燃?xì)鉁u輪發(fā)動機大變身

航空工業(yè)素有“工業(yè)之花”的美名，是代表一國科技、經(jīng)濟和國防水平的重要標(biāo)志。而集現(xiàn)代科技之大成的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，又被譽為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”?？梢姾娇瞻l(fā)動機在航空工業(yè)乃至整個工業(yè)體系中的重要地位。由于研制一種新型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機需要投入數(shù)億甚至數(shù)十億美元的經(jīng)費，航空工業(yè)強國為了降低風(fēng)險，往往采取核心機發(fā)展戰(zhàn)略和衍生發(fā)展的方法。即在一種核心機基礎(chǔ)上，研制出渦槳、渦軸、渦扇等發(fā)動機，或者在一種成熟發(fā)動機基礎(chǔ)上派生出不同型別、不同用途的發(fā)動機。

核心機的概念

航空發(fā)動機的核心機亦稱燃?xì)獍l(fā)生器，是指多轉(zhuǎn)子燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中由高壓壓氣機、燃燒室和驅(qū)動高壓壓氣機的高壓渦輪等三個部件以及有關(guān)附件組成的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的核心部分。核心機的特點是溫度高、壓力高、轉(zhuǎn)速高、承受的應(yīng)力大，對發(fā)動機的性能和可靠性影響最大。核心機因此成為航空發(fā)動機研制中主要難點和關(guān)鍵技術(shù)最集中的部分，也是航空發(fā)動機先進性和復(fù)雜性的集中體現(xiàn)。

從技術(shù)途徑講，核心機是利用在應(yīng)用研究和探索發(fā)展中得到的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的核心部分，在真實環(huán)境下評估這些核心機技術(shù)的性能、成本和耐久性。有了這種關(guān)鍵硬件的驗證，在將這些技術(shù)轉(zhuǎn)移到工程發(fā)展時就能減少風(fēng)險，并縮短工程發(fā)展的周期，降低成本。因此，核心機發(fā)展戰(zhàn)略作為預(yù)先發(fā)展的重要內(nèi)容，較好地解決了發(fā)動機與飛機機體研制進度的協(xié)調(diào)問題。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機誕生以來，向著渦噴、渦槳、渦扇等類型發(fā)展。這些發(fā)動機盡管大小不同，外形各異，卻可以擁有相同的核心部分。因此，設(shè)計人員為了降低研制成本與風(fēng)險，往往采取系列化的發(fā)展戰(zhàn)略。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機系列化的最主要途徑是保持一臺成熟的核心機基本幾何參數(shù)不變的情況下，通過改變風(fēng)扇或低壓壓氣機直徑、級數(shù)以及渦輪的冷卻技術(shù)或材料來改變發(fā)動機的主要循環(huán)參數(shù)，如增壓比、涵道比、渦輪進口溫度等，獲得不同性能和用途的發(fā)動機。由于采用模塊化設(shè)計，在同一核心機上配上從其他研究計劃中得到的不同風(fēng)扇或低壓渦輪、加力燃燒室、控制系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)等，就能夠像搭積木一樣，以較低的風(fēng)險研制出覆蓋一定推力（功率）范圍，滿足不同用途的一系列發(fā)動機，從而實現(xiàn)核心機的多用途目標(biāo)。利用核心機發(fā)展系列發(fā)動機的道路始終受到航空發(fā)達(dá)國家的高度重視，并成為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機系列發(fā)展的主要技術(shù)途徑。

核心機發(fā)展的典型代表

喜歡軍事的朋友大抵都知道美國的S-3、A-10、B-1、C-5、F-14、F-15等飛機，如果有人說這些大小不同、用途各異的飛機使用的發(fā)動機均來自一個核心機計劃，您可能不會相信。事實上，不光這些軍用飛機，還有許多大小不等的民用飛機及其派生出的軍用飛機的發(fā)動機也與這個計劃有關(guān)。

20世紀(jì)50年代末，美國空軍開始實施輕型燃?xì)獍l(fā)生器計劃，分別和通用電氣公司、普拉特·惠特尼公司簽訂了研發(fā)合同，打算以此核心機為基礎(chǔ)，根據(jù)需要發(fā)展成戰(zhàn)斗機、轟炸機、運輸機的動力裝置。60年代初，通用電氣公司根據(jù)美國海軍提出的對新一代戰(zhàn)斗機的要求和對其他9種可能發(fā)展的軍用飛機綜合考慮后，確定了GE1核心機的性能和尺寸。通用電氣公司在這個核心機基礎(chǔ)上保持外徑不變，不斷改進出一系列的核心機，包括對以后具有重大影響的GE1/6、GE9和GE1/10。通用電氣公司在這些核心機基礎(chǔ)上分別發(fā)展出YJ101、TF34、TF39、F101、F110、F404等許許多多的發(fā)動機，推力從40千牛到263千牛。

1964年5月，美國空軍根據(jù)對研制C-5戰(zhàn)略運輸機的要求，提出新型發(fā)動機招標(biāo)。1965年，通用電氣公司和普惠公司分別提出GE1/6和STF200驗證機（核心機）作為投標(biāo)。同年8月，美國空軍宣布通用電氣公司獲勝，不久之后將該發(fā)動機正式編號為TF39。該發(fā)動機不僅是世界上第一臺采取核心機方式產(chǎn)生的航空發(fā)動機，也是首臺高涵道比渦扇發(fā)動機。

1966年末，美國海軍分別與通用電氣公司和艾利遜公司簽訂了研制S-3艦載反潛機動力裝置的合同。1968年4月，通用電氣公司的TF34高涵道比渦扇發(fā)動機設(shè)計方案中選。該發(fā)動機以GE1為基礎(chǔ)，并吸取了TF39和CF6的風(fēng)扇技術(shù)。1972年8月，TF34通過了定型試車，9月，首臺生產(chǎn)型發(fā)動機交付海軍使用。

F101是通用電氣公司為B-1戰(zhàn)略轟炸機研制的中等涵道比渦扇發(fā)動機。它的研制過程可以追溯到60年代中期，當(dāng)時該公司正按美國空軍要求實施第二代先進渦輪發(fā)動機燃?xì)獍l(fā)生器計劃，編號為GE9。1969年，在為爭奪用于B-1轟炸機的競爭中GE9獲勝。1971年10月核心機首次試驗。最終定型投產(chǎn)的B-1B轟炸機安裝了F101-GE-102發(fā)動機。

航空發(fā)動機的衍生發(fā)展

衍生發(fā)展從本質(zhì)上講也是核心機發(fā)展方式，只是與TF39、F101等為代表的直接從核心機計劃發(fā)展而來的新型發(fā)動機不同，是對已有發(fā)動機的繼承。從時間上看，衍生發(fā)展方式比核心機之路還要早。

自從20世紀(jì)50年代末美國對J57、J79進行渦扇化改型之后，西方國家的航空強國走上了衍生發(fā)展的系列化發(fā)展道路。在衍生發(fā)展方面，一些航空發(fā)動機制造商走出了具有各自特色的發(fā)展道路。

普惠公司利用衍生發(fā)展之路，開辟了不同于通用電氣公司的廣闊天地。以J52渦噴發(fā)動機為例，該型發(fā)動機作為A-4、A-6攻擊機的動力裝置，與海軍飛機有著深厚的淵源。該發(fā)動機的重要改型JT8D渦扇發(fā)動機，被安裝于波音727、波音737、DC-9/MD-80、“快帆”等客機上，是世界上首臺銷量超過萬臺的渦扇發(fā)動機。在JT8D基礎(chǔ)上派生出的RM8，則是瑞典Saab-37戰(zhàn)斗機的動力裝置。再以1947年開始設(shè)計的J57渦噴發(fā)動機為例，該發(fā)動機被用于海軍的F4D/F-6、F8U/ F-8戰(zhàn)斗機、A3D/A-3攻擊機，空軍的F-100、F-101、F-102戰(zhàn)斗機，B-52轟炸機（大部分型號）、KC-135A加油機等。其民用改型JT3C被波音707、DC-8等客機采用。1957年，世界上首臺渦扇發(fā)動機英國的“康維”完成定型試驗。為了追趕英國，普惠公司將JT3C-7改成 JT3D小涵道比渦扇發(fā)動機。該發(fā)動機廣泛應(yīng)用于波音707、DC-8等飛機上。JT3D的軍用型號TF33被安裝于C-135系列、C-141、B-52H、E-3、E-8、RB-57F等飛機上面。在J57基礎(chǔ)上放大而來的J75，被應(yīng)用于F-105、F-106、U-2/TR-1等飛機，其民用型號JT4曾用作波音707和DC-8的動力裝置。1958年，普惠公司開始研制民用的JTF10A發(fā)動機，但未獲得應(yīng)用。1961年末，美國海空軍提出F-111戰(zhàn)斗機的設(shè)計要求，并選中了JTF10A的軍用型TF30-P-1。TF30是世界上首次用于戰(zhàn)斗機的超音速加力渦扇發(fā)動機，除用于F-111外，還用于F-14戰(zhàn)斗機，其無加力型用于A-7艦載攻擊機。

通用電氣公司除了在GE1系列核心機基礎(chǔ)上研發(fā)有多種世界知名的航空發(fā)動機外，還在這些成熟的發(fā)動機中衍生發(fā)展出F110、F404、F414、CF6（軍用編號為F103）、CFM56（軍用編號為F108）等發(fā)動機。以F/A-18戰(zhàn)斗機使用的F404發(fā)動機為例，該發(fā)動機源自為YF-17研制的YJ101渦噴發(fā)動機。YJ101發(fā)動機則由在F101核心機基礎(chǔ)上按比例縮小的GE15發(fā)展而來，后來通用電氣公司又將其放大為F404發(fā)動機。通用電氣公司在F404基礎(chǔ)上還為已經(jīng)下馬的A-12艦載攻擊機研制了無加力型的F412發(fā)動機。進入90年代以后，為滿足F/A-18E/F戰(zhàn)斗機的需求，通用電氣公司利用F404的風(fēng)扇和尾噴管、F412的高壓壓氣機和高低壓渦輪、為第四代戰(zhàn)斗機研制的YF120發(fā)動機的加力燃燒室等研制了F414發(fā)動機。通用電氣衍生發(fā)展的好戲還沒有結(jié)束，該公司在F101核心機基礎(chǔ)上研發(fā)了兩種非常成功的發(fā)動機。一個是被用于F-14、F-15、F-16等戰(zhàn)斗機的F110。該發(fā)動機的無加力型F118，主要用于B-2A和U-2S。第二個是與法國斯奈克瑪公司研制的當(dāng)代最成功的CFM56發(fā)動機，被KC-135/RC-135、E-3、E-6、波音737/P-8/E-737/C-40、A320、A340、DC-8等軍民用飛機大量使用，是繼JT8D之后又一銷量超過萬臺的軍民用發(fā)動機。

英國的羅羅公司在兼并納皮爾公司和布里斯托爾·西德利公司后，成為英國唯一的航空發(fā)動機制造企業(yè)，1995年，羅羅公司收購了艾利遜發(fā)動機公司（成為羅羅美國公司）。目前，該公司是排名僅次于通用電氣公司的世界第二大航空發(fā)動機制造商。羅羅公司與普惠公司一樣，在基準(zhǔn)型發(fā)動機基礎(chǔ)上不斷衍生新的發(fā)動機，具有很強的繼承性。例如，“康維”作為世界上第一臺渦扇發(fā)動機，許多技術(shù)源自“埃汶”渦噴發(fā)動機。再以我“飛豹”戰(zhàn)斗轟炸機使用的“斯貝”Mk202為例，該發(fā)動機屬于人丁興旺的“斯貝”家族的一員。“斯貝”和F-14使用的TF30一樣原是一種民用發(fā)動機，曾被“三叉戟”、BAC-111、?？薋.28、“灣流”Ⅱ/Ⅲ等飛機使用。其中的一個軍用型號被“掠奪者”艦載攻擊機和“獵迷”海上巡邏機使用，另一個是美國的仿制型號即用于空軍型A-7攻擊機的TF41，還有就是“斯貝”Mk202。后者除了“飛豹”使用外，英國?？哲姷摹肮砉帧币彩褂眠@款發(fā)動機。民用型的“斯貝”后來又派生出“泰”高涵道比渦扇發(fā)動機，供?？?00、“灣流”Ⅳ等飛機使用。

核心機發(fā)展戰(zhàn)略和衍生發(fā)展不僅表現(xiàn)在渦扇發(fā)動機，在渦槳和渦軸發(fā)動機方面也不乏成功范例。

執(zhí)世界渦槳發(fā)動機牛耳的美國艾利遜公司從1944年即開始渦槳發(fā)動機的設(shè)計工作。T40是艾利遜公司設(shè)計成功的第一臺渦槳發(fā)動機，不久，艾利遜公司便在XT38和T40發(fā)動機基礎(chǔ)上研制出暢銷的501/T56渦槳發(fā)動機。1985年，該公司從T56和501發(fā)動機發(fā)展起來的T406渦軸發(fā)動機被V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機采用。在此基礎(chǔ)上又研制出AE3007渦扇發(fā)動機和AE2100渦槳發(fā)動機。另外，艾利遜公司研制的250型，軍方編號為T63，是一種既可供小型飛機使用，又可供小型直升機使用的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機。

穩(wěn)坐世界航空發(fā)動機頭把交椅的通用電氣公司，除了在渦噴、渦扇發(fā)動機方面頗有建樹外，在渦軸和渦槳發(fā)動機方面也有不少成就。該公司在GE12核心機基礎(chǔ)上，做些小的改動使之成為T700渦軸發(fā)動機，用于“黑鷹”/“海鷹”、AH-64、EH101等直升機。在T700基礎(chǔ)上研發(fā)的CT7渦槳發(fā)動機，用于CN.235、Saab340等飛機上。在此之前，通用電氣公司研發(fā)了主要用于H-53直升機的T64/ CT64渦軸發(fā)動機，其渦槳型主要用于G222/C-27運輸機和PS-1/US-1水上飛機。

其他國家，如蘇聯(lián)/俄羅斯、加拿大、英法等國研發(fā)的渦槳和渦軸發(fā)動機皆有類似情況。

艦船用燃?xì)廨啓C

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機領(lǐng)域是個多姿多彩的世界，技術(shù)與需求使其變化多端。除個別專門研制的燃?xì)廨啓C外，絕大多數(shù)艦船用燃?xì)廨啓C為航空發(fā)動機改裝而來的輕型燃?xì)廨啓C（簡稱航改燃機）。目前，英國和美國是兩個將航空用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機衍生成艦船用燃?xì)廨啓C的主要國家。

英國于20世紀(jì)50年代以來，研制、生產(chǎn)的航改燃機主要有在“奧林帕斯”Mk202渦噴發(fā)動機基礎(chǔ)上研制的“奧林帕斯”TM1A、TM2A、TM3B、TM3C燃?xì)廨啓C，在“苔茵”渦槳發(fā)動機基礎(chǔ)上衍生的“苔茵”RM1A、RM1C燃?xì)廨啓C，在“斯貝”渦扇發(fā)動機基礎(chǔ)上衍生而來的“斯貝”SM1A、SM1C、SM2C燃?xì)廨啓C，在RB211、“遄達(dá)”“泰”等航空發(fā)動機基礎(chǔ)上研制的WR21燃?xì)廨啓C，在“遄達(dá)”800基礎(chǔ)上研發(fā)的MT30燃?xì)廨啓C等型別。這些動力裝置分別用在護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、巡洋艦、航空母艦、破冰船等艦船上。

美國海軍應(yīng)用燃?xì)廨啓C晚于英國約5年，即在60年代初期開始考慮將燃?xì)廨啓C應(yīng)用于艦艇。在1969年以后，美國海軍常規(guī)動力迅速走上了全燃推進的道路，其燃?xì)廨啓C的裝艦數(shù)量大大超過其他國家，由此確立了美國在艦船用燃?xì)廨啓C領(lǐng)域中的霸主地位。美國的幾家航空發(fā)動機制造商先后研發(fā)了LM1500、LM2500、LM5000、LM1600、FT4、FT8、FT9、 ST18A、ST40、570-K、TF25、TF40、TF50等艦船用燃?xì)廨啓C。

盡管美國研發(fā)了多種艦船用燃?xì)廨啓C，但對世界艦船動力最具影響力的則是LM2500。1968年，通用電氣公司以TF39的核心機為基礎(chǔ)，開始研制LM2500艦船用燃?xì)廨啓C。自從1975年投入使用以來，LM2500系列燃?xì)廨啓C已經(jīng)占據(jù)了世界艦船用燃?xì)廨啓C的大部分份額，分別裝在輕型航空母艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、兩棲登陸艦、巡邏艦、氣墊船、水翼艇等艦船上。

中國航空工業(yè)在20世紀(jì)七八十年代，在航改燃機方面取得了一些成就。進入21世紀(jì)以來，中航工業(yè)繼成功研制出“昆侖”、“太行”發(fā)動機以后，在其基礎(chǔ)上又先后推出QC185、QC260等一系列的艦船用燃?xì)廨啓C。