超级战斗机——F-22“猛禽”(三、他们杀死了F-22)

超级战斗机——F-22“猛禽”(三、他们杀死了F-22)

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原载《Air International》2015年7月号

F-22“猛禽”战斗机使用的普惠F119低涵道比涡扇发动机于1981年开始研制,当时美国空军发布了先进战术战斗机(ATF)的信息需求书,寻求能取代麦道F-15的下一代空优战斗机。

  普惠F119发动机项目总经理迈克尔·昂达斯说当时在五角大楼内部,“在80年代初出现了对苏联发展出能对抗F-15、F-16先进战机的许多担忧。”

  到1983年5月,国防承包商们已经向五角大楼提供了足够多的隐身、超音速巡航和超机动性设计方案,五角大楼也为这种新一代战斗机颁布了联合先进战斗机发动机(JAFE)方案需求书。当年9月,普惠和通用电气分别获得了研制合同,开发JAFE原型机。

竞争试飞

  1986年10月,美国空军从不同承包商提交的五种设计中选择了洛克希德·马丁公司的YF-22和诺斯罗普·格鲁门公司的YF-23进入验证机竞争试飞阶段。普惠和通用电气也各自获得了制造6台发动机原型机的合同,其中4台要安装在一架YF-22和一架YF-23上进行竞争试飞,剩下两台则安装在F-15上进行测试。1990年8月下旬,YF-23抢先首飞,YF-22在一个月后首飞。

YF-22与YF-23
YF-22与YF-23
GE的YF120采用了革命性的新设计,首次采用变循环风扇技术,不过这增加了发动机的复杂性。虽然YF120发动机在YF-22和YF-23上都表现良好,但在1991年4月23日,美国空军宣布YF-22/YF119组合胜出。据报道,YF-23在试飞中比YF-22更快,隐身性能更好,而YF-22更敏捷。

YF120设计先进但结构复杂,图中可看到发动机在亚音速模式和超音速模式中的不同工作状态
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F119在结构上要简单很多
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F119发动机解剖图
海国图志

对于普惠西棕榈滩工厂的F119研发团队来说,这无疑是天大的好消息,员工们聚集在佛罗里达大沼泽地旁的帐篷下为普惠总裁宣布的消息而欢呼。

  “这次获胜对公司意义重大,我们知道这是一次制造出非常独特发动机的极佳时机……而这种发动机在未来20年里都将保持先进”,昂达斯回忆道。F119的地面试验始于1992年12月,F-22于1997年9月首飞,在2007年12月实现了全面作战能力。

更少的零件

  普惠看似简单的F119设计具有一大优点,那就是尽管F119的推力比以往任何美国战斗机发动机都强大,零件数却比F-15和F-16使用的第4代F100发动机少了40%。F119首次在战斗机发动机上采用了整体叶片转子(IBRS)技术,用 该技术制造了所有的三级风扇和6级压缩机中的一部分。

  昂达斯说:“在上世纪80年代末90年代初,计算流体力学(CFD)的应用实现了跨越式增长。”由于计算机处理能力呈指数级增长,“设计工具进步巨大,采用IBRS对发动机气动和效率都有很大好处。”

  与F100和F110采用的两级高压涡轮(HPT)和两级低压涡轮(LPT)相比,F119仅用一级HPT和一级LPT,涡轮零件数减少了一半。

  但昂达斯说:“这种简化所涉及的每个零件都需要用更先进的技术进行设计制造,我们也是这样做的。”虽然F119发动机在设计上应用了普惠以前的一些军用发动机研究成果,“但F119实际上是从零开始设计的,实现了高于F100的涡轮温度”。

  F119在设计中应用了许多先进材料、冷却和空气动力学技术,其最大推力目前仍是机密(官方只说是155.7kN级别),但各种消息表明F119发动机的最大推力 应该在164.6kN-173.5kN范围内。

F119-PW-100发动机
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F119使用的技术

  F119的技术进步从发动机前端就能开始看到,普惠决定在这里采用宽弦空心钛合金风扇叶片,取消了叶冠(在较老的发动机中,相邻叶片的叶冠抵紧后形成一个金属环,使叶片在风扇外圆周以一定间隔排列,起到加强风扇的作用)。宽弦叶片提高了F119的效率,此外普惠在每个压缩级也使用了宽弦高压缩 比叶片技术,使压缩机叶片更宽,空气流动更立体,也使叶片更耐用。

  F119另一方面的效率提升来自的双转子对转设计,这种设计能在气动上调节从风扇(由低压涡轮驱动)进入发动机压缩机气流,提高压缩机内的气流效率,也改善了从高压涡轮进入反向旋转 的低压涡轮中的气流效率。

  普惠公司用自己的专利材料“合金C”制造了F119的压缩级定子,这是一种耐热阻燃钛合金,官方说成分是Ti-35V-15Cr-0.05C,这种材料使发动机能以更高温度运行。普惠公司还用合金C制造了加力燃烧室和尾喷管零件,以增加耐用性。

  普惠公司在环形燃烧室内衬上采用了“浮壁”式火焰筒技术。虽然该公司拒绝对该技术发表意见,但有报告说燃烧室内衬由单块耐热板组成,每块板都用抗氧化的高钴含量材料制造,并 由从压缩机引入空气进行冷却。普惠用单晶高温合金材料制造了F119的高压涡轮叶片,叶片内部有冷却空气通路,表面还喷涂了先进隔热涂层。

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