海鷹之“心”

自1917年世界上第一艘航空母艦問世之日起，航空母艦與艦載機組合而成的作戰體系歷經技術進步和實戰檢驗，已步入成熟。到目前為止，艦載機已經成為了包含戰斗機、攻擊機、預警機、反潛機、電子戰飛機、加油機、運輸機等在內的龐大裝備體系，其中艦載戰斗機無疑是航空母艦裝備體系運用的重要手段和戰斗力核心。而戰斗機的設計核心是發動機，隨著艦載機技術進步和性能要求的提升，早期脫胎于普通陸基戰斗機發動機的艦載戰斗機發動機也形成了獨特的技術體系。隨著我國綜合國力增強，航空母艦也即將進入人民海軍裝備行列，那么如何基于現有技術條件，發展出適合我國艦載戰斗機使用的航空發動機，便成為非常值得分析探討的問題。

艦載戰斗機對于動力的特殊要求

與陸基戰斗機相比，艦載戰斗機最大的技術難點在于起飛和著艦——必須在數秒鐘內，在不過百米左右的距離上完成起飛，同時在較短距離的斜角甲板(或直通甲板)的著艦區內完成著艦、攔阻、制動、應急回收甚至再次復飛的全過程。不同風級下的海況對航空母艦造成不同程度的縱搖、橫滾和高低運動，上層建筑擾流等復雜因素對艦載戰斗機離艦和著艦期間的飛行穩定性、軌跡一致性也有較大影響。加之海上多鹽霧的潮濕環境和惡劣的氣象條件，對艦載戰斗機及其動力裝置提出了許多特殊要求。至于航母相對陸地機場的簡陋維護條件，更是令艦載戰斗機動力的可靠性指標達到“苛刻”程度。

這些要求總結起來就是“一高、二降、三抗、四防、五性”，共十五項技術和性能要求。

“一高”就是艦載戰斗機的動力系統必須比同代陸基戰斗機有更高的推力，一般需要高出12％～19％。這是由于艦載機需要經歷彈射／滑躍起飛以及攔阻降落等戰斗階段，期間需要較高過載飛行，不管是起飛還是降落，都需要有幾十噸的推力或阻力較長時間地作用于機身，并且導致飛機的加速度變化幅度極大，這就對機體強度有了更高的要求。一般技術條件下，為了滿足更高的強度指標，往往意味著更大的空重，而更重的飛機要想維持同樣的飛行性能，必須加大發動機推力。

“二降”是指降低耗油率和噪聲。降低耗油率是因為艦載戰斗機在增重和系統復雜度加劇的情況下，還必須保持與同類陸基戰斗機相當的航程載荷能力，以便能夠在足夠遠的距離上進行防空截擊、空中優勢爭奪和空對面打擊。降低噪聲是由于航空母艦的甲板上有工作人員在進行引導、維護、掛彈、加油等作業，且甲板空間相對陸地機場較小，戰斗機呼嘯引發的噪音對人員聽力的影響要比在陸上機場大很多，更不用提會影響互相交流。

“三抗”指的是抗進氣流場畸變、抗特殊過載和抗貧油。海上環境沒有陸地起伏地形和建筑物的遮擋，長期處于空氣流動暢通的多風環境下，尤其艦載戰斗機起飛時的速度較低，理想的發動機進氣狀態尚未達到，那么海上側風就會對進氣流場產生較大影響，還有可能存在蒸汽彈射器的大量熱蒸汽干擾；在降落時，航空母艦上層建筑阻擋氣流，也會在艦尾形成亂流，所以艦載戰斗機的發動機必須能應對多變復雜的進氣流場畸變。抗過載是由于艦載戰斗機起降時要反復經歷大過載過程，尤其著陸時的垂直和橫向沖擊載荷要比陸基飛機大得多，彈射起飛時的過載更高達5G，航空發動機的軸系和軸承結構強度必須要能適應(以致美國MIT-E-5007D通用規范規定，艦載戰斗機的發動機抗過載要求為9G)。抗貧油是由于海上沒有中繼機場，缺乏導航標志和足夠的加油機，艦載戰斗機往往只能依靠自身攜帶的燃油回航，而且在回航途中，由于航空母艦對能夠同時降落的飛機數量有所限制，艦載戰斗機往往需要等待較長時間才被允許著艦。此外，艦載戰斗機在彈射起飛及其他特殊狀態下，會由于過載較大，出現油料泵入不足的情況。這些因素綜合起來，要求其發動機能夠在貧油環境下正常工作。

“四防”指的是防鹽霧、防濕熱、防霉菌和放煙熏。防鹽霧、防濕熱、防霉菌的要求都是與海上自然環境相伴相生的。防煙熏主要是由于航空母艦甲板面積有限，工作環境中充滿了友機燃氣和航空母艦排放的廢氣，甚至可能有航空母艦被命中損傷而引發的煙霧。如果航空發動機在低空富氧環境中工作，突然吸入高溫貧氧和含有煙霧顆粒的空氣，就存在“停車”危險，這對于正在起飛或降落的艦載機可謂致命隱患。

“五性”是指發動機要滿足作戰適用性、可靠性、維護性、耐久性和著艦復飛加速性，其中最后一點是陸基戰斗機動力基本不必考慮的，堪稱艦載戰斗機動力的獨特標志。艦載戰斗機的降落存在失敗的風險，一旦尾鉤沒有成功鉤住攔阻索，必須迅速加速復飛。此時，需要發動機能夠在飛機處于降落減速的情況下，迅速將飛機加速到適當的平飛速度，不然飛機就會因為速度過低而墜海。

在機體增重及復飛加速性等多種因素的要求下，艦載戰斗機動力需要更大的推力，尤其是更大的應急推力。美國軍標規定：在32.2℃環境下，艦載發動機從正常進場著陸加速到最大推力狀態期間，可用推力要滿足以82.5米／秒的縱向加速度進行特定緊急加速2.5秒。另外，在發動機加速性滿足條件的情況下，操縱響應速度也必須達到要求，鼎鼎大名的F-14戰斗機全面更換發動機之前，因推力響應較慢，飛行員需要預先6秒推油門桿才能獲得所需推力，嚴重影響了復飛性能。

艦載戰斗機發動機研制思路分析

如何在低風險、低成本的前提下，短時間內研制(或改進)成功優秀的艦載戰斗機發動機，應該是大家非常關注的問題。美國、英國、法國和前蘇聯曾經研制過大量艦載戰斗機發動機型號，涵蓋了數代渦噴發動機和渦扇發動機。而在艦載戰斗機發動機研制過程中，既有從陸基戰斗機發動機改進而來的，也有專門為上艦而全新研制的，同樣也存在“陸基艦載兩棲型”。筆者就從這三個不同發展思路中各選擇一個典型型號，進行分析。

俄羅斯蘇-33雙發重型艦載機使用的AL-31FK發動機是陸基戰斗機發動機改裝上艦的典型代表。上世紀70年代初，前蘇聯針對美國第三代F100-PW-100高性能發動機，確定由留里卡設計局負責研制一款性能相近的戰斗機動力，項目代號99，正式型號名稱為AL-31。AL-31大推力渦扇發動機采用四級風扇、九級高壓壓氣機、單級高壓和低壓渦輪的總體設計，加力推力122.5千牛，發動機重1.8噸，推比6.9(按國軍標)。蘇-33艦載機是蘇-27陸基戰斗機的直接上艦改型，同理其動力AL-31FK也是在蘇-27發動機AL-31F的基礎上改進而來。AL-31FK長4920毫米，最大直徑1300毫米，比AL-31F發動機略重，但總體方案和技術特點與AL-31F發動機完全一致。為了改善航空發動機的推力響應、操控特性，AL-31FK發動機改進了AL-31F原有的模擬－機械液壓控制系統，采用了綜合電子調節器，保證可以在5秒內從降落轉速狀態加速到超轉狀態，從而激發應急推力模式。為了滿足艦載戰斗機復飛和增強作戰性能的要求，AL-31FK發動機增加了應急推力模式——通過短時間超轉和增溫，能將發動機的額定加力推力從122.5千牛增加到125.4～127.5千牛。另外，AL-31FK發動機為了改善發動機在海洋環境中的可靠性和耐久性，在AL-31F材料基礎上進一步選用了抗腐蝕材料和涂層。就這樣，前蘇聯實踐成功了由陸基型號改進出艦載戰斗機動力的方法，這顯然比較適合那些已經擁有高性能陸基型號發動機，同時艦載戰斗機也可能從陸基戰斗機改進而來的國家。

美國F404系列航空發動機是近幾十年來少有的專為上艦而研制的航空發動機。1975年11月，通用電氣公司與美國海軍簽訂了全面研制合同。該發動機采用了帶可調進口導流葉片的環形進氣口、三級軸流式寬弦實心鈦合金風扇葉片、七級軸流式高壓壓氣機、短環燃燒室和單級高低壓渦輪的總體設計方案，性能指標在當時堪稱“世界第一中等推力渦扇發動機”：中間推力48千牛，加力推力71.2千牛，推重比7.24。不僅如此，通用公司還汲取了之前發動機研制過程中過于重視推力而忽視可靠性的誤區，按照結構完整性大綱對F404進行整機設計：采用數字電調式發動機控制系統，推力響應快，油門操控無限制；采用輔助動力和空氣渦輪起動機作為空中應急啟動措施，由于反應靈敏、震動較小，某些時候發動機空中停車重啟甚至不會令飛行員察覺；發動機熱力學循環設計點比極限狀態低5％～10％，這保證了其可靠性和未來性能潛力，必要時可以通過超轉或增溫發掘出推力潛力。F404系列成為經典之作，不過近年來陸基戰斗機動力的性能越來越突出，在推力、可靠性、操縱性、維護性和耐久性上都取得了長足進展，專門研制艦載戰斗機發動機已經不是非常必要了。

美國最新的F135系列發動機是同時滿足陸基常規起降(F135-PW-100)、艦載短距起飛／垂直降落(F135-PW-400)和艦載彈射起飛／攔阻降落(F135-PW-600)要求的“三棲發動機”，是洛克希德·馬丁公司為F-35家族研制的。需要指出的是，F135發動機是用F-22戰斗機的F119發動機核心機衍生的，后者由三級風扇、六級高壓壓氣機、帶氣動噴嘴、浮壁式火焰筒的環形燃燒室、單級高壓渦輪、轉向相反的單級低壓渦輪、加力燃燒室、二維矢量噴管等組成。F135發動機采用與F119發動機基本相同的核心機和六級高壓壓氣機，為提高推力，增加了空氣流量和涵道比，提高了工作溫度。另外，其三級風扇采用超中等展弦比、前掠葉片、線性摩擦焊接整體葉盤技術，在保持原風扇的高級壓比、大喘振裕度和輕質量的同時，將風扇的截面積增加了10％-20％，又讓燃燒室在F119發動機的三維高紊流度、高旋流結構的浮動壁技術基礎上，采用了高燃油空氣比技術，在滿足徑向剖面限制指標的同時，實現了較高效率。而且高壓和低壓渦輪采用對轉結構，葉片綜合冷卻采用了流體力學計算方法設計，利用國際上第四代單晶合金鑄造，在提高耐久性的同時，能明顯提高工作溫度，低壓渦輪增加一級(變為兩級)，以適應直徑增大的風扇帶來的驅動負荷。F135發動機加力推力接近180千牛，不開加力軍推也達到133千牛，推重比達到10.5，成為目前實際裝備的戰斗機渦扇發動機推力之冠。由于陸基型F135-PW-100在性能、可靠性、操縱性、可維護性和耐久性方面已經達到相當優秀的水平，其艦載型并未進行較大改進，只不過為了獲得短距起飛／垂直降落能力，F135-PW-400增加了新穎的升力風扇、三軸承旋轉噴管、滾轉控制噴管。該系列發動機的成果表明，先進可靠的核心機是航空發動機研制的關鍵。

事實上，航空發動機成功的背后往往有一款成熟而先進的核心機作為基礎。美國通用電氣公司研制的GE9核心機衍生出F101大涵道比軍用加力渦扇發動機，用于B-1B超音速戰略轟炸機；將GE9的換算流量減小，發展出了GE15核心機，衍生出YJ101發動機，參與競爭美國空軍輕型三代戰斗機計劃(即今日F-16)，惜敗；接著競爭YF-17(即今日F／A-18艦載機前身)項目時，通用電氣公司將YJ101的低壓壓氣機放大成風扇，研制出F404渦扇發動機；后來普惠公司的F100發動機裝在F-15和F-16上出現嚴重故障，通用電氣公司抓住機會，將F404的風扇再放大，并與F101的其他改型結合，形成今日F-15和F-16的主流發動機F110。此外，通用電氣公司與法國斯奈克瑪公司聯合研制的CMF56大涵道比渦扇發動機也是以GE9核心機為基礎的，而CMF56裝備了空客A320等多種民航客機，成為第三代民用渦扇發動機的先進典型。

中國艦載戰斗機動力展望

隨著綜合國力和海外利益的增長，人民海軍走向遠海甚至遠洋的趨勢不可逆轉，可能在不遠的將來，航空母艦將加入人民海軍序列。從網絡上曝光的圖片來看，我國擬裝備的艦載戰斗機外觀乃至總體方案類似俄羅斯蘇-33，動力指標也不應在蘇-33動力AL-31FK之下。而在艦載戰斗機動力方面，我國目前適用的有兩個型號：進口自俄羅斯的AL-31F和我國自研的“太行”。根據最初國產艦載戰斗機原型機的網絡圖片來看，其使用的是AL-31F或其改進型，不過近來新出現的原型機的發動機噴管特征與“太行”非常吻合，由此可以大膽推測：我國可能已經在“太行”的基礎上研制出了適合艦載戰斗機的改進型。

根據公開資料，我國研制的“太行”屬于第三代大推力渦扇發動機，采用三級鈦合金寬弦風扇、九級高壓壓氣機、單級復合冷卻定向凝固合金高壓渦輪、兩級復合冷卻低壓渦輪的結構設計，燃燒室出口溫度達到了1700K以上，高壓壓氣機總壓比超過9，而同樣采用九級高壓壓氣機的AL-31F此項指標還不到7，可見國內發動機工業數十年來取得扎扎實實的進步。合理的結構設計，深厚的氣動底蘊，大膽的熱力學循環參數，賦予了“太行”發動機優秀的性能，根據相關行業技術論文，“太行”發動機作戰模式下加力推力超過129千牛，推重比7.5，訓練模式下也超過了118千牛噸，推重比7.2，顯然超過同樣條件下作戰推比只有6.9的AL-31F。

不過令人惋惜的是，“太行”的高熱力學循環參數和高轉速設計確實給基礎較薄弱的國內航空工業帶來不少生產技術和管理方面的挑戰。“太行”設計定型之后，由于可靠性問題，影響了批量裝備速度，以至于現在空軍殲-10A戰斗機暫時還要依賴進口動力。不過隨著流傳出裝有“太行”發動機的殲-10改型、殲-11B以及國產艦載戰斗機原型機圖片，“太行”發動機很有可能在渦輪葉片材料、加工工藝等方面有所改善。那么以陸基戰斗機動力為基礎，通過改進發動機控制系統、增加應急推力模式、更換抗腐蝕材料和涂層等適應性技術途徑，針對上艦情況改進維護操作程序，“太行”完全有能力衍生出適合國產艦載戰斗機的新動力。

結語

遍覽三代渦扇發動機時代的艦載戰斗機動力型號——F-14裝備的F110-GE-400發動機，F／A-18使用的F-404發動機，蘇-33使用的AL-31FK發動機，“陣風”M使用的M88-2改型發動機，米格-29K使用的RD-33K發動機，都是在已有的先進成熟的核心機基礎上小幅度改進而來，從根本上實現了與本國同代水平的陸基戰斗機動力“基礎通用”。事實證明，不管是研制專用艦載戰斗機動力，還是采用陸基戰斗機動力改進，抑或是追隨最新潮流——“艦載陸基動力兩棲化”，核心機都是航空發動機最重要的科研基礎。我國自上世紀80年代啟動自主核心機預研工程，如今已初見成果，讓我們期待國產核心機能衍生出強勁的陸基和海基之“心”，幫助國產戰斗機乃至航空工業迸發出蓬勃的力量。