舰载作战飞机发动机的发展

屈 鹏，王占学

（1.海军驻西安地区航空军事代表室，西安 710021；2.西北工业大学动力与能源学院，西安 710072）

1 引言

1917年7月，英国成功地改装了世界上第1艘专载作战飞机的航空母舰，揭开了舰载作战飞机及其发动机发展的序幕。经过90多年的发展，M88-2、F135和F136等喷气发动机已经或将要在RAFALE M、F-35C第4代舰载作战飞机上投入使用，成为法国、美国及其盟国海军舰载作战飞机的主力机种；自适应循环发动机等未来1代喷气发动机正在VAATE等研究计划下进行通用核心机、智能发动机等预先研究。因而，综述国外舰载作战飞机发动机的发展历程，研究其发展，对中国开展舰载作战飞机发动机的研究和开发工作具有重要的参考和借鉴作用。

2 国外舰载作战飞机发动机的发展历程

在经历活塞发动机时代后，20世纪40年代进入了喷气发动机时代，目前已经发展到第4代。

2.1 活塞发动机时期

从1917年舰载作战飞机诞生到1945年第2次世界大战结束，活塞发动机与螺旋桨发动机在美国和日本等国家得到大力开发，是当时舰载作战飞机乃至所有作战飞机的惟一类型动力装置，在第2次世界大战中发挥了重要作用。美国PW公司研制的 R-1340、R-1535、R-1830、R-2800、R-4360 发 动机，美国怀特公司研制的 R-1300、R-1820、R-2600、R-3350发动机，日本中岛公司研制的Sakae 12/11/21、Homare 1l/12/21、Kotobuki 41 发动机，日本三菱公司研制的Kasei MK4U 25等型发动机，日本爱知公司研制的Atsuta 21/32等活塞发动机，均应用到了舰载作战飞机上。这些发动机的最大功率达到3500 kW，最低耗油率降到 0.28 kg/daN·h，最大功重比达到1470 W/kg。

2.2 涡喷发动机时期

第2次世界大战以后，英国、德国、美国、前苏联、法国等国家先后研制了喷气发动机，逐步取代了活塞发动机，成为海军舰载作战飞机乃至所有空、海军作战飞机的主要动力装置，使作战飞机从活塞加螺旋桨时代进入了喷气时代。其中，美国、法国和前苏联(俄罗斯)开发了舰载作战飞机涡喷发动机。典型舰载作战飞机涡喷发动机主要性能参数见表1。

表1 典型舰载作战飞机涡喷发动机主要性能参数

在20世纪40年代成功地实现仿制后，美国GE、PW公司的涡喷发动机研制工作进展迅速，到60年代已经赶上、甚至超过了英国，居于世界先进水平。

1941年10月，GE公司引进英国的发动机技术仿制了GE-1A发动机，之后发展了J33离心式喷气发动机，并在美国海军AJ-1(A-2A)舰载轰炸机上投入使用。20世纪50年代，CE公司为美国海军改型研制了J79-2、-4、-8、-10发动机，并应用到F-4舰载战斗机和A-5舰载攻击机上。

1947年，PW公司由英国尼恩和苔茵离心喷气发动机仿制了J42-6、J42-8和J48发动机，分别应用在美国海军F9F-2、F9F-3和F9F-6舰载战斗机上。20世纪50 年代，PW公司自行设计了 J57-P-2、-4、-8、-10、12和-16等发动机，并先后将其应用到美国海军的F4D-1、F8U、F5D1、F8U-1、F8U-2 单发舰载战斗机和A3D-2双发舰载攻击机上；自行研制了J52-6、-8、-408等涡喷发动机，并应用到美国海军A-4与A-6舰载攻击机和EA-6双座双发电子对抗机上。

法国的ECMA公司于1945年以从德国引进的BMW-003发动机为原准机，陆续发展了22个型别的阿塔发动机，其中的阿塔8K50是法国海军超军旗(Super Etendard)舰载战斗机的动力装置。

前苏联于1946和1947年从德国引进了JUMO-004与BMW-003涡喷发动机和尼恩与德温特等涡喷发动机，先仿制后自行研制了一些涡喷发动机，其中的AL-21成为了Yak-38舰载直升机的动力装置。

2.3 涡扇发动机时期

20世纪60年代以后，由于具有推力大、排气速度较低和耗油率低(较涡喷发动机降低1/3左右)等特点，涡扇发动机很快取代了涡喷发动机，成为航空动力装置的主导机型。典型舰载作战飞机涡扇发动机主要性能参数见表2。

表2 典型舰载作战飞机涡扇发动机主要性能参数

2.3.1 英国的研制情况

在涡扇发动机的研制方面，英国又一次走在了世界的最前面。RR公司于1948年就开始探索研究双涵道发动机。1964～1968年，在民用SPEYMK51l发动机的基础上，RR公司成功地研制了军用SPEY MK202发动机，并将其应用到从美国进口的F-4K海军双发舰载战斗机上。20世纪60年代，RR公司和美国A11ison公司合作为A-7E舰载攻击机 (第68架后)改型研制了TF41-A-2(A11ison 912-B14 RB168-66)发动机。1975年，在研制了Pegasus(飞马)MK101、MK102、MK103发动机后，RR 公司又发展了舰载型MK1104发动机，并于1979年9月在美国海军“海鹞”单发战斗/侦察/攻击机上投入使用。1985和1990年，RR公司又先后改进研制了Pegasus11-21、MK106(F402-RR-406)和 Pegasus11-61(F402-RR-408)发动机，并将其应用到美国和英国海军的AV-8BII近距支援/攻击机上。但是，由于受综合国力和科技水平等因素的影响，英国没有能够保持快速发展。

2.3.2 美国的研制情况

美国涡扇发动机的研制略晚于英国。20世纪50年代末到60年代初，美国民用飞机动力装置掀起了涡扇化的研制高潮。1961～1966年，PW公司陆续研制了 TF30-6、-8、-100、-408、-412A、-414、-414A 等发动机，并将其应用到A-7舰载攻击机和F-14舰载战斗机上，成为美国第1型舰载涡扇发动机。在1966～1972年，GE公司以GE1核心机为基础，借鉴TF39和CF6发动机的技术与经验，成功地研制了TF34-GE-2舰载涡扇发动机，并于1975年又成功地改进研制了TF34-GE-400A发动机。这2型发动机很好地满足了美国海军S-3反潜机“长距离、低空巡逻与巡航”的战术要求。1975～1982年，以YJ101连续放气式涡喷发动机为基础，按照突出作战适应性、舰载适应性、可靠性和可维护性的研制原则，GE公司成功地研制了F404-GE-400舰载型涡扇发动机,成为当时最先进的舰载战斗机F/A-18A/8的动力装置。此后，以F404-GE-400发动机为基础，采用成熟的先进部件技术，CE公司改进研制了 -400D、-402、-100、-F1J1/RM12、-F2J1、-F5D2(F412)等多型陆基和舰载发动机。1976～1986年，为了改变配装美国空军F-15/F-16战斗机的F100发动机与配装美国海军F-14舰载机的TF30发动机频频出现耐久性、可靠性和可维护性等问题的窘迫局面，GE公司以F101发动机核心机为基础成功地研制了F110-GE-100空军陆基发动机和F110-GE-400海军舰载基发动机。1991～1999年，以F404发动机为基础，采用RM12发动机的3级风扇、F412发动机的7级压气机、GE23A/F412发动机的单级高压涡轮、YF120发动机的加力燃烧室、F110-GE-129发动机的喷管、YF120发动机的控制系统，GE公司成功地研制了F414-GE-400舰载型涡扇发动机。1996年以来，在联合攻击战斗机(JSF)研究计划下，PW和GE公司分别研制了F135和F136发动机，再次成为美国及至世界上最先进的舰载作战飞机的动力装置，目前正在进行飞行试验，预计2013年以后投入使用。正是由于始终保持技术研究的规模，并始终注重基础和应用技术的研究，美国很快发展成为世界上战斗机发动机技术先进国家，并且始终处于遥遥领先的地位。

2.3.3 其他国家的研制情况

法国的涡扇发动机是沿着“引进仿制、消化继承、改进改型、自主创新”的发展道路发展起来的。20世纪70年代中期以来，借鉴积累的M53发动机的研制经验，利用先进技术研究计划和验证机研究计划开发与验证的先进技术，SNECMA公司成功地研制了M88-2准第4代陆基与舰载两栖型涡扇发动机，并于1999年将其应用到了RAFALE M“阵风”战斗机上，跻身于世界战斗机发动机强国之列。

俄罗斯舰载涡扇发动机的研制工作起动很晚。直到20世纪90年代，俄罗斯才由D-33和AL31F发动机衍生研制了舰载型RD33K和AL31FK发动机，目前已经明显落后于美国。

3 舰载作战飞机发动机的发展特点

经过90多年的发展，随着流体力学、热力学、结构力学、材料科学、控制理论等学科的不断进步，舰载作战飞机发动机已经取得了飞速发展，与陆基作战飞机相比呈现出以下特点。

3.1 特殊的存放和使用要求

舰载作战飞机发动机与陆基作战飞机发动机经历了相似的发展过程，即：从活塞发动机发展到涡喷发动机，再进一步发展到涡扇发动机。除了满足陆基作战飞机发动机的要求外，还必须满足在以航空母舰为基地的海洋环境下存放和使用的以下特殊要求。

（1）较大的推力和良好的加速性。据资料报道，与陆基作战飞机发动机相比，舰载作战飞机发动机的推力大12%～19%；从慢车加速到中等推力的时间由5 s缩短到4s；在着舰失败后实现安全复飞，由慢车加速到最大推力要在3s内完成。这要通过高的循环参数和良好的机动性保证。

（2）防止大气、盐雾、潮湿和霉菌腐蚀的能力,可通过先进的耐腐蚀、耐高温材料与涂层保证。

（3）更强的抗过载和抗冲击能力,可通过部件的结构设计保证。

（4）较强的抗进气畸变能力,需要大的喘振裕度、机匣处理、可调静子等保证。

（5）较高的可靠性、耐久性和可维护性，以及较低的耗油率,可采用单元体结构、少零件设计、轻质量零件设计、状态监控和视情维护、适当安装孔探仪、防错设计等保证。

此外，还需要具有在整个飞行包线内自动空中起动和较低的红外和电磁辐射能力。

3.2 相似的研制思想成熟过程

舰载作战飞机发动机与陆基作战飞机发动机经历了相似的发展过程，其研制思想也是逐步发展成熟的。

20世纪70年代以前，作战飞机活塞和涡喷发动机的研制将提高性能作为重中之重，结果研制出来的发动机性能的确取得了显著提高，但是作战适应性、可靠性、耐久性和可维护性明显过低，严重地影响了战斗机的作战使用，大大增加了全寿命成本。

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。

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。

21世纪初，美国制定了VAATE研究计划。该计划的工作重点由以前的强调高性能、耐久性好和费用低，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，具体到大型涡喷/涡扇发动机的推重比提高200%，燃油消耗降低25%，设计、使用和维护费用降低60%。

3.3 相似的技术发展趋势

舰载作战飞机发动机与陆基作战飞机发动机经历了相似的技术发展趋势。在性能方面，推重比已经提高到10，未来l代可能提高到15以上；涡轮进口温度已经提高到1800～1950 K，未来1代可能提高到2200 K以上。

在结构方面，叶轮机减少到第4代喷气发动机的8～9/1+1级，未来1代可能减少到4～6/l+l/2级；燃烧室发展为第4代喷气发动机的短环形，未来1代可能发展为高温升超短型；部件和组件的设计正在向简单化和紧凑化发展；热端部件冷却正在向高效化发展。

在材料方面，采用陶瓷、复合材料的范围越来越广且比例越来越大，正在向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。

4 结束语

经过90多年的发展，舰载作战飞机发动机已经完成了向涡扇发动机的转变，推重比、可靠性、耐久性、可维护性等指标也已经提高数倍，耗油率和全寿命费用已经大大降低。未来1代舰载作战飞机发动机正在VAATE等技术研究计划下开发和验证，相信，其性能会大大提高、费用明显降低、经济可承受性显著提高。

[1]田宝林.舰载飞机对动力装置特殊要求的分析(上)[J].航空发动机,1997(2):52-57.

[2]田宝林.舰载飞机对动力装置特殊要求的分析(下)[J].航空发动机,1997(3):58-64.

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