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

屈 鵬，王占學(xué)

（1.海軍駐西安地區(qū)航空軍事代表室，西安 710021；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072）

1 引言

1917年7月，英國(guó)成功地改裝了世界上第1艘專(zhuān)載作戰(zhàn)飛機(jī)的航空母艦，揭開(kāi)了艦載作戰(zhàn)飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的序幕。經(jīng)過(guò)90多年的發(fā)展，M88-2、F135和F136等噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)或?qū)⒁赗AFALE M、F-35C第4代艦載作戰(zhàn)飛機(jī)上投入使用，成為法國(guó)、美國(guó)及其盟國(guó)海軍艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的主力機(jī)種；自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)等未來(lái)1代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)正在VAATE等研究計(jì)劃下進(jìn)行通用核心機(jī)、智能發(fā)動(dòng)機(jī)等預(yù)先研究。因而，綜述國(guó)外艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程，研究其發(fā)展，對(duì)中國(guó)開(kāi)展艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)工作具有重要的參考和借鑒作用。

2 國(guó)外艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程

在經(jīng)歷活塞發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代后，20世紀(jì)40年代進(jìn)入了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)代，目前已經(jīng)發(fā)展到第4代。

2.1 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)期

從1917年艦載作戰(zhàn)飛機(jī)誕生到1945年第2次世界大戰(zhàn)結(jié)束，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)在美國(guó)和日本等國(guó)家得到大力開(kāi)發(fā)，是當(dāng)時(shí)艦載作戰(zhàn)飛機(jī)乃至所有作戰(zhàn)飛機(jī)的惟一類(lèi)型動(dòng)力裝置，在第2次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用。美國(guó)PW公司研制的 R-1340、R-1535、R-1830、R-2800、R-4360 發(fā) 動(dòng)機(jī)，美國(guó)懷特公司研制的 R-1300、R-1820、R-2600、R-3350發(fā)動(dòng)機(jī)，日本中島公司研制的Sakae 12/11/21、Homare 1l/12/21、Kotobuki 41 發(fā)動(dòng)機(jī)，日本三菱公司研制的Kasei MK4U 25等型發(fā)動(dòng)機(jī)，日本愛(ài)知公司研制的Atsuta 21/32等活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，均應(yīng)用到了艦載作戰(zhàn)飛機(jī)上。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率達(dá)到3500 kW，最低耗油率降到 0.28 kg/daN·h，最大功重比達(dá)到1470 W/kg。

2.2 渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)期

第2次世界大戰(zhàn)以后，英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、前蘇聯(lián)、法國(guó)等國(guó)家先后研制了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，逐步取代了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，成為海軍艦載作戰(zhàn)飛機(jī)乃至所有空、海軍作戰(zhàn)飛機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，使作戰(zhàn)飛機(jī)從活塞加螺旋槳時(shí)代進(jìn)入了噴氣時(shí)代。其中，美國(guó)、法國(guó)和前蘇聯(lián)(俄羅斯)開(kāi)發(fā)了艦載作戰(zhàn)飛機(jī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。典型艦載作戰(zhàn)飛機(jī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 典型艦載作戰(zhàn)飛機(jī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

在20世紀(jì)40年代成功地實(shí)現(xiàn)仿制后，美國(guó)GE、PW公司的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作進(jìn)展迅速，到60年代已經(jīng)趕上、甚至超過(guò)了英國(guó)，居于世界先進(jìn)水平。

1941年10月，GE公司引進(jìn)英國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)仿制了GE-1A發(fā)動(dòng)機(jī)，之后發(fā)展了J33離心式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并在美國(guó)海軍AJ-1(A-2A)艦載轟炸機(jī)上投入使用。20世紀(jì)50年代，CE公司為美國(guó)海軍改型研制了J79-2、-4、-8、-10發(fā)動(dòng)機(jī)，并應(yīng)用到F-4艦載戰(zhàn)斗機(jī)和A-5艦載攻擊機(jī)上。

1947年，PW公司由英國(guó)尼恩和苔茵離心噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)仿制了J42-6、J42-8和J48發(fā)動(dòng)機(jī)，分別應(yīng)用在美國(guó)海軍F9F-2、F9F-3和F9F-6艦載戰(zhàn)斗機(jī)上。20世紀(jì)50 年代，PW公司自行設(shè)計(jì)了 J57-P-2、-4、-8、-10、12和-16等發(fā)動(dòng)機(jī)，并先后將其應(yīng)用到美國(guó)海軍的F4D-1、F8U、F5D1、F8U-1、F8U-2 單發(fā)艦載戰(zhàn)斗機(jī)和A3D-2雙發(fā)艦載攻擊機(jī)上；自行研制了J52-6、-8、-408等渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，并應(yīng)用到美國(guó)海軍A-4與A-6艦載攻擊機(jī)和EA-6雙座雙發(fā)電子對(duì)抗機(jī)上。

法國(guó)的ECMA公司于1945年以從德國(guó)引進(jìn)的BMW-003發(fā)動(dòng)機(jī)為原準(zhǔn)機(jī)，陸續(xù)發(fā)展了22個(gè)型別的阿塔發(fā)動(dòng)機(jī)，其中的阿塔8K50是法國(guó)海軍超軍旗(Super Etendard)艦載戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置。

前蘇聯(lián)于1946和1947年從德國(guó)引進(jìn)了JUMO-004與BMW-003渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和尼恩與德溫特等渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，先仿制后自行研制了一些渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其中的AL-21成為了Yak-38艦載直升機(jī)的動(dòng)力裝置。

2.3 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)期

20世紀(jì)60年代以后，由于具有推力大、排氣速度較低和耗油率低(較渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)降低1/3左右)等特點(diǎn)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)很快取代了渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，成為航空動(dòng)力裝置的主導(dǎo)機(jī)型。典型艦載作戰(zhàn)飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 典型艦載作戰(zhàn)飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

2.3.1 英國(guó)的研制情況

在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制方面，英國(guó)又一次走在了世界的最前面。RR公司于1948年就開(kāi)始探索研究雙涵道發(fā)動(dòng)機(jī)。1964～1968年，在民用SPEYMK51l發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，RR公司成功地研制了軍用SPEY MK202發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其應(yīng)用到從美國(guó)進(jìn)口的F-4K海軍雙發(fā)艦載戰(zhàn)斗機(jī)上。20世紀(jì)60年代，RR公司和美國(guó)A11ison公司合作為A-7E艦載攻擊機(jī) (第68架后)改型研制了TF41-A-2(A11ison 912-B14 RB168-66)發(fā)動(dòng)機(jī)。1975年，在研制了Pegasus(飛馬)MK101、MK102、MK103發(fā)動(dòng)機(jī)后，RR 公司又發(fā)展了艦載型MK1104發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1979年9月在美國(guó)海軍“海鷂”單發(fā)戰(zhàn)斗/偵察/攻擊機(jī)上投入使用。1985和1990年，RR公司又先后改進(jìn)研制了Pegasus11-21、MK106(F402-RR-406)和 Pegasus11-61(F402-RR-408)發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其應(yīng)用到美國(guó)和英國(guó)海軍的AV-8BII近距支援/攻擊機(jī)上。但是，由于受綜合國(guó)力和科技水平等因素的影響，英國(guó)沒(méi)有能夠保持快速發(fā)展。

2.3.2 美國(guó)的研制情況

美國(guó)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制略晚于英國(guó)。20世紀(jì)50年代末到60年代初，美國(guó)民用飛機(jī)動(dòng)力裝置掀起了渦扇化的研制高潮。1961～1966年，PW公司陸續(xù)研制了 TF30-6、-8、-100、-408、-412A、-414、-414A 等發(fā)動(dòng)機(jī)，并將其應(yīng)用到A-7艦載攻擊機(jī)和F-14艦載戰(zhàn)斗機(jī)上，成為美國(guó)第1型艦載渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。在1966～1972年，GE公司以GE1核心機(jī)為基礎(chǔ)，借鑒TF39和CF6發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，成功地研制了TF34-GE-2艦載渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1975年又成功地改進(jìn)研制了TF34-GE-400A發(fā)動(dòng)機(jī)。這2型發(fā)動(dòng)機(jī)很好地滿(mǎn)足了美國(guó)海軍S-3反潛機(jī)“長(zhǎng)距離、低空巡邏與巡航”的戰(zhàn)術(shù)要求。1975～1982年，以YJ101連續(xù)放氣式渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，按照突出作戰(zhàn)適應(yīng)性、艦載適應(yīng)性、可靠性和可維護(hù)性的研制原則，GE公司成功地研制了F404-GE-400艦載型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),成為當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的艦載戰(zhàn)斗機(jī)F/A-18A/8的動(dòng)力裝置。此后，以F404-GE-400發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，采用成熟的先進(jìn)部件技術(shù)，CE公司改進(jìn)研制了 -400D、-402、-100、-F1J1/RM12、-F2J1、-F5D2(F412)等多型陸基和艦載發(fā)動(dòng)機(jī)。1976～1986年，為了改變配裝美國(guó)空軍F-15/F-16戰(zhàn)斗機(jī)的F100發(fā)動(dòng)機(jī)與配裝美國(guó)海軍F-14艦載機(jī)的TF30發(fā)動(dòng)機(jī)頻頻出現(xiàn)耐久性、可靠性和可維護(hù)性等問(wèn)題的窘迫局面，GE公司以F101發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)為基礎(chǔ)成功地研制了F110-GE-100空軍陸基發(fā)動(dòng)機(jī)和F110-GE-400海軍艦載基發(fā)動(dòng)機(jī)。1991～1999年，以F404發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，采用RM12發(fā)動(dòng)機(jī)的3級(jí)風(fēng)扇、F412發(fā)動(dòng)機(jī)的7級(jí)壓氣機(jī)、GE23A/F412發(fā)動(dòng)機(jī)的單級(jí)高壓渦輪、YF120發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室、F110-GE-129發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管、YF120發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，GE公司成功地研制了F414-GE-400艦載型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。1996年以來(lái)，在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)研究計(jì)劃下，PW和GE公司分別研制了F135和F136發(fā)動(dòng)機(jī)，再次成為美國(guó)及至世界上最先進(jìn)的艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的動(dòng)力裝置，目前正在進(jìn)行飛行試驗(yàn)，預(yù)計(jì)2013年以后投入使用。正是由于始終保持技術(shù)研究的規(guī)模，并始終注重基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)的研究，美國(guó)很快發(fā)展成為世界上戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，并且始終處于遙遙領(lǐng)先的地位。

2.3.3 其他國(guó)家的研制情況

法國(guó)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是沿著“引進(jìn)仿制、消化繼承、改進(jìn)改型、自主創(chuàng)新”的發(fā)展道路發(fā)展起來(lái)的。20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，借鑒積累的M53發(fā)動(dòng)機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，利用先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃和驗(yàn)證機(jī)研究計(jì)劃開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證的先進(jìn)技術(shù)，SNECMA公司成功地研制了M88-2準(zhǔn)第4代陸基與艦載兩棲型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1999年將其應(yīng)用到了RAFALE M“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)上，躋身于世界戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)國(guó)之列。

俄羅斯艦載渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作起動(dòng)很晚。直到20世紀(jì)90年代，俄羅斯才由D-33和AL31F發(fā)動(dòng)機(jī)衍生研制了艦載型RD33K和AL31FK發(fā)動(dòng)機(jī)，目前已經(jīng)明顯落后于美國(guó)。

3 艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)

經(jīng)過(guò)90多年的發(fā)展，隨著流體力學(xué)、熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)、控制理論等學(xué)科的不斷進(jìn)步，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，與陸基作戰(zhàn)飛機(jī)相比呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

3.1 特殊的存放和使用要求

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)經(jīng)歷了相似的發(fā)展過(guò)程，即：從活塞發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展到渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，再進(jìn)一步發(fā)展到渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。除了滿(mǎn)足陸基作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求外，還必須滿(mǎn)足在以航空母艦為基地的海洋環(huán)境下存放和使用的以下特殊要求。

（1）較大的推力和良好的加速性。據(jù)資料報(bào)道，與陸基作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大12%～19%；從慢車(chē)加速到中等推力的時(shí)間由5 s縮短到4s；在著艦失敗后實(shí)現(xiàn)安全復(fù)飛，由慢車(chē)加速到最大推力要在3s內(nèi)完成。這要通過(guò)高的循環(huán)參數(shù)和良好的機(jī)動(dòng)性保證。

（2）防止大氣、鹽霧、潮濕和霉菌腐蝕的能力,可通過(guò)先進(jìn)的耐腐蝕、耐高溫材料與涂層保證。

（3）更強(qiáng)的抗過(guò)載和抗沖擊能力,可通過(guò)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證。

（4）較強(qiáng)的抗進(jìn)氣畸變能力,需要大的喘振裕度、機(jī)匣處理、可調(diào)靜子等保證。

（5）較高的可靠性、耐久性和可維護(hù)性，以及較低的耗油率,可采用單元體結(jié)構(gòu)、少零件設(shè)計(jì)、輕質(zhì)量零件設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)控和視情維護(hù)、適當(dāng)安裝孔探儀、防錯(cuò)設(shè)計(jì)等保證。

此外，還需要具有在整個(gè)飛行包線內(nèi)自動(dòng)空中起動(dòng)和較低的紅外和電磁輻射能力。

3.2 相似的研制思想成熟過(guò)程

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)經(jīng)歷了相似的發(fā)展過(guò)程，其研制思想也是逐步發(fā)展成熟的。

20世紀(jì)70年代以前，作戰(zhàn)飛機(jī)活塞和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研制將提高性能作為重中之重，結(jié)果研制出來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能的確取得了顯著提高，但是作戰(zhàn)適應(yīng)性、可靠性、耐久性和可維護(hù)性明顯過(guò)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。

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(méi)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。

從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)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(zhǎng)壽命的前提下提高性能。

21世紀(jì)初，美國(guó)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)高性能、耐久性好和費(fèi)用低，調(diào)整為追求經(jīng)濟(jì)可承受性。具體目標(biāo)是，通過(guò)開(kāi)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，具體到大型渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比提高200%，燃油消耗降低25%，設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)費(fèi)用降低60%。

3.3 相似的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

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)經(jīng)歷了相似的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。在性能方面，推重比已經(jīng)提高到10，未來(lái)l代可能提高到15以上；渦輪進(jìn)口溫度已經(jīng)提高到1800～1950 K，未來(lái)1代可能提高到2200 K以上。

在結(jié)構(gòu)方面，葉輪機(jī)減少到第4代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的8～9/1+1級(jí)，未來(lái)1代可能減少到4～6/l+l/2級(jí)；燃燒室發(fā)展為第4代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的短環(huán)形，未來(lái)1代可能發(fā)展為高溫升超短型；部件和組件的設(shè)計(jì)正在向簡(jiǎn)單化和緊湊化發(fā)展；熱端部件冷卻正在向高效化發(fā)展。

在材料方面，采用陶瓷、復(fù)合材料的范圍越來(lái)越廣且比例越來(lái)越大，正在向“非金屬發(fā)動(dòng)機(jī)”或“全復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)”方向發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)90多年的發(fā)展，艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)完成了向渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)變，推重比、可靠性、耐久性、可維護(hù)性等指標(biāo)也已經(jīng)提高數(shù)倍，耗油率和全壽命費(fèi)用已經(jīng)大大降低。未來(lái)1代艦載作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正在VAATE等技術(shù)研究計(jì)劃下開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，相信，其性能會(huì)大大提高、費(fèi)用明顯降低、經(jīng)濟(jì)可承受性顯著提高。

[1]田寶林.艦載飛機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置特殊要求的分析(上)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),1997(2):52-57.

[2]田寶林.艦載飛機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置特殊要求的分析(下)[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī),1997(3):58-64.

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