21世紀戰斗機動力

方昌德

戰斗機發動機一直處于發動機技術的前沿。在第二次世界大戰即將結束時，新問世的渦輪噴氣發動機首先是在戰斗機上取代活塞式發動機的。此后的半個世紀以來，戰斗機發動機作為一些軍事和經濟強國的投資和開發重點，在技術上取得了巨大的進展。

以戰斗機發動機性能的主要性能指標推重比（發動機推力與發動機質量的重力之比）計，從40年代后期第一批實用的渦噴發動機的2～3提高到70年代的渦扇發動機的7～8，從而使戰斗機的推重比從04提高到11左右，大大提高了飛機的速度和機動性，見圖一。60年代后期，加力式渦扇發動機由于其不加力時耗油率低而加力時推力增加多，開始取代渦噴發動機而成為當前戰斗機的主要動力，使戰斗機的作戰半徑大幅度增加。

與此同時，發動機的可靠性和耐久性也有了長足的進步。翻修壽命從幾十小時延長到1000多小時，而且采用單元體設計和視性維修，發動機不用再定期拆下翻修，而是通過狀態監視，保證其可靠安全。另外關鍵熱端零件壽命長達4000～5000次工作循環。這些零件即使用到壽命時也可在機上作單元體更換，簡化了維修，減少了備份發動機的需求。

推重比7～8的渦扇發動機是在70年代中期到80年代中期投入使用的。它們是當前在役一線戰斗機上的主要動力裝置，其主要參數和用途見表1。

從80年代后期開始，主要航空國家通過對現役發動機的改進改型，全新研制推重比10一級的發動機和開展更為雄心勃勃的發動機預研，以為21世紀戰斗機提供更為優良的動力裝置。

現役發動機的改進改型

據統計，一種新型發動機研制成功后有30～40年的使用壽命期。在此期間，除糾正使用中暴露的缺陷，改進可靠性、延長壽命和降低制造成本外，發動機的研制人員大都要利用研究成果改進改型，提高性能和擴大用途。與全新研制相比，改進改型具有投資少、周期短、風險小和可靠性高等優點。例如，世界上第一臺推重比8一級的渦扇發動機F100－100剛投入使用時，因出現大量可靠性和耐久性問題，迫使F－15和F－16戰斗機停飛。后來改進發展了F100－200，采用了長壽命核心機，1985年投入使用后其壽命長達4300次循環，相當平時7年使用的壽命。接著，研制人員又在1991年改型的基礎上研制出F100－229，推力從104.30千牛提高到128.90千牛；推重比從718提高到79。近來，美國普·惠公司和通用電氣公司正在對目前一線戰斗機上使用的F100、F110和F404作重大改進，使F100和F110的推力提高到160千牛以上；F404的推力提高到97.8千牛，推重比為90～95。其中F404的改型重新編號為F414，于本世紀未裝備F／A－18E／F投入使用。 與F404相比，F414的渦輪前溫度提高了83～167℃；空氣流量增加10％；部件效率提高了1～2％，并采用整體葉盤、多斜孔冷卻火焰簡和帶光纖元件的先進發動機數字電子控制系統。其推力有增長到107千牛的潛力。

全新研制的推重比10一級渦扇發動機

從80年代中期開始，航空發達國家開始為第四代戰斗機研制推重比10一級的渦扇發動機，典型的第四代戰斗機發動機的技術要求如下：

具有超音速巡航能力，飛機能在不開加力的條件下以馬赫數15～16持續飛行；

為飛機提供短距起落和非常規機動能力，發動機須具備推力矢量功能；

具有隱身能力，發動機的紅外和雷達反射信號特征要盡可能小；

加力推重比達10一級；

零件數量減少40％～60％，可靠性提高一倍，耐久性提高兩倍；

壽命期費用降低25％～30％。考慮到推進系統壽命期費用占整個飛機壽命期費用的40％～50％，降低發動機壽命期費用具有特別重要意義。

新一代發動機主要有美國的F119、西歐四國的EJ200、法國的M88和俄羅斯的AЛ－41Ф。經過10多年的型號驗證機和工程原型機研制，這些發動機將在21世紀初投入實際使用；但俄羅斯的AЛ－41Ф因經濟原因，進度會往后拖延。

與推重比8一級發動機相比，這些發動機的渦輪進口溫度提高了250℃；達到同樣總增壓比的風扇和壓氣機級數減少了3級；燃燒室采用包括浮壁結構在內的先進冷卻方法；高、低壓渦輪均為單級且對轉；加力燃燒室為強旋流一體化設計，并安裝了推力矢量噴管（即推力方向可在上下或左右20°范圍內變化）；采用了可靠性更高的第三代全權數字電子控制系統。其主要參數和用途見表2。

關于美國聯合攻擊戰斗機（JSF）的先進短距起飛和垂直著陸動力裝置，本刊已有報道，這里不再詳述。

21世紀戰斗機發動機研究

航空發動機的研究和發展周期很長。新一代發動機的預研工作往往要在型號研制之前約15年開始。因此，一些航空發達國家在80年代中后期就開始實施更為先進的發動機預研計劃。其中規模最大、水平最高的要數1987年開始的美國綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）計劃。其總目標是到2003年驗證使發動機性能翻一番的能力。該計劃包括渦噴／渦扇發動機、渦槳／渦軸發動機和短壽命發動機。

就戰斗機發動機而言，其目標為：

推重比翻一番，達到20；耗油率降低30～40％；成本降低35％；低信號特征。

IHPTET計劃在戰斗機方面的效益有：

實現M>3的持續飛行；裝備超音速垂直短距起落飛機；航程／續航時間／有效載荷為現役飛機的一倍；提高生存力。

IHPTET計劃采取了變革性的技術途徑，綜合運用發動機氣動熱力學、材料、結構設計和控制方面的突破性成果，大大提高渦輪前溫度，簡化結構，減輕重量，實現最優控制。

以減輕重量為例，壓氣機由于采用新材料和新結構，從原來的盤鼓混合結構改為無盤轉子，在同樣級數條件下重量減為30％，見圖二。如果采用先進氣動設計技術，使達到同樣總增壓比的壓氣機級數減少一半的話，那么重量就可減為15％。因此，推重比提高一倍的目標是完全能夠實現的。

IHPTET計劃將按1991年、1997年和2003年三個階段分別實現總目標的30％、60％和100％。目前，第二階段的目標已經實現，也就是說，現在已經有能力研制推重比15～16的戰斗機發動機。第三階段的計劃正在實施中，預計能在2003年達到原定目標。這樣，有可能在2020年左右研制成功推重比20的戰斗機發動機，其構形如圖三所示。與目前現役的F100發動機相比，2020年的戰斗機發動機有如下的特點：

風扇由3級減為1級，葉片有彎掠，為空心結構；

壓氣機由9級減為3級，轉子為無盤結構，由鈦金屬基復合材料制成；

燃燒室由耐熱合金改為陶瓷基復合材料，有可能實現變幾何結構；

高、低壓渦輪均為單級，對轉，無級間導向器，渦輪前溫度將達2000～2100℃；

加力燃燒室因渦輪前溫度很高而取消；

尾噴管將采用射流控制的推力矢量噴管，從而大大減輕重量。

裝備推重比20一級的發動機后，第五代戰斗機可在21000米高空以M3～M4持續巡航；在載彈近1噸時作戰半徑為1850公里；并具有隱身和非常規機動能力；而且還可利用這些技術，設計出M>2的垂直起落戰斗機。

千牛為推力單位，等于102千克力。