫耐磨條帶的靜子凹槽互相配合形成封嚴(yán)，如圖 7所示。這種封嚴(yán)結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)不會(huì)出現(xiàn)碰摩或者僅產(chǎn)生非常有限的碰摩，據(jù)稱起火事故是由于3個(gè)星期前該飛機(jī)在一次機(jī)動(dòng)飛行中轉(zhuǎn)靜子碰摩引起的。該機(jī)動(dòng)動(dòng)作包括了持續(xù)2s的偏航、滾轉(zhuǎn)與大過(guò)載組合，引起了轉(zhuǎn)靜子碰摩導(dǎo)致材料溫度達(dá)到了1038℃（1900°F），超過(guò)了材料538℃（1000°F）的許用溫度，使轉(zhuǎn)子葉片出現(xiàn)了微裂紋。

圖8 F135發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子斷裂發(fā)展次序

AIB的事故報(bào)告中公布了斷裂的發(fā)展過(guò)程，如圖8所示。疲勞裂紋始于封嚴(yán)肋板邊緣并沿徑向向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，裂紋侵入鼓筒，裂紋同時(shí)沿鼓筒向前后擴(kuò)展，使軸頸失去了環(huán)箍強(qiáng)度，導(dǎo)致封嚴(yán)肋板處以及軸頸處均發(fā)生軸向斷裂破壞。

2018年9月28日， 一 架F-35B型戰(zhàn)斗機(jī)在美國(guó)南卡羅來(lái)納州進(jìn)行訓(xùn)練飛行時(shí)墜毀，飛行員成功逃生。10月11日，美國(guó)國(guó)防部宣布，所有F-35戰(zhàn)機(jī)暫時(shí)停飛以進(jìn)行檢查。美國(guó)政府問(wèn)責(zé)辦公室在2019年5月的一份報(bào)告中將這一事故的原因歸為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油管制造缺陷，導(dǎo)致其在飛行中斷裂，發(fā)動(dòng)機(jī)推力喪失。

結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，很多問(wèn)題無(wú)法通過(guò)事先分析或仿真預(yù)料得到，只有在試驗(yàn)以及使用中不斷暴露問(wèn)題并逐步完善產(chǎn)品。即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的普惠公司，在成熟的F119核心機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)一款新產(chǎn)品也難免經(jīng)歷很多挫折。以現(xiàn)在的角度來(lái)衡量，F(xiàn)135是一款成功的發(fā)動(dòng)機(jī)。截至2018年8月，F(xiàn)135發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量已經(jīng)突破400臺(tái)。此外，普惠公司對(duì)F135進(jìn)一步推出了兩階段增推計(jì)劃。2018年3月，F(xiàn)135推力達(dá)到了204kN，這一紀(jì)錄使得其他軍用發(fā)動(dòng)機(jī)難以望其項(xiàng)背。