主题：【原创】关于可不可以用两弹一星的精神和投入来发展航空发动 -- 桃子甜

概括来说，新一代战斗机有以下特点：高的机动性与敏捷性，特强的隐身性，能短距离起飞着陆，能够超音速(M1.4～1.6)巡航，航程远等。在这些要求中，特别要说明一下超音速巡航这个特点。这是因为以往的战斗机，要达到超音速的飞行速度，只有在发动机加力燃烧室工作(简称发动机开加力)时才能达到。发动机开加力时，一是加力燃烧室温度极高，二是燃油消耗量猛增，因此限制了开加力的时间。而在第四代战斗机的设计中却要求能以M=1.4～1.6的超音速巡航。所谓巡航，就是飞机在较低的燃油消耗量下长期飞行，显然不能开加力燃烧室。目前正在研制的欧洲四国的EF2000、法国的“阵风”由于不具备超音速巡航性能，因此只能称为“第三代半战斗机”。

要全面满足第四代战斗机上述的要求，在很大程度上需依赖于它的心脏——发动机。为此，用于第四代战斗机的发动机，要求推重比(每1公斤发动机重量能产生多少公斤推力)达到10.0左右(第三代战斗机的推重比为8.0左右)；最大推力要在152?88千牛以上；不开加力时的推力要有98千牛(第三代战斗机F－15用的发动机，开加力时的推力不到107?8千牛)，另外还要采用“矢量喷管”。

要使发动机的推重比从8.0一级提高到10.0一级，从数量上只提高了25％。可是要达到这个要求，绝非易事,发动机的研制者要用尽全部才能，在已掌握的研制先进发动机的基础上，再集先进技术之大成才有可能达到。

美国在发展第四代战斗机时，采取了技术投标择优选用的方法来确定最终的方案。当时，提出飞机设计方案的有两个集团的两个方案：即由洛克希德、波音、通用动力三家公司联合提出的YF－22与由诺斯罗普、麦道两公司联合提出的YF－23。发动机则有由普·惠公司提出的YF119和通用电气公司提出的YF120两个型号。两种候选飞机、两种候选发动机作出样机后，组合成4种候选的飞机/发动机组合体，又经过了近十个月的实际飞行评比。1991年4月23日，美国空军宣布，选中YF－22/YF119组合体作为美国的第四代战斗机，并进入工程制造与发展阶段。第四代战斗机被命名为F－22，绰号称“猛禽”，所用的发动机为F119。

F119由美国两家最大的航空发动机研制公司之一的普·惠公司研制。第三代战斗机最初用的发动机F100也是该公司研制的。为了要获得推重比为10.0一级的水平，F119的研制中，采用了多项先进的设计参数。如在喷气发动机的设计中，有两个重要参数：发动机总增压比(压气机出口压力/发动机进口压力)与涡轮前燃气温度。F119的总增压比为35.0(F100只有25.0)；涡轮前燃气温度为1577℃～1677℃(F100只有1400℃)。为达到这两项参数，必须采用最先进的技术，包括空气动力学和燃烧学的最新成果，先进的结构设计与冷却技术，先进的非金属材料、金属材料与制造技术，先进的控制技术等。只有这样，才能使研制的发动机既具有先进的性能、较长的寿命与高的可靠性，而且结构简单、零件数少。

F119(图一）由3级风扇、6级高压压气机、全环形燃烧室、1级高压涡轮、1级低压涡轮、带矢量喷管的加力燃烧室等组成。与F100相比，F119开加力时的推力增加了47％，不开加力时的推力增加了61％，发动机总增压比增加了40％，涡轮前燃气温度增加了277℃～377℃，而且结构简单得多。表现在：压气机与涡轮的总级数少了6级(－36％)，零件数少了40％。

为了减轻发动机的重量，提高发动机推重比，F119上采用了许多新颖的设计，例如：

空心风扇叶片第1级风扇叶片是发动机中最长、最大、最重的叶片。为此将它作成空心的，以减轻重量。F119是第一种在战斗机中采用空心风扇叶片的发动机。

整体叶盘在以往的发动机中，风扇、压气机的工作叶片都是单独作出的。叶片下部为燕尾型的榫根，以装到轮盘盘缘上榫槽中，如图二所示。而整体轮盘则是将叶片与轮盘作成一体(图三中右图)。由于叶片没有榫根，因此轮盘盘缘作得很薄(参见图三)，重量自然减少了。另外，整体叶盘使发动机零件数大减，还可使压气机效率略有提高。因此，这种结构在20世纪90年代相继被用于一些新研制的发动机以及发动机改型中；但大多数是一台发动机中只有少数几级采用。而在F119中，3级风扇与6级高压压气机全部采用了整体叶盘，这在当前还是少见的。

复合材料风扇进口机匣复合材料因重量轻，在以往的发动机中，某些简单零件例如风扇出口导向叶片、风扇叶片曾经采用。而在F119中，结构复杂的风扇进口机匣(它由外机匣、带轴承支座的内壳与6～8根支板组成一整体结构)上都采用了复合材料。

高的级增压比风扇、高压压气机

采用高的级平均增压比风扇后，可使发动机总的级数少、零件数少，能大大降低发动机重量。在F119中，采用了较高的平均每级的增压比，其值为1.4844。而第三代战斗机用的F100发动机，平均每级的增压比为1.28。因此，F119风扇与高压压气机虽只有9级，其总增压比却高达35；而在F100中，风扇与高压压气机高达13级，总增压比却仅为25。采用高的平均级增压比，不仅要增加风扇、压气机转速，要很好地解块叶片、轮盘的强度问题，而且在风扇、压气机的空气动力学设计中也要采取一些提高效率与扩大稳定工作范围的先进措施，否则不可能达到。

高的涡轮前燃气温度提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的有效措施。据分析，在其它参数不变的条件下，提高涡轮前燃气温度50℃时，发动机的推力可增加7％～8％。如前所述，F119采用了极高的涡轮前燃气温度(1577℃～1677℃)，比F100高出277℃～377℃，是当前发动机中温度最高者。高的燃气温度，不仅需采用极好的能耐特高温度的高温合金(一般的合金在这么高的温度下已无强度可言，甚至会变软或熔化)制造涡轮叶片，而且还要采用先进、复杂的冷却措施。

高压压气机等部件采用阻燃钛合金

钛合金由于重量轻(其比重为合金钢的65％)、强度好，不仅在飞机上被大量采用；而且在发动机中，只要在钛合金耐受温度允许的条件下(一般在550℃～600℃以下)也尽量采用，以减轻重量，提高发动机推重比。但是，在环境温度大于300℃、压力大于3个大气压时，如果钛与钛相碰磨，会引发着火。一旦钛着火，火势发展极快，轻者发动机烧毁，重者会烧毁飞机。例如美国海军在1987年损失的9架F/A－18舰载战斗/攻击机中，有4架就是由于高压压气机中钛制转子叶片与钛制机匣相碰磨引起飞机失火而造成的。一般来说，发动机高压压气机中的温度与压力正是钛易着火的条件，因此在80年代后，新设计的发动机中，高压压气机机匣很少采用钛合金。然而，钛合金轻的这一特点，始终吸引着发动机研制者的极大兴趣。有没有办法让钛合金既保持轻的特点而又具有不易着火的特征呢？阻燃钛合金就是在这种形势下提出的。研究表明，原则上在钛合金中添加25％的钒与15％的铬后就可使其具有较好的阻燃性。90年代以来，美、英、俄等国均在积极研制阻燃钛合金，但目前仅美国已达到应用阶段。F119上就采用了美国新发展的、被称为“合金C”的阻燃钛合金，用于高压压气机机匣、加力燃烧室筒体及尾喷管上。

反向转动的高、低压涡轮在通常的发动机中，高、低压涡轮旋转方向是相同的，但在F119的设计中，两者却是反向转动的。即由高压涡轮与高压压气机组成的高压转子与由低压涡轮与风扇组成的低压转子转动方向相反。这种设计能减少飞机作机动飞行时作用于发动机机匣上的载荷，使机匣可以作得轻些；还可以省去低压涡轮导向器，使发动机零件数、长度、重量均减少。F119虽然采用了反向转动的两个转子，但仍然保留了低压涡轮导向器。

为了满足F－22高的机动性与敏捷性、短距起飞着陆的要求，在F119的尾部装有矢量喷管。矢量喷管是用以改变发动机推力方向的喷管。矢量喷管有两种形式：二维矢量喷管与三维矢量喷管。二维矢量喷管的喷管出口截面为长方形。图四所示的F119矢量喷管就是二维的，它的左、右板壁不可动；上、下板壁可同步偏转，即上板壁向下偏转时，下板壁也向下偏转，如图四所示的位置。这时，燃气即向下后方排出。F119的矢量喷管可使排出的燃气在±20°内偏转，也即发动机的推力可在向上20°到向下20°间变化。二维矢量喷管的结构简单，但发动机的推力只能在飞机俯仰方向变化。而三维矢量喷管的出口截面可在360°范围中任意变化，即发动机的推力可转向任何方向。对飞机来讲，这种喷管能大大改善飞机的操纵性、机动性。目前许多发动机研制单位均在开发、研制三维矢量喷管，有的己用在战斗机上了。

对于新研制的武器装备，世界各国都强调要有高的可靠性与好的维修性。F119作为新一代战斗机的动力，当然也将提高发动机的可靠性、维修性作为设计的一项主要要求，并在研制中采取了许多措施予以保证。因此，F119的可靠性、维修性均优于F100。以表征发动机可靠性高、低的主要参数“空中停车率”(平均每1000小时中有几次空中停车，此值越小越好)、返修率(平均每1000小时返修几次，越小越好)、提前换发率(平均每1000小时提前换发几台,越小越好)来看，F119比F100分别低20％、74％与33％。另外，以表征维修性好坏的参数“平均维修间隔时间”(指两次维修工作间的间隔时间，越长越好)与维修工时(指每次作维修工作时所耗的工时，越短越好)来看，前者F119比F100长62％，后者F119比F100短63％

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