飛機和發動機的關系

發動機拖累飛機研制的經驗教訓

在飛機研制過程中，因發動機選擇不慎造成的不良后果確有很多。作為波音歷史上最大一次賭博的波音747就是典型例子。該公司當年在研制該機時，應啟動用戶的要求不斷增加飛機的重量，結果讓當時該機的唯一發動機供應商普惠公司不斷抱怨飛機的重量大大超過了JT9D的能力。因后者一時無法解決世界上首臺為客機研發的高涵道比渦扇發動機存在的問題而按時交付，造成最初生產的波音747為維持機體的平衡，不得不在許多飛機的機翼下懸掛上了水泥塊兒。隨后發生的發動機問題頻發、航班延誤等，幾乎把波音公司推向了絕境。印度的LCA輕型戰斗機計劃確定原型機采用F404-F2J發動機，批生產型將采用本國研制的GTX-35VS渦扇發動機。由于印度政府在1998年間連續進行核試驗，美國政府于當年5月禁止美國公司繼續參與該項目，尤其在發動機技術支援方面。雖然此時LCA的大部分關鍵工作已經完成，但該項目卻被延誤數年時間。后來，印度不得不將自行研制的發動機移交給俄羅斯進行為期兩年的測試工作。結果，這種1990年完成初步設計、1995年首架原型機制造完畢的戰斗機，直到現在才開始裝備部隊。

上述項目的進展還算是幸運的，因發動機羈絆飛機前途的事例還有很多。20世紀50年代初期，米高揚設計局開始研制一系列的重型截擊機。第一個出場的就是E-150，但該機使用的R-15-300發動機自從設計之日起就一直受到可靠性問題的困擾，造成飛機項目進展遲緩，而隨后研制的E-152也遇到了同樣問題。盡管米高揚設計局研制的該系列戰斗機性能優異，無奈受發動機拖累，蘇聯國土防空軍只好選擇了使用 AL-7F 發動機的圖-128遠程截擊機。而在地球的那一邊，加拿大于1953年開始研制的CF-105“箭”重型戰斗機，同樣因選用發動機不當以及政治方面的原因，使這個加拿大航空工業最為壯麗的篇章過早地成為少數人的記憶。冷戰時期，鐵幕兩邊的軍事力量不僅大力發展戰略轟炸機，還在積極研究如何應付對方的空襲。當時許多國家都在探尋使用三臺甚至更多發動機的垂直起降飛機方案，例如德國的VAK-191B、法國的“幻影”ⅢV和“巴爾扎克”，采用了三臺發動機甚至八臺發動機，造成結構過于復雜，難以投入使用。而英國布里斯托爾公司另辟蹊徑，僅用一臺發動機就可實現戰斗機的垂直起降。正是使用一臺“飛馬”發動機，奠定了“鷂”式飛機家族數十年的輝煌，而其他機型只能是過往煙云。20世紀七八十年代，波音公司和麥道公司幾乎在同一時刻開始研制采用GE36或578-DX槳扇發動機作為動力裝置的新一代150座級客機。由于槳扇發動機應用民航客機上還有許多問題需要解決，其中最關鍵的技術問題是發動機引起的結構聲疲勞、客艙及環境的噪聲問題。加上發動機的研制和試驗遇到困難，不能按期交付，波音公司只好終止了波音7J7項目，而麥道公司只好將MD-90換成渦扇發動機……

許多讀者或許對以上舉例不會有太多的感受，但對于國內因發動機原因導致飛行器遲遲不能裝備部隊，或者干脆夭折的例子，無不有切膚之痛。例如：

“飛豹”轟炸機于1998年定型之際，該機使用的“斯貝”發動機國產化工作已經停頓多年。直到1999年因該機表現良好需要升級改進，有關方面才意識到該機已經沒有發動機可用，不得不著手“斯貝”的國產化。然而遠水不解近渴，不得不從英國購買二手“斯貝”。直到2003年，已被稱為“秦嶺”的國產化“斯貝”終于設計定型。如若不然，“飛豹”將因發動機的荒廢而影響其發展前景。應巴基斯坦要求研制的“梟龍”戰斗機的前身超七，一開始巴方就基本鎖定F404，期間也有考慮PW1216或RB199發動機。由于種種原因，與美國的合作計劃流產。后來在米高揚設計局的參與下，并在選擇了RD93發動機后，才使這一項目不致因為無合適的動力裝置而夭折。至于殲10戰斗機，這個被無數國人引以為傲的第三代戰斗機，在“太行”發動機生產定型之前，只能依賴俄羅斯的AL-31發動機。不僅如此，我國在20世紀80年代以后研制的K-8、L-15、運12、“新舟”、新型直升機等諸型號，根本就沒有國產發動機可用。就在2008年，被視作為大型飛機專項熱身的ARJ21，卻因美國發動機生產商的緣故而推遲了首飛。

從技術角度看，飛機設計不外乎兩種主要的發展思路：根據對飛機的技戰術要求選定合適的發動機，或在已有或正在研制的發動機基礎上確定飛機的布局和各項性能。由于飛機設計是一極復雜的系統工程，由兩種思路決定的發展戰略及面臨的諸多風險遠沒有一般人想象的那樣簡單，對于飛機設計師而言，則要根據本國航空工業乃至整個工業和科技發展水平來進行權衡。

根據飛機的諸項性能指標確定合適的發動機

此種方法就是由設計人員根據用戶的使用需求，確定即將研制飛機的諸項技術指標，然后選擇已有的發動機或確定即將研制發動機的各種技術參數等。美國的F-15、F-22戰斗機，歐洲的幾款第三代戰斗機，L-1011“三星”客機、C-5和A400M運輸機等皆是典型代表。

1965年，美國空軍開始考慮研制替代F-4的以制空為主要任務的F-15戰斗機。1968年9月，正式確定了采用雙發布局、可遠程飛行、高推重比、在廣闊速度范圍內具有充分的能量機動能力等技術要求。為此，美軍提出了研制性能優于F-14所用TF30的大推力渦扇發動機的要求。1970年3月，空軍宣布普惠公司研制的F100發動機成為新型戰斗機的動力裝置。冷戰末期，歐洲數國開始考慮共同研制一種能夠對抗米格-29和蘇-27的戰斗機。歐洲戰斗機計劃參與國就機體大小的選擇上，綜合考慮了成本與性能的平衡問題，將新型戰斗機“臺風”確定為中型、雙發戰斗機。為了使新型戰斗機擁有壓倒性優勢，四國空軍要求為其研制的EJ200發動機具有推重比大、重量與尺寸較小等特點。法國在退出該計劃之后，遂開始研制“陣風”戰斗機。在此之前，可供第三代戰斗機使用的M53渦扇發動機盡管推力較大，但推重比僅有6.56，長度超過5米。由于法國需要的是小于“幻影”4000、比“幻影”2000稍大的中型、雙發戰斗機，需要重新研制一款中等推力、尺寸較小的發動機，由此產生了M88發動機。

1960年，美國空軍提出C-5巨型運輸機的研制計劃。正是這一要求導致了對日后軍民用運輸機的發展具有重要影響的高涵道比渦扇發動機的產生，其直接成果就是TF39發動機。不久，洛克希德公司為了研制“三星”三發寬體客機，需要一種推力達到180千牛的發動機。為此，羅羅公司為其研制了日后著稱于世的RB211三轉子渦扇發動機。80年代初期，歐洲一些國家開始研究C-130和C-160的后繼機問題。由于新型運輸機載重量與最大起飛重量不是很大，出于經濟方面的考慮，空中客車軍機公司最后決定A400M采用渦槳發動機而非原先擬定的渦扇發動機。從此，歐洲數個國家聯合研制了TP400-D6渦槳發動機。

飛機決定發動機的發展道路，往往是根據飛機的總體要求，專門設計一型發動機。例如美國在實施ATF計劃時，就同時為其研制了YF119、YF120兩種新型發動機。在此情況下，新型發動機能否跟上飛機的研制進度便成了關鍵。否則，不如使用現有的發動機。實踐證明：在航空工業發達國家，由飛機決定新型發動機的發展道路存在較小的風險，成功的把握較大；但在工業比較落后的國家，此種方法存在很大的風險。

依據已有或正在研制的發動機決定飛機的氣動布局和各項性能

在此種思路下，飛機設計師只能根據已有發動機的幾何尺寸與性能等來確定將要設計飛機的外形尺寸、起飛重量等。從這個意義上講，正是發動機的進步，才推動航空工業的發展。

波音公司最初的B-52設計方案由于使用四臺T35渦槳發動機與B-36相比沒有任何優勢，前景黯淡。在美國空軍的要求下，波音公司不得不采用J57渦噴發動機。雖然該發動機能夠有效平衡其動力與經濟性，但用于重型轟炸機的推力依然不足，最后不得不將B-52變為使用8臺發動機的轟炸機。蘇聯當初下達遠程轟炸機的研制任務后，米亞西舍夫設計局推出了安裝4臺AM-3D渦噴發動機的米亞-4轟炸機。但因發動機耗油率高、航程滿足不了要求而落敗。圖波列夫設計局在競爭該項目時為了滿足航程要求決定采用渦槳發動機，正好庫茲涅佐夫設計局的HK-12大功率渦槳發動機在最需要的

時候誕生。假如沒有在速度與航程上達到完美平衡的世界上功率最大的渦槳發動機，蘇聯絕不可能在20世紀50年代中期產生能夠與B-52比肩的圖-95戰略轟炸機。如果沒有HK-12發動機，蘇聯也不可能在60年代研制出當時世界上最大的運輸機安-22。同樣情況也發生在英國的SC.5“貝爾法斯特”運輸機上。正是使用了4臺“苔茵”Mk101渦槳發動機，該機的最大起飛重量達到139噸。

當F-15重型戰斗機正在研制的時候，美國議會決定空軍在采購一定數量成本高昂的F-15的同時，必須采購低成本的輕型戰斗機。因此，空軍不得不發展一種與F-15高低搭配的輕型、低成本戰斗機。在YF-17與YF-16勝出后，美國空軍認為YF-16除在技術、成本等因素占有一定優勢外，在動力裝置的選取上還占有更大的優勢——和 F-15 的動力裝置通用，可以簡化后勤保障并降低采購費用，也能降低研制風險。因此，YF-16憑借動力裝置的優勢，贏得了勝利。

噴氣式客機的發展同樣有賴于發動機技術的進步。波音公司研發B-52并將J57發動機作為其動力裝置的經驗，促成了C-135/波音707四發大型飛機的誕生。由此改變了大型飛機使用活塞發動機或渦槳發動機的歷史。當羅羅公司研制出的世界首臺渦扇發動機“康維”于1957年定型后，首先被用于“勝利者”轟炸機。1958年開始設計的VC.10，被要求設計成能夠滿足洲際飛行的大型遠程客機，出于航程與耗油率的考慮，維克斯公司決定為新型客機安裝4臺“康維”。受英國的影響，美國政府指令普惠和通用電氣公司立即研制渦扇發動機。前者對JT3C-7進行改裝后于1958年完成了JT3D-1的設計。同年，裝在波音707上的試飛非常成功。與原準機相比，新型渦扇發動機的起飛推力提高了1/3，巡航耗油率降低了13%，噪聲減少10分貝。“康維”與JT3D均成為波音707與DC-8可供使用的發動機之一。可以說，美國的這兩種早期的四發噴氣客機之所以能夠一直生產到20世紀八九十年代，與發動機的技術進步有很大關系。在20世紀60年代，高涵道比渦扇發動機的出現，使波音747、“三星”、DC-10等寬體客機的研制成為可能。作為后起之秀的空中客車公司，當年為了打入美國市場，決定其研制的第一種飛機采用美國發動機。當時在美國已經有比較成熟的、推力稍小一些的CF6和JT9D發動機，因政治、經濟等因素，空中客車公司選擇了CF6。如果沒有合適的發動機，空中客車公司說什么也不會上馬雙發的寬體客機。

在蘇聯運輸機發展史上，也呈現出濃厚的由發動機決定飛機的特點。例如，最大起飛推力為107.69千牛、安裝有反推力裝置的索洛維耶夫設計局研制的D-30KP有利保證了伊爾-76的成功；單臺推力達到229.5千牛的洛塔列夫設計局的D-18T發動機，不僅成全了安-124巨型運輸機，還使成功研制更大更重的安-225成為可能。

在由發動機決定飛機設計的情況下，往往是根據現有發動機決定飛機的技術參數。也就是說，在設計飛機之前，已經有了比較成熟的可供選擇的發動機。實踐證明：在設計一種飛機時選用已有發動機是一個極其穩妥的方法，成功的可能性更大一些。

現役飛機換裝發動機

任何一種飛機在服役之后，因提高技戰術性能的需要，以及出于經濟性、安全性等考慮，還需要更換其動力裝置。這方面的例子不勝枚舉：

美國海軍的F-14B和F-14D戰斗機因換裝F110-GE-400發動機，可謂如虎添翼。彈射起飛時無需使用加力推力，海平面條件下從慢車狀態加速到軍用推力只需4秒左右，從進場狀態到最大推力的時間不超過2.5秒，攔截半徑較之F-14A延伸了62%，滯空時間增加34%，油門操縱不再有任何限制。美國海軍為了實現F-18E/F接替F-14戰斗機的目標，主要通過換裝F414發動機、加大機體尺寸來實施的。較之原先的“大黃蜂”， F-18E/ F的任務航程增加了41%，續航時間增加了50%。我軍的最新型轟6K“戰神”轟炸機，通過使用兩臺D-30 KPⅡ渦扇發動機更換原先的渦噴8發動機，航程、載彈量等技戰術性能得到明顯改善。

美國的C-135系列飛機之所以能夠服役到現在，與多次更換發動機有關。例如，為了確保空軍當時裝備的650余架KC-135A在21世紀仍能使用，美國空軍為其選擇了F108-CF-100（CFM56-2-B1）高涵道比渦扇發動機，替換原先使用的J57-P-59W渦噴發動機。改進后的飛機改稱KC-135R。KC-135A攜帶 54432千克燃料的作戰半徑為1850千米，KC-135R在輸油量比KC-135A大幅增加的情況下，作戰半徑仍可達到4627千米。因此，2架KC-135R可以承擔3架KC-135A的工作量。

伊爾-76的最新型號之一MF型，通過換裝單臺推力156.9千牛的PS-90AN發動機，最大載重量增至60噸，在搭載50噸貨物時的飛行距離大幅增加。