猛禽与闪电之心（上）——F119、F135发动机

文/火心2000

猛禽与闪电之心（上）
——F119、F135发动机

文/火心2000

2014年9月22日，美国空军联合中东六国首次对驻扎在叙利亚境内的极端恐怖组织“伊斯兰国”（IS）实施打击。备受世人瞩目的是，美国在这次空袭行动中第一次使用了“独孤求败”多年的F-22“猛禽”战斗机，精确摧毁了“伊斯兰国”位于叙利亚拉卡省的总部。此次打击行动对于服役近10年却从未投入实战的F-22战机可谓有里程碑式的意义。

本文并不想过多地讨论美国此次空袭的背景，只关注“出笼”的“猛禽”之心——F119发动机。“猛禽”之所以能笑傲天下10余年，仍无对手，其“心脏”F119发动机功不可没。与此同时，同出一师门的“师弟”——“闪电”F-35战机也逐渐露出“世界战机”的风范。而“闪电”之心F135发动机与F119之间也有着诸多联系。

“猛禽”之心——F119-PW-100发动机

在那令人窒息的冷战时代，任何军备的发展都是高速的。很多军备在刚投入大量生产之时便已开始酝酿下一代产品了。战斗机领域也是如此。早在F-15战斗机还因为“心脏病”而成为“趴窝机”的时候，美国空军就已着手设计下一代战斗机了。由于技术难度大，全新航空发动机研究和发展周期比飞机的机体长5～8年，因此，第四代战斗机（现美国称为第五代战斗机）发动机的部件技术研究工作早在20世纪70年代早期便已展开。1980年、1983年、1986年、1991年分别开始核心机、技术验证机、型号验证机和型号工程研究与研制。到2005年12月，美国第四代战斗机F-22“猛禽”正式具备初始作战能力，第四代战斗机发动机的研究和周期长达30年，其中型号研制周期就用时15年之久。

新一轮的较量

在经过系统而科学的分析后，第四代航空发动机具有诸多有别于三代航空发动机的特点。但美国航空发动机工业在其雄厚国力的支撑下，仍迎难而上，且不久便取得阶段性成果的突破。其中最具有代表性的企业仍是当今航空发动机工业的“绝代双骄”——普惠公司（PW）和通用电气公司（GE）。

美国空军的“先进战术战斗机”（ATF）计划于1980年正式启动，其性能远超F-15等第三代战斗机

多家飞机制造公司组成了团队参与了ATF项目的竞争。图为罗克韦尔提出的方案

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作为当今世界第一款投入使用的第四代发动机，F119的预研工作早在20世纪70年代中期自F100系列发动机投入使用前后即已开始。当时，通过美国国防部6.2类推进系统部件技术计划以及6.3类先进涡轮发动机燃气发生器、飞机推进分系统综合和联合技术验证机计划实施。经过几年的论证分析准备后，1980年，美国空军正式启动第四代战斗机研制计划——“先进战术战斗机”（ATF）计划。与此同时，美国空军也提出ATF计划的配套动力计划——“先进战术战斗机发动机”（ATE）概念。1981年5月，美国空军向工业部门颁布了要研制的ATF的技术要求，并且邀请美国各大航空发动机公司出席了由飞机研制公司主办的会议，一起探讨未来可能的发动机概念。经过各方面科学而严谨的探讨后，认为第四代发动机应具备以下性能特点大致如下

A、具备超声速巡航能力

这里的超声速巡航能力不同于以前所说的超声速飞行概念。在第四代战斗机问世之前，超声速战斗机只要打开加力燃烧室就可使飞机以超声速飞行，只不过是建立在消耗大量燃油的基础上，飞行时间较短。第四代战机要求动力系统不开加力，飞机的飞行马赫数可达1.6；发动机加力开时，飞行马赫数可达到2.5。此时超声速巡航时间较长，能提高飞机的超视距作战能力和生存能力。

B、短距起降能力

能在500米以内甚至更短的跑道上起降，使飞机增加作战活动能力，减少对机场的依赖，提高战时的生存能力。

C、具备隐身能力

能降低雷达和红外传感器的可探测性，提高飞机的突防能力和生存能力。

ATF要求能达到不开加力进行超声速飞行，即超声速巡航的能力

D、提高可靠性

有良好的维修性，使用费用低，飞机的连续出动能力高。

E、推重比高

发动机的推重比高，战斗机便能迅速加速爬升，在高空有足够的推力完成飞行动作，使飞机具有良好的机动性。为了获得高推重比，一方面需要增加发动机的推力，另一方面要尽量减轻发动机的重量。为此，第四代发动机上应用了新的设计技术，采用新的制造材料、新的加工工艺和先进的冷却技术。

F、高的涡轮进口温度

根据前文提示，若想提升发动机的推力、提高发动机的推重比，提高涡轮进口温度是关键。四代发动机的涡轮前温度基本都在1500～1800℃范围内。为了获得高涡轮进口温度，发动机热端部件采用先进的结构设计、新的制造材料和加工工艺以及先进的冷却技术。

由于ATF的性能超强，对其配套的动力系统“先进战术战斗机发动机”（ATE）也提出了更高的要求

G、采用低的涵道比

为了保证发动机获得高的推重比和超声速巡航能力，第四代战机的发动机均采用低涵道比和适当高的总增压比。发动机涵道比基本均设定在0.2～0.5之间。而总增压比控制在25～30之间。低的涵道比能使进气道尺寸减小，减轻发动机重量，提高推重比，且有利于超声速飞行。

H、减少零部件数量

减少发动机的零部件数量以减轻重量，从而提高发动机的推重比，并减少维修工时。相比较上一代发动机，四代发动机的零部件数量减少了40%～60%。

I、采用新式喷管

为了缩短战机起降距离及消除红外辐射，提高隐身能力，必须对发动机的喷管进行创新设计。四代发动机的喷管采用有矩形截面的二元推力矢量或二元俯仰-矢量喷管。

J、采用简单的单元体结构设计

作为“工业之花”，航空发动机由许多零部件组成，若将每个零部件按照一定的规律进行整合优化设计，有利于发动机的设计、检查、维修及升级。

K、采用新一代FADEC系统，提高发动机的响应精度

PW以其核心机PW5000和ITDE690验证机为基础。这是一种涵道比为0.15的对转涡扇发动机，推力为9800daN（1daN=10牛），总增压比24，燃烧室出口温度1866K，耐久性指标为12300战术循环，采办成本降低30%，维修成本降低55%。GE的研究主要集中在GE16系列固定和可变循环涡扇发动机上，有2～3级风扇、5级高压压气机、1级高压涡轮和1级或2级低压涡轮，涡轮采用常规的带中间导叶结构。GE这种变循环发动机，在低功率时以大涵道比工作，获得低的耗油率，高功率时以小涵道比工作，获得大推力。风扇和核心机压力的匹配通过加力装置中的可变面积涵道引射器来实现。

“绝代双骄”凭借雄厚的实力在先进技术发动机研究阶段迅速脱颖而出。随之，在1982年9月～1983年9月进入了关键的战术战斗机推进系统评估阶段。其目的是为美国空军和海军战斗机评估推进系统需求和新技术发动机的优势。同时，还进行了先进发动机技术的全寿命周期成本权衡，并针对任务需求优化发动机构型。1982年初，美国国防部发布战术空军任务需求草案，开始论证ATF的总体需求。由于具体的要求更加明确，使发动机的推力级的不确定性减小，从而可以进一步确定发动机技术要求。在此项工作中，选定的武器系统承包商是发动机公司的转承包商，飞机机体制造商负责对任务剖面和发动机一体化进行权衡分析。

根据国防部的要求，PW、GE迅速作出回应，各自按照修改后的性能需求继续对自己的发动机方案进一步完善。PW认为自己的方案完全符合军方要求，只需对细节进一步完善即可；而GE则认为自己研究的可变循环发动机能更好地满足国防部考虑中的各种ATF方案。GE的这项新技术已经在一台YJ101发动机经过验证，且在GE23验证机上验证了核心驱动风扇级和无中间导叶对转涡轮。二者的方案虽在主体结构有所区别，但根本性能需求却基本相同：马赫数大于2.0时不加力单位推力高，亚声速巡航时耗油率低，且具有上述提到的各种性能特征。

经过1年的讨论分析后，国防部在1983年9月宣布ATF各项合同事宜：7家飞机机体承包商获得飞机机体方案论证合同，而GE和PW则各获得2.2亿美元的发动机地面验证机研制合同。另有3000万美元给了阿诺德工程发展中心用作试验支持。这段合同技术执行时间为50个月，从高速度、可操作性和250小时加速三方面对发动机进行概念评估试验，实现超声速巡航、二维矢量喷管和30000磅推力（约为133.4千牛）的目标。两家公司在拿到合同后，迅速展开行动，在20世纪70年代末取得的先进技术（如高负荷压气机和涡轮技术、新材料、快速凝固冶金、整体叶盘、浮壁式燃烧室、二元矢量喷管和双通道双余度FADEC等新技术）的支持下，发动机的性能、适用性、可靠性和耐久性得到大大提高。

洛克希德/波音/通用动力团队提出的YF-22方案

1984年初，美国空军最终发布了战术战斗机需求事宜，重新定义了ATF所有的性能指标：作战半径1288千米、以马赫数1.4～1.5作超声速巡航飞行、起飞和着陆距离为610米、起飞总重量22700千克、单价4000万美元（1984年币值）、全寿命周期成本与F-15相当或更好。1985年9月，在方案论证之后两年，美国空军再一次修改以前发布的技术要求，要求ATF的最高单价降低为3500万美元，总采购量750架，总项目成本为650亿美元。这样的投入规模在当年的军备史上可谓是史无前例。最终总成本的直线飙升和采购数量大幅度下降则是后话了。

诺斯罗普/麦道团队提出的 YF-23方案

军方要求演示/验证阶段的内容，包括飞机全尺寸和缩尺寸模型的风洞试验和雷达反射截面积测量，以及发动机、电子设备和其他分系统的研制。这些系统的试验和计算方案是为了大大降低全尺寸原型机试飞的成本。不过，两个月后，军方再次修改了性能指标，对隐身提出了更严格要求。这也就大大影响了发动机的设计。不过，这还没完。1986年2月，当时的空军部长奥尔德里奇又宣布演示/验证阶段要包含飞机原型机的飞行试验。这种“先飞后买”的策略对飞机和发动机的研制计划产生很大的影响，使得演示/验证阶段的工作重点放在降低风险、验证技术的可行性和实用性上。为此，GE和PW在1987年6月又各得到了3.8亿美元经费，投入到飞行验证阶段的所有测试中。两家公司使出浑身解数，好不容易才满足部长大人的要求。不过，飞机承包商又来“添乱”了。

1987年末，飞机承包商的设计表明，由于战机要达到军方的要求（特别是航程的要求），就必须装载更多的内部燃油，从而使飞机的机翼面积加大，使得飞机的重量和阻力增大。这要求发动机的推力增大20%，达到156千牛。因此，GE和PW在验证机阶段分别研制了比以前大12%和15%的风扇以增加推力，涵道比从0.25增加到0.30，但飞行验证试验仍采用原来小风扇方案。1987年12月，出于重量、成本和维修的考虑，取消了反推力要求，着陆距离从620米增加到915米。

从上述简单列出的美国军方对ATF计划主要性能计划书的调整，我们可以从中看出每一次的调整都会对发动机的研制造成一定的影响。这种莫名的调整有的是为了节约成本，有的是回避设计的错误，但更多的是性能的不断拔高。这也造成了尚在襁褓中的“猛禽”的战力是直线上升，越来越强悍。而随着红色帝国的崩溃，竞争对手也陷入了多年的沉沦，从而导致了“猛禽”在初啼之时便处于“求败”多年的“孤独”之中。只有等到T-50和歼20的横空出世，才让“不胜寒”多时的“猛禽”在“高处”重有抖擞精神的动力。

军方这种不管是对“性能至上”的极致追求，还是“无理取闹”的“赌气”行为，“绝代双骄”不但能游刃有余的应对，且不时还能玩出绚烂夺目的惊艳技巧，由此可见GE、PW的实力之强。

1985年9月，PW开始验证机XF119（内部称PW5000）的零部件制造。第一台XF119于1986年10月开始首次运转，第二台于1987年5月开始运转。YF119和XF119的区别很小，主要有：在喷管、加力燃烧室和压气机前几级上改用AlloyC钛合金以减轻重量，提高了耐久性和安全性，叶尖加上耐磨涂层以提高性能和耐久性。飞行试验的目的是验证承包商有技术能力实现它投标所承诺的内容，而不是发动机飞行竞争。1989年1月，首台飞行试验发动机完成初始地面试验，到1990年8月，完成飞行批准试验。XF119/ YF119共完成了超过3000小时的试验。

PW的YF119是一种对转涡扇发动机

同时GE的验证机XF120（内部称GE37）于1987年5月首次运转，第二台XF120验证机于1987年首次运转。在接下来的4年里，这两种发动机进行了各方面的性能测试。最后，YF119被选定为第四代航空发动机，并获得F119编号。

第一台XF119验证机于1988年下半年在阿诺德发动机研究中心高空试车台上经过了125.5小时的试验。发动机首先配装普通喷管进行测试，然后换装可以提高战机机动性和生存性的二维矢量收敛扩散喷管。

GE的验证机XF120发动机是一种变循环发动机。它在低功率时以大涵道比工作，获得低的耗油率；高功率时以小涵道比工作，获得大的推力。风扇和核心机压力的匹配通过加力装置中的可变面积涵道引射器来实现。第一台XF120没有加力燃烧室，并装普通喷管，1987年5月首次运转，进行了130小时的海平面试验和660小时的高空试验。第二台XF120验证机1987年11月首次运转，主要验证加力装置的操纵性和由碳碳复合材料制成的二维矢量收敛扩散喷管的性能，共进行了120小时的操纵性试验。

1989年2月，首台YF120发动机开始试验。为了满足方案需求和与对手竞争，GE评估了各种更改方案。结果YF120的构型和最终建议的工程和制造原型机很接近，风扇空气流量增加12%，以满足推力增加和金属喷管的冷却要求。由于涡轮无级间导叶，热端长度短，使冷却空气量比F110发动机少30%。与F110相比，由于简化了变循环结构，并加强了维修性设计，旋转零件减少了6.3%，零部件总数减少了40%。

GE的YF120是一种变循环发动机

YF120在YF-22和YF-23上总共飞行了59次，累计飞行147个发动机飞行小时，超过了超声速巡航的速度指标，并达到了60°的迎角。工作中无油门杆限制和发动机失速。XF120和YF120共累计超过1900小时的试验。工程和制造原型机F120在1990年12月试验了21小时。该发动机采用第一级空心风扇叶片、程序控制的风扇涵道门和Ada控制软件。

1990年3月，GE、PW各得到2.9亿美元的合同，作为工程和制造发动机阶段的长期项目经费。1990年秋天，两架YF-22和两架YF-23（YF-22由洛克希德/波音/通用动力团队研制，洛克希德公司后与马丁-玛丽埃塔公司合并成为洛克希德-马丁公司；YF-23由诺斯罗普/麦道团队研制，之后前者与格鲁门公司合并成为诺斯罗普-格鲁门公司，后者为波音公司并购——编者注）分别安装YF119和YF120进行飞行试验，实现马赫数1.43和1.58的不加力超声速巡航，可以节省燃油30%。1991年1月2日，两个团队正式提出原型机投标，同年4月23日，空军部长罗斯宣布，洛克希德公司获得ATF飞机工程与制造发动机（EMD）阶段合同；PW在动力系统竞争中再次击败GE，F119发动机成为ATF项目的配套动力。按照罗斯部长的说法，飞机和发动机的两个胜出方案“以较低的成本向空军提供了真正有价值的东西”，主要靠在技术方案和管理计划上，具有低风险和低成本优势。空军给的最后报告和罗斯部长的说法虽有不同，但表达的意思却是一样：“他们（洛克希德公司、PW）以较低的成本提供较好的能力，为空军提供最合适的装备……洛克希德公司和PW的投标风险低，成本也稍低”。对失败者的评价，主要集中在胜利者优点的对立面：认为诺斯罗普/麦道的YF-23和GE的YF120的技术难度高，存在一定较大的风险，且投入较大。具体到发动机上，军方认为F120的变循环发动机的油耗低，但重量较大，较复杂，这会增加维修问题。GE的发动机在两架飞机上验证了较高的超声速巡航（马赫数1.58）和最大速度。该公司在飞行试验中将达到高性能作为一个重要目标；而PW则在对待风险方面比较谨慎。“尽管有J-58变循环发动机的经验，但它仍不追求变循环发动机；尽管涡轮无级间导叶能带来好处，但仍采用级间导叶。从一开始，PW在飞行试验计划中就验证一种成熟而低性能的发动机，而不是高性能但不成熟的发动机。”

YF120和YF119两型发动机结构上的主要技术差别

YF-22和YF-23分别安装YF119和YF120进行了飞行试验

1991年8月3日，洛克希德公司获得了95.5亿美元的F-22飞机工程和制造发展的阶段合同；PW获得13.75亿美元的工程和制造合同，包括制造9台研制试验发动机、进行8900小时的验证试验、进行7400小时的喷管试验、制造33台（后减为27台）的飞行试验发动机、飞行试验计划现场保障、保障系统和以计算机为基础的培训系统发展。

最终，YF-22在ATF计划中击败了YF-23，这就是后来的F-22。图为YF-22与F-22的对比

至此，吸引全世界目光的ATF计划终于尘埃落地。洛克希德团队和PW笑到了最后。洛克希德公司凭借YF-22在ATF计划中脱颖而出，击败了诺斯罗普公司和麦道公司的YF-23。后两家公司都因为这次较量的败北在以后的发展中背负着沉重的包袱。诺斯罗普公司后来和格鲁门公司合并，组成诺斯罗普-格鲁门公司才在后来的军工寒潮中逃过一劫。而麦道公司就没有这么幸运了。在军机领域，麦道公司曾经是名符其实的龙头老大：早年的F-4战机垄断美国海空军两大主力战机，且大量出口他国，成为抗击红色势力的急先锋；后来的F-15战机更为拉风，虽然问世30多年，但其风头直到近年才被F-22压制；F/A-18“大黄蜂”战机长期以来都是美国航母战斗群中重要的构成部分。不过YF-23的失败，让麦道公司失去未来军机领域的制高点，在军机方面从此一蹶不振。而在民机市场方面因决策失误，遭到波音公司和空客公司的联手围剿，经营也是惨淡一片。最终，被波音公司兼并，消失于历史之中。而获胜方又是另一番风光。洛克希德公司凭借赢得ATF计划之余威，在JSF计划中，其F-35战机又让曾经的合作伙伴波音公司的YF-32饮恨而归，最终垄断了美国两大第四代隐身战斗机市场，可谓是风头一时无两。PW的YF119发动机让GE的YF-120品尝失败的滋味，在YF119基础上发展而来的F-35战机配套动力F-135发动机又让GE和罗尔斯·罗伊斯公司（RR）的F-136发动机两手空空，可谓又一次实现了对GE的“双杀”。不过，PW在军用发动机领域一路高歌猛进，但在民用发动机领域却是顾此失彼，遭到RR和GE的联合打击，当年一路领跑民用动力的优势丧失殆尽，至今仍未恢复元气。

PW虽然实现了对GE的“双杀”，但美国国防部当年饱受PW的“大爷态度”之苦，对失败的YF120和F136发动机并未放弃，仍倾以巨资支持GE加以完善，进行进一步的研发，以保持对PW的压力。这也为美国第五代军用发动机大战埋下了伏笔。GE在军方的支持下，在美国的第五代发动机大战中已占据优势，实现了对PW的技术反超。不过最终结果如何，让我们拭目以待。

在F-22项目的支持下，F119发动机研究继续进行。PW经过研究后宣称，ATF的任务需求并不需要变循环发动机，变循环发动机增加了不必要的重量和复杂性，风险高，研究和维修费用大。而F119的设计是低风险的，大量采用成熟的技术。采用较大的风扇后，相对于型号规范，该发动机具有以下的裕度：不加力推力增大10%、重量减轻64千克、燃油消耗降低2%、失速裕度增加20%～35%。

竞标ATF失败后的诺斯罗普与格鲁门公司组成了诺格公司，凭借B-2隐身轰炸机站稳了脚跟

曾经研制出F-4、F-15、F/A-18等经典战机的麦道公司最终被波音公司兼并

F119发动机发展历程中的几个重要里程碑

PW的YF119发动机也获得了F119-PW-100的正式编号

1992年6月，F119完成关键设计评审，1992年11月首台EMD型F119发动机开始试验。1992年12月，开始地面试验，1996年7月，首台飞行试验发动机组装完毕，1997年9月，交付飞行试验用发动机；1997年9月7日，首架装有EMD型F119的F-22战机升空；1999年10月，完成空军鉴定，美国空军颁布F119发动机的合格证书；2001年8月，批准投入批量生产；2002年7月，批准初步使用（此时试验时数已经超过4000小时）；2003年3月，空军批准后勤保障系统；2003年8月，第一支飞行员训练部队运作；至2005年初，F119累计试验时数超过7500小时。2005年12月，第一支F-22/F119作战部队完成所有试验和评估，具备初步作战能力，正式装备美国空军。至此，世界上第一款第四代隐身战斗机在F119这颗澎湃心脏的支持下正式诞生。按照美国军用标准MIL-SID-879，F119发动机的第一种生产型发动机被命名为F119-PW-100。（未完待续）

编辑：石坚