猛禽與閃電之心（下）

火心2000

F119發動機的性能綜述

作為世界上第一種第四代發動機，F119的性能指標用現在流行語“華麗得令人發指”來形容是一點也不為過的，具體指標見下表。

F119的性能特點可以歸納為：單位流量推力大（約130千牛/（千克/秒）），推重比高（大于10），能為飛機提供短距離起降能力；不加力推力大，速度特性好，能為飛機提供不加力超聲速巡航能力；具有二元矢量推力，能為飛機提供非常規機動能力；具有全權限數字電子控制系統，能實現飛/推綜合控制；具有高效可靠性和良好的可維護性。

F119的推力超過一般發動機的3倍，不加力狀態下的推力比第三代航空發動機加力狀態下還要大。一架F-22戰機在兩臺F119發動機的推動下，不開加力就能以超過馬赫數1.4的速度持續飛行，這樣可以快速接近戰區并實現高速突防，大大提高戰機的作戰能力，且節省燃料。

F119發動機的設計遵循“產品綜合發展”（IPD）的思想，實現性能、安全、可靠、維修、經濟等指標的平衡。F119的主要部件比普通渦輪噴氣發動機少40%，耐久性更強，工作強度更低，對地面保障設備和人員需求減少50%，定期維護時數減少75%。

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F119發動機的零部件的主要設計特點

F119發動機分為風扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管、附件傳動機匣等6個單元體，另有附件、全權限數字電子控制系統以及發動機檢測系統。整臺發動機由3級風扇、6級高壓壓氣機、帶氣動噴嘴和浮壁式火焰筒的環形燃燒室、單級高壓渦輪、單級低壓渦輪、加力燃燒室以及二元矢量噴管等組成。F119凈重1360千克，渦輪前燃氣溫度1850～1950K。

3級風扇

F119發動機的第一級風扇葉片采用寬弦、空心設計，與用于波音777的PW4084發動機采用的空心葉片結構相同，即葉片由葉盆、葉背兩塊型板經擴散連接法連接成一整葉片。在連接前先將型版接合處縱向加工出幾條槽道形成空腔。這種空心葉片的空心度較羅羅（RR）公司采用的帶蜂窩芯的夾層結構小。用鈦合金制成的3級風扇轉子均采用整體葉盤結構（在YF-22上進行驗證飛行時所采用的YF119發動機中，僅2、3級風扇采用了整體葉盤）。F119采用線性摩擦焊的加工方法加工整體葉盤。

為了保證風扇機匣剛性一致，保持較均勻的葉尖間隙，F119的風扇機匣做成整環的，風扇轉子做成可拆卸的，即2級盤前、后均帶鼓環，分別與1、3級盤連接。

風扇進口處采用了靠邊彎度的進口導流葉片，可大大縮小常規直靜子葉片上、下端的分離損失區。這種設計結構類似于F100發動機，葉片是利用PW開發的NASTAR程序設計的。采用彎曲靜子葉片后，可提高風扇、壓氣機效率與喘振強度。這種葉片也用在F119的高壓壓氣機上及諸多民用PW4084發動機上。

6級高壓壓氣機

F119的高壓壓氣機采用高級壓比設計，6級轉子全部采用整體葉盤結構，進口導葉與1、2級導葉是可調節的。前機匣采用“Alloyc”阻燃鈦合金材料制造，以降低重量，采用了彎曲的靜葉。為了增加高壓壓氣機的出口處機匣（該處的直徑最小，形成了縮腰）的縱向剛性，燃燒室機匣前伸到壓氣機的3級處，使燃燒室機匣具有雙層結構：外層傳遞負荷，內層僅作為氣流的包容環。這種結構設計在大型、高涵道比渦扇發動機上得到廣泛應用。

短環形燃燒室

F119的燃燒室火焰筒為雙層浮壁式，外層為整體環形殼體，在殼體與燃氣接觸的壁面上鉚焊有沿圓周和長度切開的一塊塊瓦塊形薄板，薄板與殼體間留有一定的縫隙，冷卻空氣可由縫中流過，各瓦塊形薄板在圓周與長度上可以自由膨脹。為了使薄板在工作中能在圓周與長度上自由膨脹，薄板在圓周與長度上均切成一段段的，形成多片瓦塊狀的薄板，因此這種火焰筒又稱為瓦塊式火焰筒。

這種燃燒室可以改善火焰筒的工作條件，不僅可提高火焰筒的壽命，與燃氣接觸的瓦片燒壞后還可以隨時更換，提高了發動機的可維修度；且還可以減少污染物排放。這種結構已經在PW出品的眾多發動機上得到廣泛的運用，例如V2500、PW4084等民用發動機。

油嘴采用了氣動式噴嘴，能改善燃油霧化質量，提高燃燒完全度，減少排污，同時還消除一般離心式噴嘴易生積炭的問題。

單級高壓渦輪

F119的高壓壓氣機的工作葉片用PW公司的第三代單晶材料制成，采用了先進的氣膜冷卻技術。渦輪盤采用了雙重的熱處理以適應外緣與輪心的不同要求，即外緣采用了提高損傷容限能力的處理，以適應榫槽可能出現的微小裂紋；輪心部分則采用提高強度的熱處理，這種在一個零件上采用兩種要求不同的熱處理，實屬罕見。工作葉片葉尖噴涂有一層耐磨涂層（YF119未采用），以減少性能的衰退率，這種措施也被PW應用在大型民用渦輪風扇發動機上。

單級低壓渦輪

F119的低壓壓氣機的轉向與高壓壓氣機相反。這種高低壓轉子轉向相反的設計，讓飛機機動飛行時作用于兩轉子上的陀螺力矩會相互抵消大部分，因此可減少外傳到飛機機體上的力矩，可提高飛機的操縱性。這點對高機動性能戰機特別重要。另外，對裝于兩轉子間的中介軸承，軸承內外環轉向相反時，會大大降低保持架與滾子組合體相對內外環的轉速，對軸承的工作有利，但增加了封嚴的難度。理論上，高低壓壓氣機反向轉動時，可以不要低壓渦輪導向器（YF120發動機即是如此），但F119為了保險起見，仍采用了導向器。低壓渦輪輪盤中心開有大孔，以便安裝高壓轉子的后軸承（中介軸承），這與F404、M88發動機的結構類似。

加力燃燒室

F119的加力燃燒室的加力筒體采用Alloyc阻燃鈦合金制造以減輕重量，兩者間的縫隙中流過外涵空氣對筒體進行冷卻。在YF119發動機上采用外部導管引冷卻空氣對筒體進行冷卻，在F119上則取消了外部導管，簡化了制造難度，減少了零部件，優化發動機結構設計。

二元收斂—擴張矢量噴管

F119發動機的尾噴管采用獨特的二元收斂—擴張矢量噴管。噴管上、下的收擴式調節片可單獨控制喉道與出口面積，而且當上、下調節片同時向上或向下擺動時，改變排氣流的方向（即推力方向），發動機推力能在+20°～-20°之間偏轉，可以提高戰機的機動性。噴管從+20°到-20°的行程只需1秒即可完成，響應時間相當短。推力矢量由雙余度全權限數字電子控制系統控制，用煤油作介質的作動筒來操縱。調節片設計考慮了減少雷達散射面積；為了減少紅外信號，對調節片進行了冷卻。尾噴管也采用Alloyc阻燃鈦合金制造，減輕重量。可以說Alloyc阻燃鈦合金是F119制造的“萬金油”，基本上用于發動機的每一個重要零部件。

燃油控制系統

燃油控制系統為PW設計的最新型雙余度全權限數字電子控制系統（FADEC），每臺發動機有兩套調節器，每套調節器有兩套計算機，互為備份，以確保調節系統的可靠性。

發動機的可維修性

F119在設計中特別強調發動機的可維修性，例如大部分附件包括燃油泵和控制系統均作為外場可換部件（LRU），而每個LRU拆換時間均不超過20分鐘，所用的工具僅是11種標準手動工具。在外場維修時需進行拆裝的緊固件不容許用保險絲、開口銷，由于采用“B”型螺母，擰螺母時可采用限扭扳手。孔探儀的座孔設計成螺紋內置式的，所有導管、導線均用不同顏色予以區分，滑油箱裝有目視的油位指示器，連接件做成能快卸快裝的設計。

發動機的可靠性

F119在設計中遵循“采用經過驗證的技術的”做法，以及整臺發動機結構簡單，零部件減少。因此發動機雖然它在性能方面較前一代F100發動機有著較大的提高，也采用了一些以前發動機中未采用的新技術，但它的可靠性卻比F100高上許多。

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線性摩擦焊

線性摩擦焊（Linear Friction Welding ，LFW）是一種固態連接技術，類似于擴散連接（Diffusion Bonding）。擴散連接是將兩個需連接的零件接觸面緊緊靠住，在高溫、高壓下，兩零件接觸表面間形成了材料原子的相互轉移，最終使兩者緊密連接一體。在這種連接中，由于相連接處的材料并未融化，因而不會出現一般焊接中易發生的脫焊現象。從結構上講，連接處看不出“焊縫”，且其強度與彈性均優于本體材料。線性摩擦焊與擴散連接不同之處在于：在擴散連接中，連接的工件是在爐中加溫使其達到高溫的；而在線性摩擦焊中，工件的高溫是通過兩接觸面間的相互高頻振蕩產生的。這樣可以提高加工部件的接合處的堅固性能。

F119發動機采用的制造材料

在航空發動機發展史上，一款發動機若想取得代差式的進步，必然是建立在制造材料取得代差的基礎上的。這點對作為第一款第四代發動機F119也不例外。作為“猛禽”之心，F119的性能之高早已令人矚目。它的制造材料選擇由于保密的原因，至今我們只能知道大概，對其中細節根本無從了解。筆者綜合國內外公開的資料，簡單的介紹一下F119的制造材料。

眾所周知，F119發動機是PW在F100-PW-100發動機基礎上發展而來的高性能發動機。F119是F100的改進與發展，其材料除低溫部分采用高溫樹脂基復合材料以及尾噴管使用陶瓷基材料之外，仍將主要使用傳統的金屬材料。傳統金屬材料能適應新的性能要求，需要在制造材料以及工藝改良上有著較大的突破，特別是在工藝上有較明顯的改進。

A、超高溫樹脂基復合材料

超高溫樹脂基復合材料近年已大量應用于航空發動機。在軍用發動機中，復合材料用量大約占結構重量的3%。F119也采用了大量復合材料，例如風扇外涵道就采用PMR15聚酰亞胺樹脂復合材料。據報道，由美國空軍自主研發的AFR700B超高溫樹脂基復合材料也大量應用于F119上。AFR700B是以8氟單體為基的樹脂，其工作溫度比PMR-15高出55℃，可在371℃工作1000小時，在316℃工作10000小時，可用來代替鈦合金用作壓氣機的靜子結構和進氣道，也可用作后機身多用途導管。AFR700B是為代替PMR-Ⅱ-50研制的，前者的熱穩定性更高且易于制造。

PW公司還在研究將AvimidK熱塑性復合材料，用于綜合高性能發動機中介機匣，該機匣要求能承受347℃高溫以及4個大氣壓。這種材料有較好的熱穩定性，并且用于F119發動機上。

上述復合材料的應用可提高飛機的雷達及紅外隱身性能，現已大規模應用到F119發動機上。

B、鈦合金空心風扇葉片

PW公司向來都將軍民用發動機的先進技術進行相互移植，F119的風扇基本都是照搬成熟的民用PW4084發動機所用的空心風扇葉片。這種葉片由鈦合金制成，制造過程獨特，從鈦毛坯開始，先將毛坯切削加工成兩半部分，然后將兩半部分放在真空爐內進行擴散連接，再將葉片放在夾具中進行超塑成形得到氣動型面，最后放在成型模內在氬氣下進行成形，這種葉片的特點是無凸臺。

C、阻燃鈦合金

鑒于鈦合金在運轉中有可能著火的問題，靜子將采用一種阻燃鈦合金。這種鈦合金的特點是鉻、釩含量高，尾噴管和加力燃燒室也使用這種防火鈦合金。該鈦合金由PW公司專門為F119開發的。合金牌號AlloyC（Tiadyne 3515），成分為50Ti-35V-15Cr，密度為5.2克/厘米3，在425～595℃具有高的屈服強度及蠕變強度，遠高于Ti-6AL-2V-4Zr-2Mo，其阻燃性優于Ti-6Al-4V。此外，其室溫變形性能好，冷軋及鈑金成形時，延伸率達40%～50%，同時它還具有良好的焊接及精密鑄造能力。

為了阻燃，F119的葉片還使用鍍鎳或鈦鋁化合物葉尖。

D、粉末高溫合金整體葉盤

F119壓氣機的6、7、8、9級為整體葉盤，輪緣與輪心采用了不同熱處理制成，具有不同的晶粒尺寸，合金為Tn100，從而可使輪緣薄，重量輕，這種方法只能軍用于發動機。

E、低膨脹系數合金

該合金由PW的合作伙伴Inco國際公司研制，它的膨脹系數比常用In718合金低20%，密度小6%，而強度兩者相當。該合金在650℃抗氧化能保持完好。這種合金牌號為4005，其成分為42Ni、29.5Fe、18Co、6Al、1.5Ti。合金要求經過真空感應熔成電極，然后經真空電弧及電渣重熔。該合金不能用鉻來防氧化，因鉻會降低鐵磁性從而破壞低的熱膨脹系數。

此外，Inoc公司還為F119的壓氣機、燃燒室及排氣系統機匣及環研制了另一種新型鎳-鈷-鈦基低膨脹系統高溫合金In783，其熱膨脹系數比Inoc718低20%，密度為7.78g/厘米3，抗氧化能力接近In718，且可保持在700℃以上。

該合金的成為為28.5Ni，34Co，26Fe，54AI，3.0Nb，3.0Cr，0.1Ti。

F、雙性能合金粉末盤

F119采用單級對轉高壓及抵押渦輪轉子。為了優化材料的性能，渦輪盤將采用雙重熱處理，使輪緣為粗晶組織以滿足損傷容限要求，而輪心為細晶以滿足強度和低周疲勞性能的要求。輪心與輪緣可以通過擴散連接而成。

G、Lamilloy合金

據分析，F119的渦輪葉片仍將使用單晶合金鑄造，但這種單晶合金已不是一般的單晶合金。

一種方案是采用第三代單晶合金，將比第二代單晶合金的冷效有更大的提高，使用溫度接近1100℃。第3代單晶葉片仍將是第二代當單晶葉片的改型并采用陶瓷隔熱涂層。目前已出現的第三代單晶合金有CMSX-10，其工作溫度比第二代單晶合金高出30℃，其成分為1.8～4.0Cr，1.5～9.0Co，0.25～2.0Mo，3.5～7.5W，7.0～10.0Ta，5.0～7.0Al，0.1～1.2Ti，0.01～0.15Hf，其余為Ni。

另一種方案可能是采用Lamilloy合金，它原是為燃燒室研制的一種變形合金，現已發展到可以進行鑄造，而且是單晶鑄造，它是一種多孔單晶鑄造合金葉片，是由Lamilloy合金鑄造成發散冷卻葉片。

PW正在對該種葉片進行研制，稱之為“超級葉片”，美國空軍把它叫做“超級冷卻葉片，它比羅羅北美公司的發散冷卻葉片有更高的溫度梯度（達到330℃），采用這種葉片可使渦輪工作溫度提高250℃，減少冷卻氣流30%，延長葉片壽命2～4倍。但專家對此種高溫度梯度葉片方案能否成功仍保有懷疑，美國軍方說目前對此種超級冷卻葉片尚無需求。不過根據后來資料顯示，這種超級葉片已經研發成功，將會應用在F119的后續改進型號及F135系列發動機中，并有可能應用在第五代航空發動機上。

在此之前，羅羅北美公司已用上述方案制出一種將Castcool的單晶鑄造發散冷卻葉片，據稱，它綜合了對流、沖擊及氣膜冷卻效果，在1649℃燃氣中仍能保持高性能。這種方案用于第二代單晶合金CMSX-4合金，冷卻效果比第一代單晶合金CMSX-2好（工作溫度高出36℃），壽命提高一倍，減重30%。

Lamilloy合金除了用作葉片外，還成功的用于F119的加力燃燒室以及YF-23的槽形尾噴管。YF119的加力燃燒室襯里采用了9.9米2的MA956Lamilloy合金，并在YF-22及YF-23上進行了試驗，試驗表明這種材料是有效的。

MA956合金性脆很難加工，但它與其他高溫合金不同，可以進行光刻腐蝕而不需進行難控制的電化學處理，RR北美公司的酸性腐蝕打孔技術可同時鉆300～400個孔。Lamilloy的松孔度按每平方英寸通過若干磅冷卻空氣計算。

Lamilloy合金還可以用于尾噴管。例如，在YF-23上工作環境最為苛刻的一個部件，是飛機上的槽形尾噴管口。它的工作溫度達到1371℃（加力）/810℃（不開加力），并且是受力結構，噪聲水平估計為180分貝，有聲疲勞問題，壽命要求為4000小時。原計劃用碳/碳復合材料，但它在高溫下易產生氧化，原型機只好改用Lamilloy材料。這種材料是由MA956板擴散連接以及光刻冷卻孔制成。在YF-23上采用了6.48米2的Lamilloy發汗冷卻磚，使溫度控制在一定范圍內并能承受飛行試驗的熱載荷以及聲載荷而未經修理或更換。

Lamilloy合金的缺點是需從發動機引出冷氣流，影響發動機的推力。因此該公司計劃采用3種材料代替，一種為柔性氈，已在加力燃燒室上進行了超過1000小時的試驗，現在已經成熟了；另一種是陶瓷磚；第三種是陶瓷基復合材料，其中陶瓷基復合材料的可能性最高。

H、陶瓷基復合材料

為了滿足戰機的過失速機動要求，F-22將采用偏航/俯仰矢量噴管，噴管魚鱗板原計劃采用碳/碳復合材料制造。這種噴管可使兩塊平行的魚鱗板換向。

不過，后來有資料顯示，這種復合材料制造的矢量噴管將首先裝備在F119上進行應用。這種噴管將由陶瓷復合材料來制造。這種矢量噴管由于重量大要求采用輕質材料，否則將會有重心后移的問題。因此，估計尾噴管的制造材料就會有由別的復合材料制造。

閃電之心——F-35戰斗機的動力系統

早在20世紀80年代初期，美國軍方已開始論證新一代戰斗機計劃。后來，根據方針的調整，美國分別研制了先進戰術戰斗機（ATF）和“聯合打擊戰斗機”（JSF）。經過多年的努力，ATF計劃的成果“猛禽”在20世紀90年代已露真容，而JSF計劃也有了實質性進展。

1993年，美國國防部進行JSF項目論證，在國會的支持下，項目進展順利且迅速。同年12月，根據美國國防部的要求，波音公司和洛克希德·馬丁公司分別組織了一個競爭團隊參與JSF項目的競爭。波音公司設計了大三角翼、一對傾斜式尾翼而無水平尾翼的X-32，洛馬公司則采用常規布局的X-35。兩個項目進行了大約3年的對比試飛。

按照以往慣例，JSF動力系統的爭奪大戲仍由美國兩大航空發動機巨頭GE、PW“領銜主演”。考慮到JSF項目配套動力的要求之高已經達到了現今航空發動機工業的金字塔尖，為了分攤研發成本，兩大巨頭都分別組成團隊參與競爭，GE這次聯合的對象是當今航空發動機三巨頭之一——英國的羅羅公司，具體事宜由羅羅公司兼并的原美國艾利遜公司負責。這個團隊在YF120的基礎上研制了F136發動機。PW公司則聯合了羅羅公司、沃爾沃公司、DAS公司、Unison工業公司、IFADA/S公司等公司研制了F135發動機。

2001年10月26日，JSF項目的競標結果揭曉，洛馬公司的X-35項目勝出，成為新一代海空軍和海軍陸戰隊的通用多用途戰斗機，并改稱為F-35聯合打擊戰斗機。F-35戰機共分3個型號系列：常規起降型F-35A、垂直起降型F-35B和艦載機型F-35C。同時軍方宣布勝出的動力系統為PW的設計方案，并授予了F135編號。

F135發動機因F-35戰機的需求而啟動

其實，F135發動機能夠勝出，并非僥幸。在JSF項目驗證機研制之時，PW已經成功研制出世界上第一款第四代航空發動機——F119-PW-100發動機。該發動機是人類歷史上第一型推重比達到10的航空發動機。PW公司正是以F119發動機為基礎，針對兩家競爭者各自的需求，設計了兩款略有不同的發動機參與競爭。波音型的F119發動機代號為JSF/F119-SE614，洛馬型的F119發動機代號為JSF/F119-SE611。

這兩種型別的發動機之所以要存在這些差異，主要是因為兩個JSF機體制造商所采用的垂直升力系統方案有所不同。波音公司采用了類似“海鷂”戰斗機的多個矢量噴管下偏的垂直起飛方案，整體來看比較復雜；洛馬公司的X-35采用了發動機主軸驅動升力風扇+發動機噴管下偏來實現垂直起降。洛馬公司使用的發動機JSF/F119-SE611采用了軸對稱噴管，能夠垂直下偏提供主要升力。后來洛馬公司的X-35贏得了JSF計劃，那么F135發動機也就被確定為聯合打擊戰斗機的動力系統。和F-35戰斗機一樣，F135發動機也是多國聯合研制。這點和F-35戰斗機的營銷策略有異曲同工之處。

由于是以性能先進而成熟的F119發動機為基礎，F135發動機的研制進度相當的快，在2002年5月就成功通過了初步設計評審，2003年5月成功通過了關鍵設計評審。2003年9月，第一臺F135生產型發動機組裝工作完成。2003年10月，F135傳統起降型（CTOL）發動機（FX631發動機）開始進行地面測試，檢查了發動機是否有液體泄漏、從地面慢車到空中慢車間的油門特性。2003年11月8日，PW的第一臺F135FX631生產型發動機首次進行加力試驗。2008年11月25日，F135發動機成功完成超聲速飛行，飛行的最高速度達到馬赫數1.05。到2007年年底，F135推進系統完成了3600小時的方案驗證試驗、8500小時的系統驗證試驗，垂直起飛推進系統完成了4300小時試驗和19次飛行試驗。此后，用于F-35A的F135-PW-100于2010年年初正式定型，獲得服役許可。用于F-35C和F-35B的型號（F135-PW-400和F135-PW-600）之后也陸續投入使用。

F135發動機的先進性能

F135的技術基礎乃是當今世界第一款第四代航空發動機F119，其性能之強悍至今沒有匹敵者。而脫胎于F119的F135自問世之時就被冠以無數頭銜，其中史上推力最大最為耀眼。

作為F119的衍生型號，F135發動機采用了與F119相同的核心機。F119發動機采用3級風扇，6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、高壓渦輪轉向相反的單級低壓渦輪、加力燃燒室與二元矢量噴管等組成。整臺發動機分為風扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管和附件傳動機匣等6個單元體，另外還有附件、FADEC以及發動機監測系統。F119的結構布局基本達到了當今航空的頂端存在，而脫胎于F119的F135性能更為強悍。

為了繞開一款航空發動機研發的最大障礙，F135采用了F119的核心機。不過為了達到F-35戰機的性能要求，F135做了針對性的設計。為了提高推力，增加了發動機的空氣流量和涵道比，提高了發動機的工作溫度；為了獲得短距起飛和垂直著陸能力，STOVL型增加了新穎的升力風扇、3軸承旋轉噴管、滾轉控制噴管。其3級風扇采用超中等展弦比、前掠葉片、線性摩擦焊的整體葉盤，在保持原風扇的高級壓比、高效率、大喘振裕度和輕質量的同時，將風扇的截面面積增加了10%～20%；6級壓氣機和F119基本相同。

F135的燃燒室是在F119的三維高紊流度、高旋流結構的浮壁式燃燒室的基礎上做出相應的改善，采用了高燃油空氣比燃燒室技術，在提供小的分布因子和所要求的徑向剖面的同時，滿足了效率目標。高、低壓渦輪采用對轉結構，“超冷”高壓渦輪轉子葉片和導流葉片采用計算流體力學方法設計，利用高溫材料鑄造，已在改進的F119發動機上得到驗證，在提高耐久性的同時，能夠明顯提高工作溫度（幅度約為110℃）。低壓渦輪增加一級，變為2級，以適應增大的風扇帶來的驅動負荷。

STOVL型F135-PW-600采用了升力風扇+發動機噴管下偏+姿態調整噴管的垂直起降方法。這種設計方案成功實現了垂直起降、俯仰、偏航和滾轉的能力。升力風扇由涵道、風扇、D形噴管、聯軸器、作動裝置和伺服系統組成，由主發動機的F135的2級低壓渦輪驅動；升力風扇直徑為1.27米，可以向前偏轉13°，向后偏轉30°，在STOVL工作狀態下使戰斗機上方的冷氣流以230千克/秒的流量垂直向下噴出，產生90千牛的升力；3軸承偏轉噴管向下偏轉（最多可偏轉95°，可左右偏轉10°），產生71.1千牛的升力；該噴管可使發動機的排氣從水平偏轉到垂直甚至向前，可使推力從水平方向偏轉到垂直向后。

此外，F-35戰機每側翼根處的滾轉控制噴管利用發動機壓氣機的引氣，也可提供16.7千牛的推力；在控制桿端的噴管差動地打開和關閉，實現滾轉控制；通過偏轉噴管偏航實現偏航控制；通過升力風扇和發動機推力分離實現俯仰控制。

F135的加力推力176.5千牛，軍用推力127.5千牛，重量1700千克，長度為9.37米，懸停總推力為175.3千牛，短距起飛推力為169.5千牛。這樣的推力級別目前沒有任何實際裝備戰機的加力式渦扇發動機能夠達到，就是F135的基礎F119都不能。由此可見F135性能之強悍！更值得一提的是，F135相對于F119的推力雖然大幅度增強，但實際上是在同樣核心機基礎上用流量、高速性能換推力，耗油率卻并未有多大的提高。不過，由于F135的涵道比增大，迎面截面增大，其高速性能略有下降。

美國第五代航空發動機研制情況

航空制造工業是當今高科技的綜合利用，是集機械、電子、光學、信息科學、材料科學、生物科學、激光學、管理學等最新成就為一體的一個新技術與新興工業的綜合體，是多學科交叉、技術密集的高科技領域，是集現代科學技術成果之大成的科學技術。其發展水平標志著一國的頂尖制造技術水平，對整個裝備制造業的發展起著引領作用。而航空發動機更被譽為“工業皇冠上的明珠”，有“大工業之花”之稱。目前，在民用航空發動機領域，基本形成GE、PW、RR三巨頭鼎立之勢，且在相當長的時間這種均勢都不會有明顯改變。在軍用航空發動機領域，美國依然一騎絕塵，遙遙領先；有著超級大國底蘊的俄羅斯緊跟其后；而歐洲諸雄雖能在民用航空發動機領域呼風喚雨，但在軍用航空發動機領域因無裝機對象，基本宣布掉隊；而我國的航空發動機工業通過長期的積累，整體科研水平和工業制造能力有了很大的進步，已現加快追趕的勢頭。就在我國航空發動機研制已經取得了不錯的成績之時，美國人又向新的高峰發起了又一輪的沖鋒。

2012年11月4日，美國媒體集中報道一則消息——美國GE公司開始進行人類歷史上首臺第五代發動機的核心機測試。這是美國在航空發動機領域的又一次重大飛躍，標志著人類航空發動機工業的新一輪革新即將到來。

其實，GE正式測試第五代航空發動機核心機之前，美國人在“動力先行”這一科學策略指導下，早在多年前就正式著手醞釀了。

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第五代發動機的特點

第五代發動機是比目前發動機更優越的新一代噴氣式發動機，與前四代發動機相比，第五代發動機將呈現出以下五大突出特點：

1.耗油少、效率高。第五代發動機具有更優的結構、更大的進氣流量，能夠實現更低的燃油消耗。其燃燒效率比目前最新的第四代發動機（F-35戰斗機配裝的F135發動機）提高25%，因此，耗油率比第四代戰機降低25%。耗油率的降低，可大大增加飛機的續航時間、待機時間，它可使亞聲速飛機航程增加30%，待機時間增加70%；使超聲速飛機航程增加40%，待機時間增加80%。

由于使用變循環發動機技術，當飛機亞聲速巡航時采用高旁路渦扇模式，超聲速巡航時則采用渦噴模式，從而拓寬了發動機的工作范圍，提高了不同飛行狀態下發動機的工作效率，使第五代飛機既能亞聲速巡航飛行，又能進行馬赫數3～6的超聲速巡航飛行。

2.推力大、重量輕。與第四代發動機相比，第五代發動機的功率得到大幅度提高，其中間推力將增大5%，最大推力增大10%，工作航程提高30%。它可進一步提高飛機的飛行速度和高速沖刺能力，使第五代飛機在不開加力的條件下保持超聲速巡航飛行，并縮短了飛機起降距離。

第五代發動機中，新材料的貢獻率將達到50%以上。“材料先行”已成為航空發動機研制的客觀規律，第五代發動機將采取新材料技術，綜合運用單晶材料、熱強鈦合金、熱強鎳合金、耐火合金材料、特種合金材料、抗腐蝕保護層等大量新材料，使發動機的重量大大減輕，其推重比可達到15～20，而目前最先進飛機的推重比僅為10。

3.兼容性強、成本低。第五代發動機采用自適應通用發動機技術和高效嵌入式渦輪發動機技術，利用一種核心發動機或基準發動機可衍生出系列發動機，以滿足不同任務飛機的需求，因而擴大了發動機的適用范圍，使之具有良好的兼容性。

按照美軍設想，第五代發動機能夠滿足未來全譜系空中平臺能力的需要，既可裝配在空軍第五代飛機上，也可裝配在海軍F/A-XX第五代超聲速戰斗機上，還可以供無人轟炸機使用。而且，第四代F-35、F-22等戰機只需經過稍許改裝就能換裝第五代發動機。

由于通用性強，第五代發動機的經濟可承受性將大大改善，其研發成本和裝備價格將大大降低，性價比也隨之提高。據美軍預測，第五代發動機的性價比將是2000年基準發動機的10倍。

4.零件少、用途多。當今航空發動機的內部極其復雜。葉片、管路、各種零件幾乎貼在一起，使發動機易出故障且維修困難。第五代發動機應用了變循環發動機、自適應發動機等新技術、新原理，能夠充分利用沖壓效果，使發動機零件減少70%，可大大降低發動機的安裝阻力，提高發動機的可靠性和可維修性。

第五代發動機除用于提供動力外，還可用于飛機的方向控制。以戰斗機的垂尾為例，垂尾是保證飛行和起降時飛機方向安定與方向操縱的重要部件，但垂直豎立的巨型垂尾是隱身的噩夢。

第五代發動機利用發動機的推力矢量、氣動控制面和壓氣機引氣方式等實現飛機的方向控制，使第五代飛機成為沒有垂尾的戰斗機。加之發動機的排放溫度低，不僅提高了飛機的可靠性，還提高了飛機的隱身性能，使第五代飛機具有低可探測性的特點。

5.壽命長、對飛行環境要求低。第五代自適應發動機具有內在可變特性，能夠根據不同的飛行環境調節涵道比和壓比，優化發動機工作，提高其性能。因此，能使飛機適應多種不同環境下飛行的需要。對環境適應能力的增強可相應增加發動機的使用壽命。為此，美軍第五代發動機的設計壽命比第四代飛機增加50%～67%。

長期以來，美國堅信先進武器裝備是戰爭勝負的“決定性”因素，因而十分注重先進軍事科技研發。近年來，由于俄羅斯大力開發第四代戰機和更先進的防空系統以及中國的強勢崛起，美國預測，在21世紀20年代中期，美國將會失去對中國和俄羅斯的空中優勢。美國軍方為使自己始終處于航空技術的最前沿，保持對潛在對手的飛機代差，確保美國的空中優勢，綜合多方意見，決定終止第四代戰機F-22的生產，把資金用于第五代戰機的研制。根據以往經驗可知，新一代戰機從概念研究到投入使用約需20年時間。因此，美國在F-22尚未成熟定型之時的21世紀初，便已開始了第五代戰機的概念性研究，在長期奉行的“動力先行”的策略使然下，發動機的研究更是早在20世紀末便已拉開了序幕。

VAATE計劃

根據美國航空發動機發展經驗可知，美國的航空發動機工業之所以長期遙遙領先于他國，堅定不移地執行核心機計劃是一條十分重要的黃金規律之一。美國通過一系列核心機計劃的執行，自航空發動機工業早期就在航空發動機研究中搶占先進。早期的ATEGG計劃造就了冷戰時代美國航空發動機工業的繁榮，而1988年美國正式推行的“綜合高性能渦輪發動機技術”（IHPTET）計劃則為新世紀航空發動機工業的再次“獨孤求敗”奠定了雄厚的基礎。

隨著IHPTET計劃的結束，2006年，美國空軍實驗室及其工業伙伴發起了IHPTET計劃的后續計劃——“多用途經濟可承受先進渦輪發動機”（VAATE），其指導思想是在提高性能的同時，更加強調降低成本。同以往一樣，能夠參加這樣級別盛宴的都是該領域的最頂尖選手——PW、GE、RR（主要由RR美國公司負責）仍是這場大戲的“男主角”。

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VAATE計劃總目標是在2017年達到的技術水平使經濟可承受性提高到F119的10倍。由于技術難度高，美國高層經過充分論證后，將VAATE計劃的技術驗證分為兩個階段進行。

第一階段：開發“自適應通用發動機技術”（ADVENT）項目。由RR和GE承擔，共耗資5.24億美元，目的是演示第五代戰機的動力裝置技術，該技術的主要用途是為下一代亞聲速轟炸機提供動力。從美國軍方授出的合同我們可以發現一個有趣的現象，一向在軍用航空發動機領域呼風喚雨的PW竟然未能贏得合同！雖然我們不知道PW為何失敗，但PW卻并未就此放棄，仍自籌資金投資于變循環發動機的樣機上，加速向前。根據2012年7月份PW高層透露，PW希望能在2013年的第一季度測試改進自 F135發動機的自適應風扇和全新的高壓核心機。當然，PW希望能取代承擔ADVENT計劃中的一家（RR或者GE），奪取接下來的“自適應發動機技術發展”（AETD）項目。

該階段的驗證項目也是分為兩步進行：第一步，在2007～2008年，進行為期一年的概念性探究，初步設計出發動機并進行關鍵部件試驗；第二步，從2008年9月開始，進行為期3年的研制。要在風扇、壓氣機和渦輪等核心部件上取得重大突破。

目前，這一階段的項目任務已基本完成，GE已經完成自適應風扇技術的演示實驗工作，并進行了首臺核心機的測試，發動機的核心機已實現變流量工作，并進行了技術驗證，2013年還進行了整機試驗。

GE雖然首拔頭籌，RR也不落后。RR官方在2012年6月宣布，公司也已完成ADVENT樣機風扇部件的測試，希望能在2012年底進行其核心機的測試。

第二階段：是“自適應發動機技術開發”（AETD）項目。

由GE和PW承擔，重點是為超聲速戰機提供動力。該項目從2013年開始，為期4年，2015年進行環形燃燒室和高壓壓氣機裝置試驗，2016年進行自適應風扇和核心機驗證機試驗，并完成地面演示驗證，2017年進行整機地面試驗。

同時，這項技術也同樣適應美國海軍正在醞釀的F/A-XX第五代戰機。美國海軍當前正致力于所謂的“變循環先進技術”（VCAT）研究。不過，根據美國三軍向來單干的風格，美國海空軍的發動機都或多或少有著區別的。美國海軍希望他們需要的未來下一代戰機要具有更遠航程和更大的動態性能。當然，不管兩軍需求有著怎么樣的區別，但基本的基礎設計是相同的。

美軍認為，這兩個項目對于保持美國在發動機技術領域的優勢地位十分重要，其意義如同由渦輪噴氣發動機向渦輪噴氣風扇發動機的進步，對于全面提升飛機的性能具有里程碑意義。

AETD項目將進一步推進ADVENT項目研發的變前端可旁通“三流道”架構技術的成熟。傳統渦扇發動機擁有核心機和涵道兩種氣流形式而，這種新型發動機有了第三個外流道。關閉外流道，將降低涵道比并提升起飛和超聲速階段的推力；打開外流道，則能提高涵道比以降低巡航和留空時的燃油消耗率。增加的流道還能夠為飛機系統提供額外的冷卻空氣；能更好地與進氣道和發動機氣流供求在整個飛行包線內相匹配以使得阻力最小。在AETD項目中，GE和PW將設計能用于F-35的變循環發動機，該發動機與目前PW的F135相比，凈推力增加5%，二次燃燒增加10%，耗油率降低25%。

根據公開資料可知，AETD計劃項目是瞄準洛馬公司F-35戰機在2020年以后的升級以及為2030年前后下一代戰機提供動力。

正是AETD計劃的繼續推進，人們對美國未來第五代航空發動機的發展軌跡有了基本的了解。美國預研的第五代航空發動機有多種不同的類型，比較典型的有兩種：

以GE為代表的新一代發動機。這類發動機運用了自適應通用發動機技術等新的技術方案和原理。主要是利用失敗的F120發動機提出的設計理念；

以PW為代表的改進型發動機。這類發動機是在已有的發動機基礎上行改進而成。例如，PW研制的PW9000第五代發動機就是在F135和“靜潔動力”PW1000齒輪傳動發動機基礎上發展而來的。

不過，無論這兩家公司選擇什么樣的發動機，都運用了變循環發動機的自適應風扇技術等關鍵技術，并且都研制了全新的高壓核心機。

目前，我們雖然不知道美國高層對第五代發動機的研制方有什么樣的未來規劃，但根據美國一向的軍備發展作風，不會將關鍵技術交給外人。雖然英國和美國存在著“特殊的國與國關系”，估計RR只是陪太子讀書的份兒，最終仍然會上演雙雄爭霸的好戲。只是習慣后發制人的GE這次卻實實在在地搶占了先機。

第五代發動機在技術原理上最重大的突破就是“三流道”技術。該技術全稱是：變前端可旁通三流道架構技術。傳統渦扇發動機擁有核心機和涵道兩種氣流形式，第五代發動機則有了第三個外流道。該流道的第三股氣流由自適應風扇產生，可提升飛機起飛和超聲速階段的推力；打開外流道，則能降低巡航和滯空時間的燃油消耗率。

此外，有了外流道，可極大改進發動機的熱管理及進氣道壓力恢復能力，減少發動機內的氣流阻力，提高氣動效率，從而減小安裝阻力，增大發動機的功率，這不僅能使飛機達到馬赫數6這樣的超高速，還可為飛機提供額外的冷卻空氣。

總結

目前，美國已經宣布進行第五代核心機的測試，由此可見，美國已經按部就班的穩定推進第五代航空發動機的研制工作。雖然，這只是核心機的測試工作，但我們可以從中發現，美國利用雄厚的國力，在正確方針指導下，已經在未來航空發動機工業領域再次領先一步。這也給所有追趕者提供了最直接的追趕目標，當然也為后來者樹立了一道高高在上的豐碑。目前，我國的第四代戰機已經傲嘯大西南。但誰都不否認，殲20的“心臟”仍是弱項。我國若想在未來空戰搶占優勢，就必須發展自己的第五代戰機。當然，在支撐五代機的“心臟”面前，國人必須自加壓力，迎難而上，勇攀更高的山峰。（續完）