請教世界上哪幾種戰(zhàn)機用發(fā)動機最先進?
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►戰(zhàn)機發(fā)動機點評◄ 目前，世界上只有美國、俄羅斯、英國和法國具備了獨立研制和生產(chǎn)第三、四代戰(zhàn)斗機動力裝置的能力。由于國情不同，各種型號的渦扇發(fā)動機在研制發(fā)展、結構設計和性能水平等方面各有不同。在現(xiàn)役第三代戰(zhàn)斗機中，美國空軍的F15、F-16戰(zhàn)斗機安裝了F100系列、F110系列渦扇發(fā)動機，美國海軍的F/A18戰(zhàn)斗機先后裝備了F404系列發(fā)動機，俄羅斯的米格-29戰(zhàn)斗機和蘇-27戰(zhàn)斗機分別裝有RD-33和AL-31F渦扇發(fā)動機，西歐的"狂風"戰(zhàn)斗機和法國的"幻影"2000戰(zhàn)斗機分別裝備了RB199和M53渦扇發(fā)動機。 ▶美國實力雄厚、技術領先 美國第三代戰(zhàn)機上的典型發(fā)動機主要有F100、F110、F404三大系列。 作為世界上最早配置在第三代戰(zhàn)斗機上的發(fā)動機，F(xiàn)100發(fā)動機為達到推重比8.0的設計目標，在工作參數(shù)和結構材料方面率先采用了許多前所未有的技術。一是"兩高一低"的工作參數(shù)，即高增壓比、高渦輪前溫度和低涵道比;二是采用高強度重量比的耐高溫合金，使渦輪前溫度超過167OK，從而使最大推力達到66千牛，加力推力達到106千牛。另外，F(xiàn)100發(fā)動機率先采用了平衡梁式可調噴管和5個單元體結構，前者具有性能好、重量輕的特點，后者有利于外場維護更換。 然而，由于單純注重發(fā)動機的性能，F(xiàn)100-PW-100發(fā)動機在使用中出現(xiàn)了許多可靠性、耐久性和維修性方面的問題，曾經(jīng)一度使美國空軍的F-15、F-16戰(zhàn)斗機處于停飛狀態(tài)。為此，普惠公司采取一系列措施來解決所存在的問題，從而發(fā)展出F100-PW-220發(fā)動機，開始改裝到F-15和F-16戰(zhàn)斗機上。隨后，該系列發(fā)動機又進一步發(fā)展出229、229IPE等型號，主要改進是采用了高流量風扇、浮壁式火焰筒、單晶合金導向渦輪葉片、定向凝固渦輪轉子葉片和數(shù)字式控制系統(tǒng)等部件，從而使加力推力分別增加到129千牛和156千牛。 通用電器公司在研制F110發(fā)動機時，充分吸取了普惠公司的教訓，研制工作中貫徹了完整性大綱，使F100發(fā)動機的可靠性和耐久性在投入使用時就得到保證。F110-GE-100發(fā)動機成為F-15和F-16戰(zhàn)斗機的動力裝置，最大推力為122.3千牛，推重比7.07。目前，正在廣泛使用的是F110-GE－129IPE發(fā)動機。與早期型相比，該發(fā)動機提高了轉速，渦輪前溫度增大80度，涵道比減小到0.76，使最大加力推力增大到133.4千牛。同時，采用全權限數(shù)字式電子控制，油門桿在飛行包線內(nèi)元任何約束，有利于飛行員集中精力執(zhí)行作戰(zhàn)任務。90年代末，通用電氣公司在此基礎上又發(fā)展出129EFE型發(fā)動機，充分利用了整體葉盤風扇、寬弦葉片、徑向火焰穩(wěn)定器等最新技術，將推力進一步提高了17.2%，達到151千牛。 美國海軍F/A-18艦載戰(zhàn)斗機的F404渦扇發(fā)動機在研制過程中，更加突出可靠性和維護性要求，通用電氣公司將作戰(zhàn)適用性放在首位，并不追求過高的性能指標，而且采用經(jīng)過驗證的最新技術，保持發(fā)動機結構簡單、使用可靠，這對于F404發(fā)動機的成功研制起到了關鍵作用。F404加力推力為71.2千牛，推重比7.24，高壓壓氣機的穩(wěn)定工作裕度達到25%。除了F/A-18戰(zhàn)斗機外，為滿足不同戰(zhàn)斗機的需求，通用電氣公司還研制出F404發(fā)動機的多種改型，分別用于A-6F、JAS-39(在F404-GE-400基礎上改進而來的RMl2)和LCA等戰(zhàn)斗機上，還曾經(jīng)計劃用于A-12隱形攻擊機的改進型。 根據(jù)美國海軍發(fā)展F/A-18E/F戰(zhàn)斗機的需要，通用電氣公司以F404發(fā)動機為基礎，充分利用多項成熟技術，成功地研制出F414發(fā)動機。為提高推重比，F(xiàn)414發(fā)動機主要通過增大空氣流量、提高增壓比、增加渦輪前溫度、減輕結構重量等措施，使加力推力達到98千牛、最大推力達到60千牛，分別比F404發(fā)動機提高了38%和28%，從而使推重比達到9.1，通過漸改使發(fā)動機達到一個新的水平。 美國第四代戰(zhàn)機發(fā)動機目前主要是以XF119、XF120為基礎的F119、F120、F135、F136等型號。普惠設計的F119－PW-100渦扇發(fā)動機，是為美軍的第四代戰(zhàn)斗機F-22A研制的雙轉子小涵道比加力渦扇發(fā)動機，采用可上下偏轉的二維矢量噴管，上下偏轉角度為20度，推力和矢量由數(shù)字電子系統(tǒng)控制。1992年12月17日首臺EMD型F119發(fā)動機首次試車，1997年9月7日裝F119-PW-100的F-22首飛，從此，F(xiàn)119-PW-100開始了長達數(shù)年的飛行試驗計劃。長4.826米，最大直徑1.13米，重1360公斤，最大推力156千牛，推重比11.7。 與普惠公司為第3代戰(zhàn)斗機F-15、F-16研制的推重比為8一級的F100發(fā)動機相比，F(xiàn)119在總級數(shù)、零件數(shù)、推重比等均有較大的改進和提升。其中突出的變化，一是高壓轉子支撐方式改用了通用電氣公司慣用的形式， 二是高壓渦輪采用了單級設計。高壓轉子支撐方式改用通用電氣公司慣用的1-0-1后支點為中介軸承的方式和單級高壓渦輪設計， 可以有效降低發(fā)動機的重量和部件數(shù)量的同時進一步提高推重比。 ▶俄羅斯毫不遜色 俄羅斯戰(zhàn)機上配備的典型發(fā)動機主要是RD-33和AL-31。 為了滿足米格一29殲擊機的高空、高速性能的需要，俄羅斯的克里莫夫設汁局研制出RD-33渦扇發(fā)動機，特別突出了高度、速度特性。由于米格-29戰(zhàn)斗機是一種輕型前線殲擊機，因此RD-33發(fā)動機的最大直徑受到限制，空氣流量只有76公斤/秒，涵道比0.48，因此加力推力只有81.4千牛，與美國的主要發(fā)動機相比推力低一些，但在總體性能上卻毫不遜色。首先是推重比高。RD-33發(fā)動機的4級風扇、9級高壓壓氣機和混合器等部件都大量采用鐵合金，明顯減少發(fā)動機重量，因此推重比達到7.8。為提高渦輪前溫度，RD-33發(fā)動機的單級高壓渦輪采用了單晶葉片和粉末冶金盤，單級低壓渦輪采用了對流冷卻葉片，從而在起飛狀態(tài)達到154OK，在高速飛行狀態(tài)可達到169OK，這一溫度值甚至高出AL-31F發(fā)動機的工作瘟度。其次是穩(wěn)定工作性能好。為保證工作穩(wěn)定性，RD-33發(fā)動機在第1級風扇采用了處理機匣以改善葉尖處氣流流動狀態(tài)，在第4級靜子葉片采用雙排串列式葉柵來保證進入高壓壓氣機的氣流穩(wěn)定;高壓壓氣機的進口導流葉片和第1、2級靜子葉片采用可調旋轉葉片，能夠根據(jù)不同工作狀態(tài)改變?nèi)~片工作角度，第9級靜子也采用雙排串列葉柵。通過這些設計，RD-33發(fā)動機的工作非常穩(wěn)定，可以在飛行包線內(nèi)任一點實現(xiàn)空中起動和接通加力，從而滿足米格29戰(zhàn)斗機的機動性要求。 作為蘇-27系列戰(zhàn)斗機的動力裝置，AL-31F渦扇發(fā)動機在設計思想、關鍵技術和主要性能方面有其獨到之處。AL31F發(fā)動機在設計上突出了推重比指標，為此留里卡設計局在結構設計上曾經(jīng)進行過大幅度改動。在竭力追求較高推重比的研制過程中，該發(fā)動機分別從空氣流量和結構重量等方面著手，最終在性能水平上超出了美國同級別發(fā)動機。一是增大空氣流量。AL-31F發(fā)動機的進口直徑為938毫米，設計中選擇了較大的涵道比0.6，以得到較大的外涵空氣流量，使發(fā)動機最大狀態(tài)推力達到76千牛，全加力狀態(tài)推力達到125千牛。同時，在總增壓比不太高的情況下，較大的涵道比可以降低發(fā)動機耗油率，有利于增大蘇-27戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)半徑和轉場航程。 二是減輕結構重量。AL-31F發(fā)動機在風扇、高壓壓氣機、加力筒體和噴管外罩等部件上采用大量鈦合金材料，風扇和壓氣機采用電子束焊接的整體結構，使發(fā)動機重量得以減輕，整機重量只有1530公斤，推重比達到8.17，略高于目前已投入使用的西方同類發(fā)動機。因此，當蘇-27戰(zhàn)斗機的"眼鏡蛇"機動進入垂直狀態(tài)時，完全借助于AL-31F發(fā)動機所產(chǎn)生的強勁推力。 與此同時，留里卡設計局針對蘇-27戰(zhàn)斗機高機動性的特點，還充分考慮到AL-31F發(fā)動機的穩(wěn)定工作特性。由于進口條件的急劇變化，AL-3lF發(fā)動機必須具備較大的穩(wěn)定工作裕度，并根據(jù)進口參數(shù)的改變而及時地調節(jié)相關部件和循環(huán)參數(shù)，始終保持發(fā)動機持續(xù)可靠地工作。因此，為滿足這一設計目的，AL-3lF發(fā)動機在設計參數(shù)的選取上，只采用了中等增壓比23.8，以降低各增壓級的負荷，并在結構設計上采用了變彎度葉片、處理機匣、雙排葉柵和可調葉片等多種調節(jié)措施。 ▶英法獨辟蹊徑 20世紀60年代，為了滿足研制"狂風"多用途戰(zhàn)斗機的需要，英國的羅·羅公司、聯(lián)邦德國的慕尼黑MTU公司和意大利的菲亞特公司開始聯(lián)合研制RB199加力式渦輪風扇發(fā)動機。根據(jù)"狂風"戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)任務要求，新型發(fā)動機必須具備以下特點:短距起飛時需要的最大加力推力、低空突防和空中巡邏需要的不加力推力、機動飛行需要的較大剩余推力。為此，RB199發(fā)動機在熱力循環(huán)參數(shù)的選擇上，采用了中等流量比、高增壓比、高渦輪前溫度和高加力溫度，相應在結構設計上獨具特色。 RB199渦扇發(fā)動機采用了三轉子結構，風扇、中壓壓氣機和高壓壓氣機分別為3級、3級和6級。作為羅·羅公司的獨家技術，三轉子設計的目的是追求高增壓比與較大穩(wěn)定工作裕度，這樣不僅有利于發(fā)動機推力的快速響應，以滿足戰(zhàn)斗機機動飛行的要求，而且有利于降低發(fā)動機的耗油率，增加戰(zhàn)斗機的航程。更為獨特的是，該發(fā)動機的高壓轉子與中壓、低壓轉子的旋轉方向相反，其優(yōu)點是大大減小陀螺力矩。 RB199發(fā)動機的加力燃燒室采用了混合器和火焰穩(wěn)定器合二為一的設計。從結構上看，內(nèi)涵道后面設有兩圈V型火焰穩(wěn)定器，外涵道設有倒置"漏斗"式穩(wěn)定器和徑向傳焰肋。這一設計，可以明顯縮短加力燃燒室長度，使發(fā)動機結構更加緊湊。工作時，內(nèi)、外涵分別噴油和組織燃燒，然后再進行混合，加力溫度達190OK。以最初安裝在"狂風"戰(zhàn)斗機上的B199MK103型發(fā)動機為例，其加力推力達到71.1千牛，推重比達到7.93。 作為世界上第四大航空發(fā)動機公司，法國的斯奈克瑪公司從1967年開始設計M53渦扇發(fā)動機，以滿足80年代的高速高性能多用途戰(zhàn)斗機的需要。該發(fā)動機以"阿塔"系列渦噴發(fā)動機為基礎，設計過程中沿用了單轉子結構，這在加力式渦扇發(fā)動機中是獨一無二的。這樣設計主要考慮到技術的沿承性，以便總體結構簡單，降低技術風險，縮短研制周期，但也在很大程度上限制了發(fā)動機的性能。由于單軸結構上的限制，M53發(fā)動機的涵道比只有0.3。這樣才能兼顧風扇和高壓壓氣機葉尖速度的要求，卻無法充分發(fā)揮高壓壓氣機的作用。 M53發(fā)動機具有高速飛行時單位推力大、低空巡航時耗油率低的優(yōu)點，油門使用上沒有限制，可以在低速到M2.2的范圍內(nèi)任意操縱。為了提高"幻影"2000-5戰(zhàn)斗機的性能，斯奈克瑪公司在提高M53-P2發(fā)動機性能方面的主要措施包括:采用先進的風扇設計，增大了涵道比，使空氣流量增加近10％；增加一級渦輪，重新設計熱端部件，采用氣膜加對流冷卻方式，渦輪前溫度提高了40度。這些技術的應用有利于增大發(fā)動機推力，使加力推力達到97千牛，從而提高了飛機的推重比，改善飛機的速度特性和機動性能。 值得指出的是，由于未采用進口導流葉片，M53發(fā)動機也存在著潛在的設計缺陷。M53-P2發(fā)動機的三級風扇葉片直接與進氣道相連，迎面而來的飛鳥極有可能被進氣道進口處強大的氣流吸入，以極大的相對速度產(chǎn)生巨大撞擊力，直接打壞高速旋轉的風扇葉片，并進一步破壞發(fā)動機內(nèi)部結構，導致M53-P2發(fā)動機不能正常工作，失去應有的推力。特別是對于采用單臺發(fā)動機的"幻影"2000戰(zhàn)斗機來說，極易發(fā)生機毀人亡的事故。 第三代半和第四代戰(zhàn)機發(fā)動機點評 為了滿足第四代戰(zhàn)斗機的需求，美、英、法、俄等國家從80年代初開始研究推重比為10的發(fā)動機方案，經(jīng)過部件設計、核心機試驗和驗證機的研制，新一代加力式渦扇發(fā)動機己經(jīng)陸續(xù)投入裝備使用。其中，美國倚仗技術優(yōu)勢為F-22戰(zhàn)斗機研制出推力155.7千牛的F119渦扇發(fā)動機，英國、德國、意大利和西班牙通過國際合作為"臺風"戰(zhàn)斗機研制出推力90千牛的EJ200渦扇發(fā)動機，法國依然立足本國為"陣風"戰(zhàn)斗機研制出推力75千牛的M88系列渦扇發(fā)動機，瑞典為其JAS-39配備的RM12C推力達89千牛，俄羅斯正在為新一代戰(zhàn)斗機全力研制AL-41F渦扇發(fā)動機，推力有可能達到180千牛。從戰(zhàn)術技術要求來看，美國的F-22戰(zhàn)斗機對F119-PW-100發(fā)動機的技術和性能要求最具有代表性。 首當其沖的是超音速巡航能力要求發(fā)動機推重比高。為此，新一代發(fā)動機在循環(huán)參數(shù)上都采用了偏小的涵道比，如F119為0.2，EJ200為0.4，M88-2為0.5?？梢允共患恿顟B(tài)下推力增大，加力狀態(tài)下耗油率降低。從結構技術角度來看，較小的涵道比要求風扇增壓比較大，因此風扇設汁上分別采用了非定常三維有粘計算方法、低展弦比、高稠度和大安裝角葉型等技術，并通過減小第一級輪毅比和增大進口氣流馬赫數(shù)實現(xiàn)發(fā)動機的高流通能力，考慮到結構重量的限制，發(fā)動機還采用整體葉盤結構，這樣可減輕部件重量達30%。增大渦輪前溫度也是提高推重比的一條主要途徑。通過采用單晶材料、定向結晶材料、隔熱涂層和復合冷卻技術，新一代發(fā)動機的渦輪前溫度已經(jīng)達到很高水平，如F119的197OK，EJ200的180OK，而M88-2發(fā)動機盡管推重比未達到10，但其渦輪前溫度卻高達185OK，比最先進的第三代戰(zhàn)斗機發(fā)動機高出近200度。而Fl19發(fā)動機的對轉渦輪設計還有可能取消高、低壓渦輪之間的導向器，縮短發(fā)動機長度和減輕結構重量。 緊隨其后的是良好的機動能力要求發(fā)動機具有響應能力和推力矢量能力。這些發(fā)動機無一例外采用了全權限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，控制參數(shù)從上一代發(fā)動機的6-10個增加到11-20個，這有利于發(fā)動機時刻工作在最佳參數(shù)狀態(tài)。增壓部件的快速調節(jié)、加力燃燒室可靠工作都增大了喘振裕度，便發(fā)動機穩(wěn)定工作在整個包線范圍內(nèi)，確保戰(zhàn)斗機充分發(fā)揮飛行性能。由于第四代戰(zhàn)斗機的敏捷性要求，F(xiàn)119發(fā)動機、AL-41F發(fā)動機分別采用了二元矢量噴管和軸對稱矢量噴管，EJ200發(fā)動機的矢量噴管也在研制之中。值得一提的還有隱形能力要求發(fā)動機具有較低的雷達反射和紅外輻射的特征，高可靠性要求發(fā)動機采用多種新穎結構，可維修性要求發(fā)動機具有良好的后期保障和維修能力。F119、EJ200、M88、AL-4lF在這些方面都有不俗的表現(xiàn)。
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回答者：網(wǎng)友
