艦載作戰飛機發動機的發展

屈 鵬，王占學

（1.海軍駐西安地區航空軍事代表室，西安 710021；2.西北工業大學動力與能源學院，西安 710072）

1 引言

1917年7月，英國成功地改裝了世界上第1艘專載作戰飛機的航空母艦，揭開了艦載作戰飛機及其發動機發展的序幕。經過90多年的發展，M88-2、F135和F136等噴氣發動機已經或將要在RAFALE M、F-35C第4代艦載作戰飛機上投入使用，成為法國、美國及其盟國海軍艦載作戰飛機的主力機種；自適應循環發動機等未來1代噴氣發動機正在VAATE等研究計劃下進行通用核心機、智能發動機等預先研究。因而，綜述國外艦載作戰飛機發動機的發展歷程，研究其發展，對中國開展艦載作戰飛機發動機的研究和開發工作具有重要的參考和借鑒作用。

2 國外艦載作戰飛機發動機的發展歷程

在經歷活塞發動機時代后，20世紀40年代進入了噴氣發動機時代，目前已經發展到第4代。

2.1 活塞發動機時期

從1917年艦載作戰飛機誕生到1945年第2次世界大戰結束，活塞發動機與螺旋槳發動機在美國和日本等國家得到大力開發，是當時艦載作戰飛機乃至所有作戰飛機的惟一類型動力裝置，在第2次世界大戰中發揮了重要作用。美國PW公司研制的 R-1340、R-1535、R-1830、R-2800、R-4360 發 動機，美國懷特公司研制的 R-1300、R-1820、R-2600、R-3350發動機，日本中島公司研制的Sakae 12/11/21、Homare 1l/12/21、Kotobuki 41 發動機，日本三菱公司研制的Kasei MK4U 25等型發動機，日本愛知公司研制的Atsuta 21/32等活塞發動機，均應用到了艦載作戰飛機上。這些發動機的最大功率達到3500 kW，最低耗油率降到 0.28 kg/daN·h，最大功重比達到1470 W/kg。

2.2 渦噴發動機時期

第2次世界大戰以后，英國、德國、美國、前蘇聯、法國等國家先后研制了噴氣發動機，逐步取代了活塞發動機，成為海軍艦載作戰飛機乃至所有空、海軍作戰飛機的主要動力裝置，使作戰飛機從活塞加螺旋槳時代進入了噴氣時代。其中，美國、法國和前蘇聯(俄羅斯)開發了艦載作戰飛機渦噴發動機。典型艦載作戰飛機渦噴發動機主要性能參數見表1。

表1 典型艦載作戰飛機渦噴發動機主要性能參數

在20世紀40年代成功地實現仿制后，美國GE、PW公司的渦噴發動機研制工作進展迅速，到60年代已經趕上、甚至超過了英國，居于世界先進水平。

1941年10月，GE公司引進英國的發動機技術仿制了GE-1A發動機，之后發展了J33離心式噴氣發動機，并在美國海軍AJ-1(A-2A)艦載轟炸機上投入使用。20世紀50年代，CE公司為美國海軍改型研制了J79-2、-4、-8、-10發動機，并應用到F-4艦載戰斗機和A-5艦載攻擊機上。

1947年，PW公司由英國尼恩和苔茵離心噴氣發動機仿制了J42-6、J42-8和J48發動機，分別應用在美國海軍F9F-2、F9F-3和F9F-6艦載戰斗機上。20世紀50 年代，PW公司自行設計了 J57-P-2、-4、-8、-10、12和-16等發動機，并先后將其應用到美國海軍的F4D-1、F8U、F5D1、F8U-1、F8U-2 單發艦載戰斗機和A3D-2雙發艦載攻擊機上；自行研制了J52-6、-8、-408等渦噴發動機，并應用到美國海軍A-4與A-6艦載攻擊機和EA-6雙座雙發電子對抗機上。

法國的ECMA公司于1945年以從德國引進的BMW-003發動機為原準機，陸續發展了22個型別的阿塔發動機，其中的阿塔8K50是法國海軍超軍旗(Super Etendard)艦載戰斗機的動力裝置。

前蘇聯于1946和1947年從德國引進了JUMO-004與BMW-003渦噴發動機和尼恩與德溫特等渦噴發動機，先仿制后自行研制了一些渦噴發動機，其中的AL-21成為了Yak-38艦載直升機的動力裝置。

2.3 渦扇發動機時期

20世紀60年代以后，由于具有推力大、排氣速度較低和耗油率低(較渦噴發動機降低1/3左右)等特點，渦扇發動機很快取代了渦噴發動機，成為航空動力裝置的主導機型。典型艦載作戰飛機渦扇發動機主要性能參數見表2。

表2 典型艦載作戰飛機渦扇發動機主要性能參數

2.3.1 英國的研制情況

在渦扇發動機的研制方面，英國又一次走在了世界的最前面。RR公司于1948年就開始探索研究雙涵道發動機。1964～1968年，在民用SPEYMK51l發動機的基礎上，RR公司成功地研制了軍用SPEY MK202發動機，并將其應用到從美國進口的F-4K海軍雙發艦載戰斗機上。20世紀60年代，RR公司和美國A11ison公司合作為A-7E艦載攻擊機 (第68架后)改型研制了TF41-A-2(A11ison 912-B14 RB168-66)發動機。1975年，在研制了Pegasus(飛馬)MK101、MK102、MK103發動機后，RR 公司又發展了艦載型MK1104發動機，并于1979年9月在美國海軍“海鷂”單發戰斗/偵察/攻擊機上投入使用。1985和1990年，RR公司又先后改進研制了Pegasus11-21、MK106(F402-RR-406)和 Pegasus11-61(F402-RR-408)發動機，并將其應用到美國和英國海軍的AV-8BII近距支援/攻擊機上。但是，由于受綜合國力和科技水平等因素的影響，英國沒有能夠保持快速發展。

2.3.2 美國的研制情況

美國渦扇發動機的研制略晚于英國。20世紀50年代末到60年代初，美國民用飛機動力裝置掀起了渦扇化的研制高潮。1961～1966年，PW公司陸續研制了 TF30-6、-8、-100、-408、-412A、-414、-414A 等發動機，并將其應用到A-7艦載攻擊機和F-14艦載戰斗機上，成為美國第1型艦載渦扇發動機。在1966～1972年，GE公司以GE1核心機為基礎，借鑒TF39和CF6發動機的技術與經驗，成功地研制了TF34-GE-2艦載渦扇發動機，并于1975年又成功地改進研制了TF34-GE-400A發動機。這2型發動機很好地滿足了美國海軍S-3反潛機“長距離、低空巡邏與巡航”的戰術要求。1975～1982年，以YJ101連續放氣式渦噴發動機為基礎，按照突出作戰適應性、艦載適應性、可靠性和可維護性的研制原則，GE公司成功地研制了F404-GE-400艦載型渦扇發動機,成為當時最先進的艦載戰斗機F/A-18A/8的動力裝置。此后，以F404-GE-400發動機為基礎，采用成熟的先進部件技術，CE公司改進研制了 -400D、-402、-100、-F1J1/RM12、-F2J1、-F5D2(F412)等多型陸基和艦載發動機。1976～1986年，為了改變配裝美國空軍F-15/F-16戰斗機的F100發動機與配裝美國海軍F-14艦載機的TF30發動機頻頻出現耐久性、可靠性和可維護性等問題的窘迫局面，GE公司以F101發動機核心機為基礎成功地研制了F110-GE-100空軍陸基發動機和F110-GE-400海軍艦載基發動機。1991～1999年，以F404發動機為基礎，采用RM12發動機的3級風扇、F412發動機的7級壓氣機、GE23A/F412發動機的單級高壓渦輪、YF120發動機的加力燃燒室、F110-GE-129發動機的噴管、YF120發動機的控制系統，GE公司成功地研制了F414-GE-400艦載型渦扇發動機。1996年以來，在聯合攻擊戰斗機(JSF)研究計劃下，PW和GE公司分別研制了F135和F136發動機，再次成為美國及至世界上最先進的艦載作戰飛機的動力裝置，目前正在進行飛行試驗，預計2013年以后投入使用。正是由于始終保持技術研究的規模，并始終注重基礎和應用技術的研究，美國很快發展成為世界上戰斗機發動機技術先進國家，并且始終處于遙遙領先的地位。

2.3.3 其他國家的研制情況

法國的渦扇發動機是沿著“引進仿制、消化繼承、改進改型、自主創新”的發展道路發展起來的。20世紀70年代中期以來，借鑒積累的M53發動機的研制經驗，利用先進技術研究計劃和驗證機研究計劃開發與驗證的先進技術，SNECMA公司成功地研制了M88-2準第4代陸基與艦載兩棲型渦扇發動機，并于1999年將其應用到了RAFALE M“陣風”戰斗機上，躋身于世界戰斗機發動機強國之列。

俄羅斯艦載渦扇發動機的研制工作起動很晚。直到20世紀90年代，俄羅斯才由D-33和AL31F發動機衍生研制了艦載型RD33K和AL31FK發動機，目前已經明顯落后于美國。

3 艦載作戰飛機發動機的發展特點

經過90多年的發展，隨著流體力學、熱力學、結構力學、材料科學、控制理論等學科的不斷進步，艦載作戰飛機發動機已經取得了飛速發展，與陸基作戰飛機相比呈現出以下特點。

3.1 特殊的存放和使用要求

艦載作戰飛機發動機與陸基作戰飛機發動機經歷了相似的發展過程，即：從活塞發動機發展到渦噴發動機，再進一步發展到渦扇發動機。除了滿足陸基作戰飛機發動機的要求外，還必須滿足在以航空母艦為基地的海洋環境下存放和使用的以下特殊要求。

（1）較大的推力和良好的加速性。據資料報道，與陸基作戰飛機發動機相比，艦載作戰飛機發動機的推力大12%～19%；從慢車加速到中等推力的時間由5 s縮短到4s；在著艦失敗后實現安全復飛，由慢車加速到最大推力要在3s內完成。這要通過高的循環參數和良好的機動性保證。

（2）防止大氣、鹽霧、潮濕和霉菌腐蝕的能力,可通過先進的耐腐蝕、耐高溫材料與涂層保證。

（3）更強的抗過載和抗沖擊能力,可通過部件的結構設計保證。

（4）較強的抗進氣畸變能力,需要大的喘振裕度、機匣處理、可調靜子等保證。

（5）較高的可靠性、耐久性和可維護性，以及較低的耗油率,可采用單元體結構、少零件設計、輕質量零件設計、狀態監控和視情維護、適當安裝孔探儀、防錯設計等保證。

此外，還需要具有在整個飛行包線內自動空中起動和較低的紅外和電磁輻射能力。

3.2 相似的研制思想成熟過程

艦載作戰飛機發動機與陸基作戰飛機發動機經歷了相似的發展過程，其研制思想也是逐步發展成熟的。

20世紀70年代以前，作戰飛機活塞和渦噴發動機的研制將提高性能作為重中之重，結果研制出來的發動機性能的確取得了顯著提高，但是作戰適應性、可靠性、耐久性和可維護性明顯過低，嚴重地影響了戰斗機的作戰使用，大大增加了全壽命成本。

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。

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。

21世紀初，美國制定了VAATE研究計劃。該計劃的工作重點由以前的強調高性能、耐久性好和費用低，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，具體到大型渦噴/渦扇發動機的推重比提高200%，燃油消耗降低25%，設計、使用和維護費用降低60%。

3.3 相似的技術發展趨勢

艦載作戰飛機發動機與陸基作戰飛機發動機經歷了相似的技術發展趨勢。在性能方面，推重比已經提高到10，未來l代可能提高到15以上；渦輪進口溫度已經提高到1800～1950 K，未來1代可能提高到2200 K以上。

在結構方面，葉輪機減少到第4代噴氣發動機的8～9/1+1級，未來1代可能減少到4～6/l+l/2級；燃燒室發展為第4代噴氣發動機的短環形，未來1代可能發展為高溫升超短型；部件和組件的設計正在向簡單化和緊湊化發展；熱端部件冷卻正在向高效化發展。

在材料方面，采用陶瓷、復合材料的范圍越來越廣且比例越來越大，正在向“非金屬發動機”或“全復合材料發動機”方向發展。

4 結束語

經過90多年的發展，艦載作戰飛機發動機已經完成了向渦扇發動機的轉變，推重比、可靠性、耐久性、可維護性等指標也已經提高數倍，耗油率和全壽命費用已經大大降低。未來1代艦載作戰飛機發動機正在VAATE等技術研究計劃下開發和驗證，相信，其性能會大大提高、費用明顯降低、經濟可承受性顯著提高。

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