【推进技术】美国推进战斗机发动机升级换代
到2016年7月，普惠公司已经交付了288台F135发动机。美国国防部已授予普惠公司第10批次F135发动机低速初始生产合同，总价值19.5亿美元，共生产99台发动机，包含86台常规起降型/舰载型和13台短距起飞/垂直降落型，2017年开始交付。与2009年设定的成本目标相比，普惠公司已经将常规起降型/舰载型F135发动机的成本降低了一半，短距起飞/垂直降落型则降低了近35%。美国政府为改善F135发动机的经济可承受性而加大投入，预计将使F-35项目的全生命周期成本节省大约75亿美元。根据美国空军预算，F135发动机系统研制与演示验证（SDD）阶段将在2017财年结束，研制经费合计将达到81亿美元。同时，空军从2017财年起编列了F135发动机改进预算，普惠公司也提出了针对F135发动机的中长期升级建议，并开展相关技术研发。
普惠提议的F135发动机升级所用零件将设计为可在基地级维修时以“滴入”的方式进行替换。
F135发动机升级计划
作为美国五代机发动机的唯一研制商，普惠公司日前提出了针对F135发动机的批次1升级建议，可使油耗降低5%～7%，推力提高10%，达到210kN。升级包建立在美国海军主导的油耗降低项目和普惠研发的改进型压气机基础上，可以近似直接“滴入”的方式应用，提高所有F-35战斗机型号的航程和发动机寿命。油耗降低项目从2013年起在一台由F135发动机改进而来的XTE68/LF验证机上进行了试验，演示了油耗降低5%的可能性，在最终应用时加上其他压气机和涡轮改进技术可带来5%～7%的油耗改善。普惠与海军联手在XTE68/LF验证机上测试了涡轮冷却技术，不过普惠并没有用来提高发动机工作温度，而是转换为了裕度，从而提高循环效率。升级设计的重点在于改进F135发动机6级高压压气机的气动特性，吸收了自F135项目启动以来在气动设计能力方面的进步。修改后的结构于2015年在位于德国的气动试验台上进行了测试，得到了预期的性能结果。之后还进行了大量的风险降低工作，目前压气机的设计正集成入发动机验证机，计划2017年上半年开展整机试验。
普惠希望该项目能从2019年起获得长期预算计划支持，这样升级后的发动机就可以在2023年投入服役。如此安排的原因是目前在役的F135发动机刚好从2023年开始返厂大修，因此可以利用大修时间换上升级用的零件，出厂时就已经是一台性能更好的发动机。美国海军对升级措施的改动范围进行了严格限制，在用于现有发动机时尽量简单化，应不会改变发动机的直径。升级包的设计向下兼容，在切入生产的时候可以将全部在役飞机都升级到同一标准。不管是增加推力、降低油耗，或者是海军陆战队的F-35B需要额外的举升推力，只用这一个升级包都可以实现。不过发动机推力提高会给短距起飞/垂直降落型的升力系统造成影响，必须相应增大升力风扇的推力以保持平衡。普惠正与罗罗公司和美国海军商讨此事，但尚未启动升力系统部件的技术研发项目。普惠公司表示该项工作可能会在主发动机升级之后的4～5年左右完成。
近期的改进计划是通过生产更改提高F135发动机第一级风扇的性能。普惠公司正在改用一种新的线性摩擦焊制造工艺，以适应将第一级风扇的空心叶片替换为实心叶片，这是2013年12月，F135发动机加速任务试车中第一级风扇叶片出现裂纹之后的修改措施。这台设备的摩擦焊能力是普惠现有能力的两倍以上，目前正在普惠位于康涅狄格州米德尔顿的压气机系统单元体中心进行试运行，生产更改预计2017年可以投入使用。
启动自适应发动机项目
在五代机发动机研制的同时，美国空军从2007年起持续推动自适应发动机技术逐步成熟。2012年启动的“自适应发动机技术发展”（AETD）项目是在前期预研的基础上，设计一台推力为200kN级的自适应发动机原型机，并完成低压部件和核心机的演示验证。发动机的总体性能目标之一是燃油效率比当前战斗机发动机提高25%，推力增加10%。AETD项目由GE和普惠两家公司承担，按计划将于2016年结束。
今年6月30日，美国空军又向GE和普惠公司授予“自适应发动机转化项目”（AETP）合同，在AETD项目的基础上完成自适应发动机原型机的设计、制造和试验。合同均为成本加奖励形式，GE公司的合同金额为9.195亿美元，普惠公司则为8.732亿美元，最高额度可达10.1亿美元。合同为期5年，计划到2021年完成整台发动机的试车，为开展工程研制项目竞争做好准备。由于目前还未明确六代机是否采用双发设计以及具体的推力需求，因此两家公司均以F-35战斗机为装机对象进行设计，未来不仅可用于美国空军和海军的第六代战斗机，也可用于F-35战斗机的中期换发选项。
GE公司
在F136替换发动机项目终止和在B-21轰炸机发动机竞争中输给普惠公司之后，GE公司事实上已经退出了美国五代机发动机市场。自适应发动机项目无疑为其提供了重返未来战斗机发动机领域的极佳机会。GE公司从2007年开始一直参与了自适应发动机技术研发，在2014年成功实现了技术验证机的试车，是截至目前唯一一台自适应循环的三涵道发动机。GE公司已经完成多个AETD项目测试，包括两项燃烧室扇形段研发试验、三涵道冷却流动和喷流效应试验、先进轻重量风扇静子叶片硬件评估，以及带有氧化物—氧化物陶瓷基复合材料（Ox-Ox-CMC）尾喷管调节片和密封片的F414发动机试车。其他经过测试的部件还有安装在F414发动机上的CMC材料第二级低压涡轮动叶、先进热交换器、加力燃烧室组件、轴承、机械系统和高压压气机等。
GE公司将在未来数月内完成AETD项目的全部工作，以风扇台架试验和核心机试车作为结束。压气机和风扇台架试验在今年7月正式启动，在美国空军研究实验室位于莱特·帕特森空军基地的压气机研究室进行，将持续5个月。其中压气机试验将贯穿整个夏季，并持续到初秋。试验结束后将拆下压气机，换上风扇试验件，之后还要进行几个月时间，最终希望能在今年年底或明年年初结束全部工作。试验用的压气机为全尺寸，而风扇则为缩比件。压气机台架试验的目的是验证更高的单级载荷设计，从而提供自适应发动机所需的超高增压比。GE公司没有公开压气机的级数和性能目标等细节，不过表示级数仍处于常见的战斗机发动机范围内。压气机的总增压比很高，但具体数值保密。
GE公司自适应循环结构的机械细节也处于严格保密状态，只知道发动机在从一种状态转换到另外一种状态时整台发动机从前到后都会有部件动作，这种变化会导致发动机重心位置发生改变，增加了安装到F-35战斗机发动机舱的要求，也为设计工作带来了很大困难。研发团队花了一年时间进行结构优化，解决机械界面、重量和重心之间的矛盾。目前的结果应该可以满足F-35战斗机的使用要求，并经过了洛克希德·马丁公司的兼容性校验。
在AETP项目启动后，GE公司还将继续推进发动机结构设计成熟，计划到2017年下半年完成详细设计评审，随后发放整台发动机的制造图样，到2019年制造3台试验发动机，其中第1台用来评价基本结构设计，第2台用于性能和可操作性评估，第3台则用于耐久性验证。AETP项目将持续到2021年，包括将一台发动机安装到F-35上的潜在选项。GE公司表示可能的方式是选择一台地面试验用发动机，安装到飞机上进行地面试车，以获得在试车间里无法得到的系统集成信息。此外还有进行飞行演示验证的选项，最终执行哪些选项还要取决于空军的决定。这也让GE公司重新获得在未来F-35动力系统升级中挑战普惠公司的机会。
基于各自不同的技术基础，GE和普惠在自适应发动机技术途径方面存在一定差异，特别是在材料选取方面。GE公司在低密度、耐高温的CMC领域取得了巨大进步，而普惠更多地延续了在军用发动机领域的经验。两家公司都充分利用了过去所取得的成果，并通过AETD项目进一步发展。因此在核心机和材料选用方面就有了两条各具特色的路径，以及两套完全不同的自适应风扇方案。
普惠公司
在自适应发动机研发方面，普惠公司2013年完成了AETD项目的三涵道风扇试验，计划2017年上半年在实际发动机上进行集成验证，以了解风扇和发动机之间的相互作用。试验时将用三涵道风扇替换一台F135发动机的风扇，用来模拟三涵道流动的工作环境。普惠还计划在2017年开展“极高效核心机”的演示试验。尽管AETD和AETP项目并未明确作为F135后继发动机项目，但普惠公司仍然以适装F-35为标准，同时也在持续关注是否可用于其他平台。目前普惠公司同时为美国空军优先级最高的3个项目提供发动机——F-35战斗机、KC-46加油机和最新的B-21轰炸机，处在开拓其他应用非常有利的位置。为此，普惠已经开始与洛克希德·马丁公司合作，研究利用自适应技术改造F135发动机的长期升级措施，可使发动机油耗降低最高达20%。
自适应循环会在常规涡扇发动机外圈增加第三涵道，通过调节核心机流量和涵道比，显著改善发动机的燃油效率。不过增加第三涵道会使发动机直径略微增大，会对F-35战斗机发动机舱的布局和安装带来挑战。普惠已经在与洛克希德·马丁公司商议，寻找扩大发动机舱空间的方法，以容纳未来的F135自适应循环型。除了对外涵气流进行调节以外，普惠还考虑在发动机核心机内引入自适应循环技术。其中一种就是可调涡轮导向器，类似压气机的可调导流叶片。
后续技术研究安排
在授出AETP合同的同时，美国空军研究实验室（AFRL）还准备启动一项名为“空中优势自适应推进技术”（ADAPT）的后续计划，旨在从所有可用的技术途径获取支持，进一步优化自适应发动机性能，特别是尚未得到充分开发的核心机潜能。此前的研究工作都集中在通过采用自适应风扇调节发动机低压转子来达到多用途能力，而ADAPT计划更关注发展高压转子的自适应结构，以及将核心机与发动机的整体变循环工作特性相结合的方法。计划的目标在于将巡航模式的油耗再降低5%，同时继续提高超声速工作时的推力性能。此外还包括支持定向能武器等高功率机载系统，终极目标是实现整台发动机的自适应，满足空军对六代机各系统功能的需求。
ADAPT计划将面对核心机内更高温度和压力的挑战。美国空军研究实验室表示在核心机内应用可调结构有一定难度，但可以借鉴之前项目的经验。尽管核心机内的高压环境导致燃气通道内的条件更加严苛，但是改变循环的方法却与之前通过外涵道和低压转子控制第三涵道的途径相类似。在核心机入口采用可调面积导流环与自适应风扇相连接，按照推力需求和工作模式调节流量和增压比。美国空军研究实验室正在进行一项技术概念探索，来决定核心机采用哪些自适应结构。目前已经开始验证机的方案设计，将有助于缩小值得留用的技术范围，其中可调涡轮是一项非常值得关注的技术。
GE和普惠公司都参与了ADAPT计划的前期工作。普惠公司希望能利用其与美国海军在“变循环先进技术”（VCAT）计划中取得的研究成果，该计划的目的是考察可用于舰载战斗机以及情报、监视和侦察(ISR)系统的自适应循环涡轮推进技术并使其成熟，由海军研究办公室和海军能量任务部队联合开展，并与美国空军研究实验室的变循环工作相互支持。普惠公司解释说VCAT的工作集中在部件技术，获得将其用于ADAPT计划的机会也正是公司的期望。目前普惠正在按空军的合同开展前期研究和设计工作，同时也在与空军商讨下一阶段技术研究计划的具体内容，希望明确ADAPT计划在其中的角色定位和验证机的详细要求。
（晏武英，中航工业发展研究中心，高级工程师）
版权声明：原文刊载于《国际航空》2016年第9期。欢迎分享，请注明出处。