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从美国的发动机大战看日本的XF9-1发动机

日本的XF9-1发动机问世 ， 有些人心里感觉非常不好 。 这也不奇怪 ， 人之常情 。 他们原来成天嘲笑日本几十年没搞过航空发动机 ， 没有系统集成能力 ， 虽然零件造得不错 ， 但是没有风洞 ， 没有发动机高空试验台 ， 给米国打下手还可以 ， 搞整机那是不行的 。 现在日本不但搞出航空发动机 ， 而且还是亚洲国家中推力最大的 ， 的确让某些人面子上过不去 。 见小日本搞出大推力的航空发动机后 ， 这些人又说了 ， 当年米国的F-100在72年就搞出来了 ， 但是一直到80年代才解决了可靠性问题 。 小日本虽然搞出航空发动机 ， 但是要想成熟可用起码也要十年以后 。 到那时 ， 我们的航空发动机起码甩他们几条街了 。 米国的F-100花了好多年才解决可靠性问题的确是事实 ， 但是为什么花了那么多年才解决可靠性问题？日本的航空发动机是否也要再花10多年时间才能成熟？这是一个有趣的问题 。 要说到米国的F-100的可靠性问题就不得不谈到米国的发动机大战 。 一般来说 ， 新一代装备服役之日 ， 就是下一代装备研制之时 。 当波音的B-52轰炸机和麦道的F-4鬼怪式战斗机大量装备米国海军和空军时 ， 米国海空军的下一代战斗机和轰炸机的研制也就开始了 。 这一次海军的战斗机F-14由格鲁曼公司研制 ， 空军的战斗机F-15由麦道研制 ， 而B-1轰炸机则由罗克韦尔研制 。 同时五角大楼向通用电气（GE）公司和普拉特·惠特尼公司（PW）发出邀请 ， 让他们给这三款飞机提供全新的发动机 。 当时五角大楼的想法是F-14和F-15共用一种发动机 ， 以增加产量、降低研发成本和维护保养的成本 ， 由于轰炸机和战斗机对发动机的要求不同 ， 可以另外弄一种 。 为了争夺米国海空军的发动机大单 ， PW和GE展开了一场龙争虎斗 ， 双方都带来自己最新的核心机进行对比试验 。 在试验中 ， GE的核心机出现叶片断裂 ， 打坏发动机的现象 ， 给五角大楼留下不太好的印象 。 最后PW的发动机入选 ， 成为战斗机的发动机承包商 ， 当然GE也没有空手而归 ， 得到了B-1轰炸机发动机的合同 。 轰炸机的数量远小于战斗机 ， 所以这一次算是PW胜利了 。 GE在失意之余 ， 拿着这台核心机和法国的SNECMA公司搞了个民用的CFM-56发动机 ， 不料却成了销量最大的民用喷气式发动机 ， 被波音737 ， 麦道90和空中客车的A320 ， 以及米国空军的KC-135加油机、E-3预警机等选用 。 由于米国空军的战斗机数量多于海军 ， 所以这次搞发动机是由空军牵头 。 于是在1968年 ， 米国空军跟PW公司签下合同 ， 要求他们在1972年拿出发动机的原型机 。 PW虽然拿到了合同 ， 但是这次米国空军的要求实在有点高 ， 首先在技术上 ， 要求发动机的推力有12吨 ， 推重比大于7 ， 比上一代鬼怪式战斗机的J79发动机高了不少 ， 其次是时间非常紧 ， 只有四年多的研发时间 ， 而一般情况下都是要8到10年 。 然而PW公司毕竟是非常有实力的大公司 ， 他们的设计师们硬是在4年多的时间里把这款发动机给拿出来 ， 型号是F-100 ， 推重比达到7.7 ， 推力也大于12吨 ， 这样的性能 ， 就是放在现在也不落后 。 为了达到米国空军的技术要求 ， PW在F-100上采用了两高一低的技术 ， 即低涵道比 ， 高增压比 ， 高涡轮前温度 。 为了降低发动机的重量 ， 压气机的叶片不能弄得太多 ， 但是为了达到高的增压比 ， 每一级压气机的叶片的增压比就得加大 。 单级叶片的增压比加大后 ， 对进气速度的适应就会降低 ， 这不利于发动机工作的稳定 。 同时涡轮前温度高了后 ， 燃烧室和涡轮的热负荷增大 ， 有可能会影响它们的使用寿命 。 由于空军的技术要求实在太高 ， 按PW公司的说法 ， 已经达到当时技术和材料的极限 ， 所以PW公司给空军发了个备忘录 ， 说有很多性能不能兼得 ， 你们首先要什么？空军回答说 ， 首先是推力 ， 然后是重量 ， 最后是其它性能 。 当F-100发动机出来后 ， 推力和重量都达到了空军的要求 。 于是PW公司向空军提出进行装飞机试验 。 然而空军却以装飞机试验成本高而拒绝了 ， 让PW公司将发动机投入生产 。 装飞机试验的确成本有点高 ， 有改装试验飞机的费用 ， 生产试验用发动机的费用 ， 油料费 ， 还有飞行员的人工费等 。 但是米国空军不止一次贪小便宜而惹大麻烦 ， 原来搞C-5大型运输机时贪便宜而选洛克希德公司的 ， 不用波音的方案 ， 结果投产使用后机翼出现裂纹 ， 最后多花了10亿美元补救 。 这次也是因为贪小便宜不搞装机试验 ， 错过了发现F-100发动机缺陷的最后机会 。 F-100装上F-15战斗机后 ， 其强大的推力给人留下深刻的印象 ， 并帮助F-15创造了爬升的世界纪录 。 后来苏-27打破了F-15的爬升世界纪录 ， 有人用这个来吹苏-27用的AL-31发动机是如何牛叉 。 但是F-15打破了爬升的世界纪录后继续在空军服役 ， 发动机好好地 ， 而苏-27打破了爬升的世界纪录后 ， 发动机就报废了 。 然而F-100过短的研制周期带来的问题很快就暴露出来 ， 造成大量的F-15战斗机停飞 ， 被称为机库皇后 。 主要的问题有压气机失速、燃烧室超温和涡轮叶片裂纹 。 F-100发动机虽然通过了最大推力的考核 ， 但是战斗机在空战时不可能一直是全油门状态 ， 飞行员会一下子把发动机从慢车推到全油门 ， 一下子又从全油门收到慢车 。 当从全油门收到慢车时 ， 发动机的转速降低 ， 但是进气量没有一下子降下来 ， 这时压气机的转速与进气量不匹配 ， 于是就发生压气机失速 。 同时当飞行员从慢车推到全油门时 ， 这时加力燃烧室点燃 ， 压力有可能升得比压气机的出口压力还要高 ， 压气机的空气流不进燃烧室 ， 全部被堵在压气机里 ， 这时压气机也会发生失速 。 一但压气机失速 ， 发动机就可能停车 ， 所以当时的飞行员在操纵油门时都是小心翼翼 ， 按他们的说法是在侍候发动机 。 正如PW给米国空军的备忘录里说的那样 ， 由于涡轮前温度已经达到当时技术与材料的极限 ， 所以F-100发动机燃烧室出现超温 。 特别是当飞行员反复推拉油门时 ， 燃烧室和涡轮一下子高温 ， 一下子低温 。 这样反复地加热和冷却造成了热冲击 ， 于是热裂纹也就不可避免地出现 。 当出现了这几大故障后 ， 米国空军去找PW要求他们解决 ， 当然花的钱不用PW全出 ， 空军分担一部分 。 然而在PW那里他们却碰了个软钉子 ， PW公司说 ， 压气机失速是你们的飞行员操作不当造成的 ， 至于超温和裂纹那是没有办法的事 ， 当初我都跟你们说了达到材料和技术的极限 ， 你们的地勤人员就多花点时间保养和检察了 。 合同上都写得很清楚 ， 我们也达到你们在合同上的要求 ， 后来发生的事情是你们对自己的使用要求不了解所致 ， 责任不在我方 ， 所以改进发动机的费用我们不能分担 。 PW公司之所以敢这么做 ， 主要是因为他们是米国空军战斗机发动机的唯一供应商 。 米国空军气得要命 ， 说我们给你们那么多钱 ， 让你们来做这个项目 ， 是要你们搞出一台符合我们要求的发动机 ， 而不是要你们来教我们如何做 。 双方因此扯了几年皮 ， 还把官司打到国会去 。 然而米国是个一切依照法律的国家 ， 当初合同就是这样写的 ， 米国空军没有办法 ， 只能打落的牙齿往肚里咽 。 看到空军的发动机搞成这个样子 ， 米国海军干脆直接退出 ， 因为当时F-14已经装上了PW公司的TF30发动机 ， 虽然性能不怎么好 ， 也容易出现压气机失速 ， 但是还算能用 。 闹了几年后 ， 米国空军终于明白这样和PW公司扯皮解决不了问题 ， 只能拿出钱来让PW进行改进 。 同时也发现把全部的发动机交给PW这样利用垄断地位而不负责任的供应商是危险的 ， 你拿钱给他们改进 ， 他们会不会来钓你的鱼啊 。 这时空军想起了B-1轰炸机的F-101发动机 ， 于是以F-15备用发动机的名义 ， 把F-101改进成F-110发动机 。 同时米国海军也在为TF30发动机而头疼 ， 这台发动机推力不够大 ， 同时也容易出现压气机失速 。 象世界上第一个F-14的女飞行员——卡拉·哈尔特格林就死于TF30发动机失速 。 那是一次在航母上降落时 ， 她的飞机左发动机失速造成空中停车 。 卡拉·哈尔特格林马上把发动机油门推到最大想复飞 ， 然而此时由于速度太低 ， 又只有一台发动机 ， 推力不平衡 ， 垂直尾翼没能保持飞行方向 ， 于是飞机向左一头栽进海里 。 飞行员和后座的雷达官马上跳伞 ， 但是F-14是双座战斗机 ， 为了保证安全是后座的雷达官先被弹射出去 ， 然后才是前座的飞行员 。 雷达官被弹射出去了 ， 但是卡拉·哈尔特格林来不及弹射出来 。 于是米国海空军联起手来推进F-110发动机项目 。 有了F-110 ， 空军就能给PW公司足够的压力 ， 让他们认真改进 ， 海军也能换掉TF30发动机 。 当F-110发动机准备立项时PW公司急了 。 他们先是游说国会 ， 说如果装备两种型号的发动机会花很多钱 。 同时又去找海空军 ， 说如果你们不搞F-110 ， 那么我们的发动机改进的价格会很低 ， 但是如果搞了F-110 ， 那么我们的改进价格就不那么低了 ， 到了这个时候他们还想把GE给挤出去 。 然而这次米国海空军是铁了心了 ， 不为所动 。 同时也在国会里说 ， F-110的核心机和CFM-56发动机是一样的 ， CFM-56在空军的KC-135加油机、E-3预警机上已经广泛应用 ， 维护保养不成问题 。 同时CFM-56在民航上用得那么多 ， 产量大了成本自然低 。 同时海军的F/A-18用的F-404发动机的核心机是F-110发动机核心机的缩小版 ， 用F-110对海军来说更方便维护保养 。 看到无法阻止F-110 ， PW公司终于全心全意地改进F-100发动机 ， 否则饭碗被GE给抢了 。 针对压气机失速的问题 ， PW公司改进了数字式发动机控制系统 。 当从全油门收油到慢车时 ， 发动机控制系统自动打开放气活门 ， 把进入发动机内过多的空气给放掉 。 至于开加力时造成的压气机失速 ， 通过数字式发动机控制系统控制油门 ， 以防止加力燃烧室的压力高于压气机的出口压力 。 有了数字式发动机控制系统 ， 无论飞行员怎么操作 ， 都不容易出现压气机失速的问题了 。 为了解决燃烧室超温 ， PW利用他们在民航的V2500的技术 ， 搞了个浮壁式火焰筒 。 普通的燃烧室为了防止过热 ， 需要在燃烧室里打上气孔 。 当发动机工作时 ， 冷空气从气孔里喷入燃烧室 ， 在燃烧室内壁形成一层气膜 ， 挡住高温的火焰 。 PW在燃烧室内壁再装上象鱼鳞一样的小金属片 ， 从气孔里喷出的冷空气被金属片挡住 ， 再从金属片之间喷出 ， 这样的气膜就更加均匀和完整 ， 隔热效果也更好 。 同时如果金属片被烧坏 ， 那么换一块就行了 。 至于涡轮叶片则用上最新的单晶叶片 ， 整个叶片就是一块晶体 ， 耐热性能也就提高了 。 经过这一番改进 ， F-100终于解决了三大问题 。 为了考核F-100和F-110发动机的性能 ， 米国海空军还引进了加速任务试验和战术循环 。 战术循环不再只看发动机的最大推力 ， 而是模拟真实空战时发动机的使用情况 ， 有加速、减速、巡航、最大推力等 。 最后F-100和F-110都通过了加速任务试验和战术循环的考核 ， 成为了优秀的发动机 。 在米国的空军中 ， F-15的发动机全是F-100 ， 而F-16的发动机则是两种都有 。 海军的F-14全部用F-110 。 总体上看两家平分秋色 ， GE略占上风 。 在出口上只有日本的F-15用上F-100发动机 ， 其他国家的F-15和F-16都是用F-110 。 PW和GE的这次发动机之争被称为发动机大战 ， 通过发动机大战 ， 两家公司形成良性的竞争 ， 提高了技术水平 。 米国也有了两款先进的发动机 ， 降低了采购成本 。 通过发动机大战的历史再来看日本的XF9-1发动机会不会象某些人说的那样 ， 还要十多年后才能成熟？PW的F-100发动机之所以初期出现那么多问题 ， 首先是研制周期太短 ， 同时空军对发动机的需求不太清楚 ， 又贪小便宜没有搞飞行试验 ， 以至装备部队后才发现问题 。 其次是和PW公司扯皮又花了不少时间 。 如果当初空军多给PW公司点研制时间 ， 同时也进行飞行试验 ， 那么这些问题在原型机阶段就会被发现 ， 不会出那么大的事情了 。 日本的XF9-1从2010年开始研制 ， 到2018年出原型机 ， 研制周期足够 。 以日本的材料实力 ， 不应该出现象F-100那样的超温和裂纹问题 。 同时日本装备F-15好多年了 ， 对战斗机的使用要求也心里有数 ， 不至于象F-100那样只考虑最大推力 ， 不考虑飞行员反复推拉油门造成压气机失速 。 以日本的技术水平 ， XF9-1可能再用过五六年就能达到技术成熟 。 至于这台发动机最后做得怎么样 ， 装到什么飞机上？只有时间才能给出答案 。


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