舰载作战飞机发动机的研制道路

梁春华

（沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

1 引言

自从喷气式发动机成为海军舰载作战飞机的主要动力装置以来，美国、英国、法国和前苏联等国家已经成功地研制了J65-W-16A、J30-WE-20、J34-WE-30A/32/42、J42-P-6/8、J48-P-6A、J57-P-20A/10、J52-P-408A/8AJ33-A-1、J79-GE-17/10、ATAR 8K50和AL-21等涡喷发动机,以及TF34-GE-2/400A、TF30-P-6/8/412、F404、F110-GE-400、F414、SPEY RB168-20/25、PEGASUS 11-21、TF41-A-2、M88-2、R-79B-300、AL-31FK和RD-33K等涡扇发动机，目前在为F-35C舰载战斗机研制F135与F136发动机的同时，也在VAATE等研究计划下研究像自适应循环发动机这样的未来1代舰载战斗机发动机。

研究国外舰载作战飞机发动机的发展道路，总结其规律，对中国开展舰载作战飞机发动机的研究与开发工作具有重要的参考作用。

2 国外舰载作战飞机发动机的发展

2.1 由“陆基改舰载与舰载改陆基”向“陆基与舰载两栖”发展

20世纪50年代以来，美国、英国和法国的舰载作战飞机发动机实现了由“陆基改舰载与舰载改陆基”向“陆基与舰载两栖型研制”发展。

20世纪50～60年代，在舰载作战飞机涡喷发动机中，J65、J42、J48、J33、J34、J79和ATAR 8K50发动机首先按陆基要求设计，后来改进研制为舰载型发动机；J52发动机首先按舰载要求设计，后来改进研制为陆基型发动机；而J57和J75发动机从设计之初，就是按陆基与舰载两栖型研制的。

20世纪60～90年代初期，在舰载作战飞机涡扇发动机中，英国的SPEY RB168-1A、SPEY RB168-25、PEGASUS11-21(Mk104)，美国和英国合作的TF41-A-2和PEGASUS 11-21F(F402-RR-406)，俄罗斯的AL-31FK和RD-33MK，都是由陆基作战飞机发动机改进研制的舰载型发动机；美国的TF34、F404、F414发动机是先按舰载要求设计的，之后根据需要，改进研制成陆基型发动机；TF30和F110发动机从设计之初就是陆基与舰载两栖型的。例如：AL-31FK和RD-33MK舰载型发动机是在AL-31F和RD-33陆基发动机投入使用若干年后，为SU33和Mig29K舰载战斗机改型研制的；TF34-GE-400发动机最初是为S-3舰载型反潜机研制的，后来为满足空军A-10攻击机要求，改型研制了TF34-GE-100陆基型发动机；F110发动机是GE公司为F-15/F-16陆基战斗机和F-14舰载战斗机研制的陆基与舰载双栖发动机。

20世纪90年代中期以来研制的舰载作战飞机涡扇发动机大多数是从设计之初就是陆基与舰载两栖型的。例如：1999年设计定型的M88-2发动机既可以作为空军陆基型RAFALE B/C战斗机的动力装置，也可以作为海军舰载型RAFALE M战斗机的动力装置；正在研制中的F135推进系统既可以作为空军陆基型F-35 STOL型战斗机的动力装置，也可以作为海军舰载型F-35 CV型战斗机的动力装置，通过增加升力风扇、3方位偏转喷管和滚转控制喷管，还可以作为F-35 STOVL型战斗机的动力装置。20世纪90年代以来，更多地选择陆基与舰载两栖型，可能主要是基于以下4点原因。

（1）由于在航空母舰上使用的作战飞机数量较少，而舰载作战飞机/发动机的研制费用与陆基作战飞机的相当或更高，独立研制舰载作战飞机/发动机的全寿命费用太高。

（2）随着气动和控制等技术的快速进步，舰载作战飞机发动机与陆基作战飞机发动机的气动性能和瞬态性能都已经大大提高，差别日益减小。

（3）随着钛合金、陶瓷和复合材料等材料的用量增大，舰载作战飞机发动机的防腐等问题已经不再特别突出。

（4）随着航空发动机“五性”技术得到重视与快速发展，舰载作战飞机发动机与陆基作战飞机发动机的可靠性、耐久性和可维护性已经达到相当高的水平，已经不再是影响舰载作战飞机发动机使用和经济性的关键因素。

舰载作战飞机发动机与陆基作战飞机发动机的差别呈现越来越小的趋势，使得研制陆基与舰载两栖型发动机技术具有可行性，经济收益明显，研制周期明显缩短。

2.2 由“起飞质量决定的单双发”向“双发为主，单发为辅”发展

20世纪50年代以来，美国、英国和法国开发和使用的典型舰载作战飞机见表1。从表中可知，舰载作战飞机的配置原则由“起飞质量决定的单双发”向“双发为主，单发为辅”发展。

20世纪80年代以前，舰载作战飞机的单双发配置主要依据作战飞机的最大起飞质量：像F-8、A-4、A-7、AV-8、AV-8BⅡ和超军旗等最大起飞质量在20 t以下的轻型舰载作战飞机采用单发布局；而像A-5、A-6、F-4和NA.39等最大起飞质量在22t以上的重型舰载作战飞机均采用双发布局。

20世纪80年代以后,F-14A/B/D、F/A-18A/B/C/D、Mig-29K、SU-33、F/A-18E/F、Rafale M等舰载作战飞机，均采用双发布局；只有尚在研制、计划于2013年投入使用的第4代联合攻击机F-35C（最大起飞质量与F/A-18的相当），采用的是单发布局。在这一时期，出现了“双发为主，单发为辅”的明显趋向。

更多地选择双发布局的舰载作战飞机可能主要是考虑以下2点因素。

（1）由于大部分时间在海面上空工作，舰载作战飞机必须具有很高的安全性。从理论上讲，采用双发布局的作战飞机，在舰上起飞和着舰过程中，1台发动机出现故障，飞机依靠另1台发动机仍能完成起飞和着舰；而采用单发布局的作战飞机，一旦发动机出现故障，基本上无法挽救。因而，双发布局的舰载作战飞机的安全性大大高于采用单发布局的作战飞机。美国空军安全局在1996～2000年的统计数据也从某种程度说明了这一点：由发动机故障损失掉的34架战斗机中，单发布局的F-16战斗机占29架，而双发布局的F-15战斗机只有5架。为了实现双发飞机单发复飞，美国海军在舰载适用性要求中明确规定：在设计着舰质量和进场速度下，在单发停车、中等推力(非加力)状态下，舰载作战飞机应该具有500 ft/min的最小爬升率。

表1 20世纪50年代以来开发和使用典型的舰载作战飞机

（2）由于舰载作战飞机的质量明显地重于陆基作战飞机的质量，采用双发布局相对采用单发布局能够弥补一些性能损失。

而F-35C联合攻击机选择单发布局的原因可能包括以下2点。

（1）F135发动机能够保证较低的故障率和较高的安全性。的确，F135发动机是由配装美国空军F-22A战斗机的F119发动机改进而来，继承了其极高的性能、卓越的可靠性、维修性和保障性(RMS)。而F119发动机充分吸取了F100发动机研制/使用的经验与教训，采用一体化产品研制方法，并利用大量的成熟技术进行研制，获得了很高的可靠性、耐久性、可维护性和保障性，见表2。

（2）采用单发布局的飞机质量较轻，且动力操纵系统较简单。

表2 F119发动机相对于F100-PW-220发动机的可靠性和可维修性改进

2.3 由“着重追求提高性能”向“提高性能与降低费用并重”发展

与陆基作战飞机发动机一样，舰载作战飞机发动机的研制思想也经历了4个发展阶段，实现了逐步成熟。

第1阶段：重点追求性能。

20世纪50～70年代，作战飞机涡喷发动机的研制将提高性能作为重中之重，结果是研制出来的发动机的性能的确得到了显著的提高，但是作战适应性、可靠性、耐久性和维护性明显过低，严重地影响了战斗机的作战使用，大大增加了全寿命成本。其中最深刻的教训就是配装F-14A战斗机的TF30-P-412发动机。在TF30发动机的型号规范中，既不包括可靠性、耐久性和可维护性等要求，也不包括为验证这些要求而设计的试验，因而，PW公司只花费2年5个月的时间和0.21亿美元的经费，只因性能达标而成功地完成了TF30-P-412发动机的设计定型和批量生产。但是，在使用中，该发动机出现了影响安全性、可靠性、耐久性与可维护性的一些严重问题，PW公司不得不花费15年（1971～1985）的时间和8.4亿美元的经费对其进行改进。即使这样，PW公司也没有将其问题很好地解决，致使被F110-GE-400发动机所替代。

第2阶段：提高可靠性、耐久性、可维护性。

20世纪70～80年代中期，作战飞机发动机的研制工作重点转移到了提高可靠性、耐久性和可维护性方面，结果是全新研制和改进改型的发动机的性能没有明显提高，但是作战适应性、可靠性、耐久性和维护性等达到了综合平衡。典型的实例如F404和F110-GE-400等发动机。

在F404发动机研制中，美国海军和GE公司根据以往的使用经验，突出了作战适应性、舰载适应性、可靠性和可维护性的要求，而把成本、性能和质量等要求放在较次要的地位。GE公司改变了过去强调性能，而忽视可靠性和维修性的作法，采用经过验证的先进技术，不追求过高的性能指标，注重保持结构简单、费用合理和风险降低，最终使其达到了喘振裕度大、抗畸变能力强、空中起动可靠、经受剧烈操作与错误操纵能力强等特性。

F110-GE-400发动机是GE公司为替代配装F-14A战斗机的TF30-P-412发动机而研制的推重比为8级的小涵道比涡扇发动机，是按照“结构完整性大纲(ENSIP)”的要求研制的的涡扇发动机，达到了性能、作战适应性、可靠性、耐久性、可维护性的统筹兼顾，成功地解决了TF30发动机存在的问题。

第3阶段：性能与可靠性、耐久性、可维护性同时提高。

从20世纪80年代中期开始，作战飞机发动机研制工作的重点又发生了转移，即转向在保持长寿命的前提下提高性能。F414发动机就是典型的实例。在F414发动机研制中，除了继承F404发动机的研制经验外，美国海军和GE公司增加了对易损性和敏感性的要求，采用经过验证的成熟技术和一体化设计与风险管理等先进管理方法，成功地使其相对于F404-GE-400发动机，推力增大35%，推重比从7.4提高到9，可靠性和耐久性也明显提高、耗油率有所降低。

第4阶段：提高经济可承受性。

21世纪初，美国又制定了VAATE研究计划。该计划的工作重点由以前的强调性能、耐久性和费用，调整为追求经济可承受性。具体目标是，通过开发通用核心机、智能发动机和耐久性等方面的技术，使涡轮发动机经济可承受性提高10倍；具体落实到大型涡喷/涡扇发动机，推重比提高200%，燃油消耗降低25%，设计、使用和维护费用降低60%。这些开发和验证的技术和部件用于目前构想的未来新飞机和发动机、近期正在使用的飞机和发动机、正在生产的飞机和发动机与正在研制的飞机和发动机上。当然，舰载作战飞机也是如此。

在F135推进系统研制之初，PW公司领导的研制小组就强调低费用，不再遵循性能驱动原则，而是将经济可承受性作为重要设计指标。与现役的F110和F100发动机相比，研制F135推进系统的费用节省35%，硬件和软件可靠性提高2倍，维护技工减少30%～50%，提升和起重设备的配置减少50%，故障判断和修理的时间减少94%，返厂维护时间延长225%。

在F136发动机研制之初，GE公司领导的研制小组就把降低使用费用和保障费用作为一项基本要求，并将其与推力、耗油率作为独立的设计变量来对待。采用非传统的发动机结构设计、研制、采购和保障方法，尤其是，通过提高可靠性与安全性，降低维护费用；采用灵活的保障系统，提高发动机保障性，最终大大降低了在武器系统寿命期内发动机运行和保障费用。

3 结束语

经过60多年的发展，舰载作战飞机发动机已经由涡喷发动机发展到涡扇发动机，由陆基改舰载发展到陆舰两栖，由低安全性发展到高安全性，正在向更先进的变循环加智能的自适应循环发动机方向发展。总结国外舰载作战飞机发动机的这些成功的研制经验与技术发展途径，都对中国开展这方面的工作具有重要的借鉴意义。

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