艦載作戰飛機發動機的研制道路

梁春華

（沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

1 引言

自從噴氣式發動機成為海軍艦載作戰飛機的主要動力裝置以來，美國、英國、法國和前蘇聯等國家已經成功地研制了J65-W-16A、J30-WE-20、J34-WE-30A/32/42、J42-P-6/8、J48-P-6A、J57-P-20A/10、J52-P-408A/8AJ33-A-1、J79-GE-17/10、ATAR 8K50和AL-21等渦噴發動機,以及TF34-GE-2/400A、TF30-P-6/8/412、F404、F110-GE-400、F414、SPEY RB168-20/25、PEGASUS 11-21、TF41-A-2、M88-2、R-79B-300、AL-31FK和RD-33K等渦扇發動機，目前在為F-35C艦載戰斗機研制F135與F136發動機的同時，也在VAATE等研究計劃下研究像自適應循環發動機這樣的未來1代艦載戰斗機發動機。

研究國外艦載作戰飛機發動機的發展道路，總結其規律，對中國開展艦載作戰飛機發動機的研究與開發工作具有重要的參考作用。

2 國外艦載作戰飛機發動機的發展

2.1 由“陸基改艦載與艦載改陸基”向“陸基與艦載兩棲”發展

20世紀50年代以來，美國、英國和法國的艦載作戰飛機發動機實現了由“陸基改艦載與艦載改陸基”向“陸基與艦載兩棲型研制”發展。

20世紀50～60年代，在艦載作戰飛機渦噴發動機中，J65、J42、J48、J33、J34、J79和ATAR 8K50發動機首先按陸基要求設計，后來改進研制為艦載型發動機；J52發動機首先按艦載要求設計，后來改進研制為陸基型發動機；而J57和J75發動機從設計之初，就是按陸基與艦載兩棲型研制的。

20世紀60～90年代初期，在艦載作戰飛機渦扇發動機中，英國的SPEY RB168-1A、SPEY RB168-25、PEGASUS11-21(Mk104)，美國和英國合作的TF41-A-2和PEGASUS 11-21F(F402-RR-406)，俄羅斯的AL-31FK和RD-33MK，都是由陸基作戰飛機發動機改進研制的艦載型發動機；美國的TF34、F404、F414發動機是先按艦載要求設計的，之后根據需要，改進研制成陸基型發動機；TF30和F110發動機從設計之初就是陸基與艦載兩棲型的。例如：AL-31FK和RD-33MK艦載型發動機是在AL-31F和RD-33陸基發動機投入使用若干年后，為SU33和Mig29K艦載戰斗機改型研制的；TF34-GE-400發動機最初是為S-3艦載型反潛機研制的，后來為滿足空軍A-10攻擊機要求，改型研制了TF34-GE-100陸基型發動機；F110發動機是GE公司為F-15/F-16陸基戰斗機和F-14艦載戰斗機研制的陸基與艦載雙棲發動機。

20世紀90年代中期以來研制的艦載作戰飛機渦扇發動機大多數是從設計之初就是陸基與艦載兩棲型的。例如：1999年設計定型的M88-2發動機既可以作為空軍陸基型RAFALE B/C戰斗機的動力裝置，也可以作為海軍艦載型RAFALE M戰斗機的動力裝置；正在研制中的F135推進系統既可以作為空軍陸基型F-35 STOL型戰斗機的動力裝置，也可以作為海軍艦載型F-35 CV型戰斗機的動力裝置，通過增加升力風扇、3方位偏轉噴管和滾轉控制噴管，還可以作為F-35 STOVL型戰斗機的動力裝置。20世紀90年代以來，更多地選擇陸基與艦載兩棲型，可能主要是基于以下4點原因。

（1）由于在航空母艦上使用的作戰飛機數量較少，而艦載作戰飛機/發動機的研制費用與陸基作戰飛機的相當或更高，獨立研制艦載作戰飛機/發動機的全壽命費用太高。

（2）隨著氣動和控制等技術的快速進步，艦載作戰飛機發動機與陸基作戰飛機發動機的氣動性能和瞬態性能都已經大大提高，差別日益減小。

（3）隨著鈦合金、陶瓷和復合材料等材料的用量增大，艦載作戰飛機發動機的防腐等問題已經不再特別突出。

（4）隨著航空發動機“五性”技術得到重視與快速發展，艦載作戰飛機發動機與陸基作戰飛機發動機的可靠性、耐久性和可維護性已經達到相當高的水平，已經不再是影響艦載作戰飛機發動機使用和經濟性的關鍵因素。

艦載作戰飛機發動機與陸基作戰飛機發動機的差別呈現越來越小的趨勢，使得研制陸基與艦載兩棲型發動機技術具有可行性，經濟收益明顯，研制周期明顯縮短。

2.2 由“起飛質量決定的單雙發”向“雙發為主，單發為輔”發展

20世紀50年代以來，美國、英國和法國開發和使用的典型艦載作戰飛機見表1。從表中可知，艦載作戰飛機的配置原則由“起飛質量決定的單雙發”向“雙發為主，單發為輔”發展。

20世紀80年代以前，艦載作戰飛機的單雙發配置主要依據作戰飛機的最大起飛質量：像F-8、A-4、A-7、AV-8、AV-8BⅡ和超軍旗等最大起飛質量在20 t以下的輕型艦載作戰飛機采用單發布局；而像A-5、A-6、F-4和NA.39等最大起飛質量在22t以上的重型艦載作戰飛機均采用雙發布局。

20世紀80年代以后,F-14A/B/D、F/A-18A/B/C/D、Mig-29K、SU-33、F/A-18E/F、Rafale M等艦載作戰飛機，均采用雙發布局；只有尚在研制、計劃于2013年投入使用的第4代聯合攻擊機F-35C（最大起飛質量與F/A-18的相當），采用的是單發布局。在這一時期，出現了“雙發為主，單發為輔”的明顯趨向。

更多地選擇雙發布局的艦載作戰飛機可能主要是考慮以下2點因素。

（1）由于大部分時間在海面上空工作，艦載作戰飛機必須具有很高的安全性。從理論上講，采用雙發布局的作戰飛機，在艦上起飛和著艦過程中，1臺發動機出現故障，飛機依靠另1臺發動機仍能完成起飛和著艦；而采用單發布局的作戰飛機，一旦發動機出現故障，基本上無法挽救。因而，雙發布局的艦載作戰飛機的安全性大大高于采用單發布局的作戰飛機。美國空軍安全局在1996～2000年的統計數據也從某種程度說明了這一點：由發動機故障損失掉的34架戰斗機中，單發布局的F-16戰斗機占29架，而雙發布局的F-15戰斗機只有5架。為了實現雙發飛機單發復飛，美國海軍在艦載適用性要求中明確規定：在設計著艦質量和進場速度下，在單發停車、中等推力(非加力)狀態下，艦載作戰飛機應該具有500 ft/min的最小爬升率。

表1 20世紀50年代以來開發和使用典型的艦載作戰飛機

（2）由于艦載作戰飛機的質量明顯地重于陸基作戰飛機的質量，采用雙發布局相對采用單發布局能夠彌補一些性能損失。

而F-35C聯合攻擊機選擇單發布局的原因可能包括以下2點。

（1）F135發動機能夠保證較低的故障率和較高的安全性。的確，F135發動機是由配裝美國空軍F-22A戰斗機的F119發動機改進而來，繼承了其極高的性能、卓越的可靠性、維修性和保障性(RMS)。而F119發動機充分吸取了F100發動機研制/使用的經驗與教訓，采用一體化產品研制方法，并利用大量的成熟技術進行研制，獲得了很高的可靠性、耐久性、可維護性和保障性，見表2。

（2）采用單發布局的飛機質量較輕，且動力操縱系統較簡單。

表2 F119發動機相對于F100-PW-220發動機的可靠性和可維修性改進

2.3 由“著重追求提高性能”向“提高性能與降低費用并重”發展

與陸基作戰飛機發動機一樣，艦載作戰飛機發動機的研制思想也經歷了4個發展階段，實現了逐步成熟。

第1階段：重點追求性能。

20世紀50～70年代，作戰飛機渦噴發動機的研制將提高性能作為重中之重，結果是研制出來的發動機的性能的確得到了顯著的提高，但是作戰適應性、可靠性、耐久性和維護性明顯過低，嚴重地影響了戰斗機的作戰使用，大大增加了全壽命成本。其中最深刻的教訓就是配裝F-14A戰斗機的TF30-P-412發動機。在TF30發動機的型號規范中，既不包括可靠性、耐久性和可維護性等要求，也不包括為驗證這些要求而設計的試驗，因而，PW公司只花費2年5個月的時間和0.21億美元的經費，只因性能達標而成功地完成了TF30-P-412發動機的設計定型和批量生產。但是，在使用中，該發動機出現了影響安全性、可靠性、耐久性與可維護性的一些嚴重問題，PW公司不得不花費15年（1971～1985）的時間和8.4億美元的經費對其進行改進。即使這樣，PW公司也沒有將其問題很好地解決，致使被F110-GE-400發動機所替代。

第2階段：提高可靠性、耐久性、可維護性。

20世紀70～80年代中期，作戰飛機發動機的研制工作重點轉移到了提高可靠性、耐久性和可維護性方面，結果是全新研制和改進改型的發動機的性能沒有明顯提高，但是作戰適應性、可靠性、耐久性和維護性等達到了綜合平衡。典型的實例如F404和F110-GE-400等發動機。

在F404發動機研制中，美國海軍和GE公司根據以往的使用經驗，突出了作戰適應性、艦載適應性、可靠性和可維護性的要求，而把成本、性能和質量等要求放在較次要的地位。GE公司改變了過去強調性能，而忽視可靠性和維修性的作法，采用經過驗證的先進技術，不追求過高的性能指標，注重保持結構簡單、費用合理和風險降低，最終使其達到了喘振裕度大、抗畸變能力強、空中起動可靠、經受劇烈操作與錯誤操縱能力強等特性。

F110-GE-400發動機是GE公司為替代配裝F-14A戰斗機的TF30-P-412發動機而研制的推重比為8級的小涵道比渦扇發動機，是按照“結構完整性大綱(ENSIP)”的要求研制的的渦扇發動機，達到了性能、作戰適應性、可靠性、耐久性、可維護性的統籌兼顧，成功地解決了TF30發動機存在的問題。

第3階段：性能與可靠性、耐久性、可維護性同時提高。

從20世紀80年代中期開始，作戰飛機發動機研制工作的重點又發生了轉移，即轉向在保持長壽命的前提下提高性能。F414發動機就是典型的實例。在F414發動機研制中，除了繼承F404發動機的研制經驗外，美國海軍和GE公司增加了對易損性和敏感性的要求，采用經過驗證的成熟技術和一體化設計與風險管理等先進管理方法，成功地使其相對于F404-GE-400發動機，推力增大35%，推重比從7.4提高到9，可靠性和耐久性也明顯提高、耗油率有所降低。

第4階段：提高經濟可承受性。

21世紀初，美國又制定了VAATE研究計劃。該計劃的工作重點由以前的強調性能、耐久性和費用，調整為追求經濟可承受性。具體目標是，通過開發通用核心機、智能發動機和耐久性等方面的技術，使渦輪發動機經濟可承受性提高10倍；具體落實到大型渦噴/渦扇發動機，推重比提高200%，燃油消耗降低25%，設計、使用和維護費用降低60%。這些開發和驗證的技術和部件用于目前構想的未來新飛機和發動機、近期正在使用的飛機和發動機、正在生產的飛機和發動機與正在研制的飛機和發動機上。當然，艦載作戰飛機也是如此。

在F135推進系統研制之初，PW公司領導的研制小組就強調低費用，不再遵循性能驅動原則，而是將經濟可承受性作為重要設計指標。與現役的F110和F100發動機相比，研制F135推進系統的費用節省35%，硬件和軟件可靠性提高2倍，維護技工減少30%～50%，提升和起重設備的配置減少50%，故障判斷和修理的時間減少94%，返廠維護時間延長225%。

在F136發動機研制之初，GE公司領導的研制小組就把降低使用費用和保障費用作為一項基本要求，并將其與推力、耗油率作為獨立的設計變量來對待。采用非傳統的發動機結構設計、研制、采購和保障方法，尤其是，通過提高可靠性與安全性，降低維護費用；采用靈活的保障系統，提高發動機保障性，最終大大降低了在武器系統壽命期內發動機運行和保障費用。

3 結束語

經過60多年的發展，艦載作戰飛機發動機已經由渦噴發動機發展到渦扇發動機，由陸基改艦載發展到陸艦兩棲，由低安全性發展到高安全性，正在向更先進的變循環加智能的自適應循環發動機方向發展。總結國外艦載作戰飛機發動機的這些成功的研制經驗與技術發展途徑，都對中國開展這方面的工作具有重要的借鑒意義。

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