F110系列發動機在美國的航空發動機研製史上有著非常重要的意義,它一個系列就滿足了F15、F16、F14三大主力戰鬥機的需要,其非加力型還成了B2隱形轟炸機的動力,成為核心機衍生的一個典範。透過F110發動機的研製,美國不再為減輕重量而犧牲耐久性和可靠性。最重要的是,透過F110,確立了航空發動機研製的競爭機制,形成相互激勵的良性迴圈。
F110可以說是一個轉折點,透過它的研製,美國與世界拉開了距離,從此一路領先,直至今日。我國太行發動機的核心機借鑑了CFM56-3,而CFM56-3正是F110核心機GE9的旁系衍生型號之一,但太行系列發動機至今未能達到F110的高度。
從宏觀上看,F110系列的研發有三大特徵:注重耐久性,走低風險衍生路線,推進了競爭機制的確立。這三點才是F110存在的最大意義,而不是推力、推重比、渦輪前溫度如何如何。下面是本人對這三個特徵的淺析,有不足之處希望大家指正:
先看耐久性與可靠性。由於機動性有了質的提高,三代機在空戰中要不斷對發動機進行尺度很大的劇烈操作,油門要頻繁的從最低開到最大,就是要不斷的開加力:起飛、爬升要開加力,趕赴戰場要開加力,機動佔位和擺脫要開加力,脫離戰場也要開加力。這裡要引入一個熱機迴圈次數的概念,它指的是噴氣式發動機從啟動到增至最大油門,再回到最小推力的一個週期。據稱,操作三代機2000小時,其發動機累積的熱機迴圈次數高達10360次,即平均每小時開加力超過5次,也就是說,幾乎是10分鐘就要增推一次,這雖然有些誇張,卻反映了三代機面對的是完全不同的空戰環境。
但普惠的TF30和F100都不是按照這麼高的熱機迴圈次數設計的,因此出現了熱端零部件老化過快甚至葉片斷裂的現象,直接導致F15淪為“機庫皇后”。
F110充分吸取了F100的教訓,在設計之初就考慮了壽命問題,其初始型號F110-GE-100每個大修間隔就能達到4000次熱機迴圈,遠大於F100-PW-100的900個,且還有很大的提升潛力。在F110系列的後續改進中,其不同型號透過充分運用新的技術、工藝和材料,使其理論壽命得到了充分挖掘,如F110-GE-129發動機的維修間隔增加到了2000小時,總壽命達到了6000小時左右,幾乎可以與飛機同壽,大幅領先於全球其它同類型的軍用航空發動機。
雖然太行發動機熱端部件的壽命據稱達到了是1500小時,冷端的設計壽命也有3000小時,但依然只有F110-GE-129的一半左右,可見,我們要走的路還很長。
再看衍生能力。F110系列走了低風險的核心機衍生之路。核心機,顧名思義指的就是航空發動機的核心部件,主要包括高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪這三大部分,可見,核心機包含的主要是航空發動機的高壓部件和熱端部件。毫無疑問,剩下的風扇、低壓渦輪、加力燃燒室和尾噴管就不屬於核心機,而屬於低壓部件了。而所謂的核心機衍生就是在一種優秀核心機的基礎上,根據相似理論,將該核心機放大或縮小,再搭配相應的低壓部件,就能發展為一系列功率不同,滿足不同需求的動力裝置。
F110系列的核心機是GE9,它的衍生型號不僅滿足了B1、B2、F15、F16、F18五種機型的動力需求,連廣泛用於客機的CMF56大涵道比渦扇發動機和幾乎遍佈全球的LW2500燃氣輪機都與GE9有很深的淵源。
核心機衍生除了要有一種優秀的核心機外,各個零部件還要儘量實現標準化和模組化,這對材料、工藝和質量管理提出了很高的要求,自由搭配的前提是生產出來的零部件要有足夠的一致性,否則一個部件在到別的發動機上就會出現“水土不服”的現象。F100在設計之初就實現了高度的模組化,其風扇、核心機、低壓渦輪、尾噴管和附件機匣都可以分別拆卸和更換。
太行發動機雖然已有了好幾個改進型號,但多是直系型號,旁系型號並未出現,連非加力版都未見端倪,聽說渦扇20的核心機源自太行,但沒有實證。好在太行核心機衍生的QC70小型燃氣輪機已批次裝備了726A中型氣墊登陸艇,開了一個好頭。
殲16裝備的最新太行改型發動機
最後,F110推動了發動機研製競爭機制的形成。在F110出現之前,除了F100發動機,還有F14的TF30用於三代機,但它的推力不足10噸,可靠性也有很大問題,且也是出自普惠之手,可見F100和TF30根本形不成競爭關係。
因此,面對軍方反饋的F100可靠性差的問題,普惠就歸咎於空軍過度操作,並非他們的產品有問題,即使經過多次談判協商,普惠仍拒絕承擔責任。因問題長期得不到解決,美國海空軍三大新機種:F-14、F-15和F-16都面臨停飛或無發動機可用的局面,這是一家獨大的必然結果。
於是美國空軍在1983年推出“替代戰鬥機發動機”計劃,為F-15和F-16戰鬥機引入通用電氣的F110作為替代發動機,且進展順利,一舉打破了普惠公司對美國戰鬥機動力的壟斷地位。市場競爭一下子帶來了效率和創新。受到刺激的普惠很快推出了F100-PW-220改型,長期得不到解決的可靠性、耐用性和穩定性問題一下子就改觀了,F100-PW-220兩次大修間隔的熱機迴圈次數也在最短的時間內從900提高到了4300。
而中美在這方面的差距最大,我國在很長的一段歷史時期都把發動機視為飛機的附庸,對航空發動機的研製規律和難度的估計嚴重不足,雖然透過航空發動機集團公司的成立,這一狀況得到了改善,但仍未形成類似戰鬥機研發中南北兩大巨頭競爭的局面,鑑於航空發動機研製任務的艱鉅性,我國至少要在主力戰鬥機動力的研發上形成相對競爭,避免形成一家獨大的局面,也能激勵各科研院所勇於創新。
總之,論推力、總壓比、推重比等迴圈引數,太行改進型已經不遜於F110,甚至有所超越,但在壽命、衍生能力及對研發機制的推動力方面,太行仍遠遠沒有達到F110系列發動機所處的高度,這也是中美航空發動機最大的差距所在。