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（轉載請註明出處） 最近，殲十C換裝最新國產渦扇發動機的照片現身網絡，可喜可賀，這說明國產渦扇發動機在可靠性方面已經能夠滿足單發第三代戰鬥機的可靠性要求，對於中國的航空發動機行業來講是一個重要的里程碑。藉此良機，也蹭蹭熱度，嘮嘮它的一個遠親，通用電氣（GE）F404渦扇發動機的故事。 ...國產最新渦扇發動機裝上殲十C 源頭 F404的前身是GE在70年代初開始發展的YJ101渦扇發動機，但YJ101的歷史又要向上追溯到GE的核心機體系了。 20世紀50年代後期，受"重飛彈輕飛機"高層決策思想和"渦輪發動機技術已經成熟，已經沒有多少事情可做"論調的影響，美國軍方不重視戰鬥機/發動機的技術研究和產品研製工作，其技術水平和產品發展速度明顯落後於前蘇聯。 不過沒多久，美國國防部和空軍便意識到自己在犯傻：發動機研製時間比戰鬥機的要長得多，如果想實現戰鬥機與發動機同步使用，就必須提前著手研究發動機技術。為此美國於1959年開始投資實施輕量級燃氣發生器（LWGG）研究計劃，1963年投資實施先進渦輪發動機燃氣發生器（ATEGG）研究計劃，1967年實施飛機推進系統集成（APSI）計劃。正是在這些計劃推動下普惠（PW）和GE開發和驗證了一系列核心機及發動機驗證機，為20世紀70、80年代的F100、F404、F101等發動機的研製成功打下了堅實的基礎。 ...中間那幾個黃顏色的部件就是核心機 簡單介紹一下核心機：核心機是指高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪這三個部件構成的原型噴氣系統。一套完整的發動機系統沒有核心機是肯定玩不轉的，而去掉其它部件比如風扇、加力燃燒室什麼的仍舊可以作為發動機來使用。核心機的性能直接決定了發動機的性能。所以，核心機是現代噴氣發動機的關鍵。 單說GE，該公司在1961年研究了海軍艦載戰鬥機的要求和對其它9種可能發展的軍用飛機綜合考慮後，確定了GE1核心機的性能和尺寸。GE1的空氣流量為35kg／s，壓比11，有14級壓氣機，渦輪前溫度1366K，最大直徑610mm，推力2225daN，轉速13000r/min，在這個基礎上保持外徑不變，不斷改進。第一個改進方案叫GE1A，1968年又改出了一個方案叫GE1B，1970年設計了第四個方案GE1／10，在同樣的壓比下，級數減少了一半，燃燒長度縮短了40％，渦輪前燃氣溫度提高了400K。後來又誕生了第五個方案GE9。F101渦扇發動機的核心機便是源於GE9，之後又F101的核心機又用於CFM56發動機，這就和最近出鏡的國產渦扇發動機有了淵源了。 ...從P530到YF17再到F/A18 也是天緣湊巧，60年代中期諾斯羅普正在基於F5E開發新的輕型戰鬥機N300，希望老夥計能提供J85，GE研究了一番，提議採用推力更大的新發動機，諾斯羅普欣然採納。後來N300演化為P530，又繼續演化為P600（YF17）。發動機型號也從GE15變為YJ101。 前身 YJ101採用了GE9核心機。在設計YJ101時，GE給它確定的目標是： 工作循環合適，使性能、推重比、採購和使用成本及風險相互均衡。 發動機在主要作戰區域安裝性能最佳。 包線內無失速喘振，特別是在劇烈機動時。 包線內能加力點火和工作 結構便於安裝和維護 採購和全壽命期費用低 可以看出，GE在YJ101的發展過程中並沒有單純追求性能上的亮麗數字，而是希望能儘可能照顧到性能、可維護性、可靠性、使用成本等諸多指標，這為後來F404的發展打下了良好的基礎。 ...配裝YJ101的YF17 在設計原則上，GE為減少計劃的風險採取了一些指導原則，包括採用的新技術必須是經過驗證的，性能要與合理的費用協調一致。某些情況下為了保持發動機結構簡單就不可避免地要降低性能。考慮到高空高速飛行，所以後來選擇的工作方式還是小涵道比渦扇發動機，更接近於渦噴發動機，這很有利於戰鬥機的加力起飛和作戰。因為根據越南空戰的經驗大量戰鬥是在亞音速區進行的，所以YJ101是按照亞音速空戰的最大推力狀態優化的。在耗油率上就進行了折中：即犧牲一部分巡航耗油率，使格鬥狀態的耗油率低一點。 YJ101包括3級風扇、7級高壓壓氣機、環形燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、加力燃燒室和噴管。低壓渦輪驅動風扇，高壓壓氣機由高壓渦輪驅動。加力燃燒室是簡單的單級結構。噴管是面積可變的收斂擴散噴管。發動機控制系統是常規的液壓機械系統，有電氣調整機構。 因為核心機已經有現成的了，YJ101隻要確定風扇和低壓渦輪的參數即可，但這也直接影響發動機成本及重量。GE選擇了比較激進的3級風扇，這可以大大降低重量和費用，但要冒一定的技術風險。而在設計驅動風扇的低壓渦輪時，GE沒有用兩級渦輪，而是選擇了性能略低但可以保證重量、費用和可維護性的單級渦輪。這兩項決策都簡化了發動機結構，降低了費用。 ...俯瞰YF17 YJ101於1970年開始研製，1971年美國空軍決定支持該計劃。轉過年來，雙喜臨門：YJ101於年初完成樣機，7月即開始試驗；諾斯羅普的YF17（即P600）又納入美國空軍的輕型戰鬥機計劃（LWF），YJ101身份更加顯貴。1973年12月已完成飛行前合格試驗。這期間進行了950小時試驗，其中近100小時在阿諾德工程發展中心（AEDC）的高空臺進行鑑定。總計使用了4臺發動機和一臺核心機。與過去的發動機計劃比較，總時數不到1000小時完成原型機飛行前合格試驗（PFRT）是相當少見的。以前的PFRT一般要積累3000小時工廠試驗後才能達到。 正身 1975年5月2日．美國海軍正式宣布將在YF-17驗證機基礎上研發一種新的艦載戰鬥機以輔助F14完成艦隊防空並替代A4、A7等艦載輕型攻擊機。後來名滿天下的F/A-18"大黃蜂"艦載機就此正式開始研製。當然了，YJ101也得以繼續發展。這名份既然有了，那個代表試驗的字母Y也就消失了：新發動機的名稱改為F404。當年11月，GE得到了F404發動機的研製合同。 ...YF17與F/A18 YJ101變為F404，最要緊的是把發動機推力從15000磅級（6800公斤）提升到16000磅級（7260公斤）。GE用了兩招：增大風扇直徑，以及將空氣流量從130磅/秒（58.97公斤/秒）增加到140磅/秒（63.5公斤/秒）來實現。既然風扇大了，帶動它的低壓渦輪也得變大；空氣流量大了，加力燃燒室和噴管也得相應加粗。另外，艦載機著艦瞬間對推力要求高，對發動機加速性要求更苛刻：從慢車向中等推力狀態過渡要在4秒鐘內完成，而不是岸基飛機通常要求的5秒鐘。 在F404研製之際，PW為美國空軍研製的F100-PW-100因過度強調性能而忽視可靠性和維修性，在使用中屢出事故：據二等人統計，到1979年4月，1100臺F100發動機積累的25萬個發動機小時中出現了547次喘振失速，嚴重影響了作戰和使用。所以，美國海軍在F404發展計劃的重點要求就是改善發動機耐久性，並通過改進可靠性和維護性大大提升機群的戰備完好率。一等人對F404諸多要求按照優先級從高到低排列如下： 作戰適用性>可靠性>維護性>成本>性能>重量 可見，有二等人在前面壯烈挖坑和填坑，一等人對發動機的適用性看得最重，可靠性次之。而之前很重視的推重比之類的數據排到了最後，其重要性甚至還不如控制成本。 在結構設計選材方面，F404力求簡單：低壓風扇和壓氣機第一二級這些冷端部件儘量選用比強度較高的鈦合金，高溫高壓區則大多選用高溫臺金INCO718，HastalloyX、Rene125和Rene80。 ...F404剖視圖 高壓區的封嚴採用封嚴盤式篦齒封嚴結構，這不僅可以提高封嚴效率，同時也能最大限度地減少封嚴處磨損。 風扇是3級可調靜子和盤-鼓-軸式簡支轉子結構，再配上風扇進口承力框結構，加強了風扇的結構強度、剛性，也比較能扛住外物打傷。風扇盤緣的凸塊還設計了減重盲孔，以減少風扇轉子輪緣的離心載荷。 高壓壓氣機採用了整體式轉子和環向燕尾形榫槽結構，這樣可以減小轉子應力集中，提高輪緣的承載能力和延長結構壽命。 外涵殼體採用類似飛機機身的半硬殼式結構，這招對於減重、抗振和抗外壓失穩都有效果，可謂一舉多得。 必須指出，F404是首次按照美國軍標MIL-E-5007D要求研製的軍用發動機。1969年二等人針對GE正在為其B1戰略轟炸機研製的F101渦扇發動機制定了渦輪發動機結構完整性大綱(ENSIP)。這是一項以大大提高使用期結構耐久性、確保發動機結構安全、降低壽命期費用為目標進行燃氣渦輪發動機結構設計、分折、研製、生產和壽命管理的方法。要知道，這份大綱在現代軍用發動機發展史上具有里程碑意義，其它國家後來基本都沿襲了這份大綱來指導自己的發動機研製工作。MIL-E-5007D雖然由一等人制定，但其中的大部分結構設計和試驗要求都是從這個大綱演變而來的。F404的規範是按一等人要求，對MIL-E-5007D中的一些具體要求進行了裁剪後，經GE和一等人多次協商制定的。其實有些項目是降低了MIL-E-5007D的要求，但也沒有影響F404的質量。 ...F404成品 鑒於研製F404時，PW毛病百出的F100已經用在二等人的F15A上，一等人對F15A"車間皇后"雅號已經有所耳聞。因此，在F404的研製上，一等人為了避免重蹈F100著急趕工大量取消試驗導致最終跑冒漏滴的覆轍，根據MIL-E-5007D的要求，對發動機試驗極為重視。 為此，GE為F404的地面和飛行試驗建立了比之前更科學的預測飛行任務剖面和使用要求。除了試飛前合格試車和型號合格試車外，還在部件和整機上進行了1300小時的低周疲勞試驗。這是一種循環耐久試驗，循環至少包含啟動、加速到慢車、慢車運轉、加速到最大狀態、減速和關車組成。對熱端部件，GE進行了2000個循環試驗，對冷端部件則是4000個循環。另外，在兩年間，還進行了三次750小時的模擬任務耐久試車（SMET）。這種試車主要是用以評估實際飛行任務剖面的使用效果。實際剖面以海軍提供的9種飛行任務剖面說明書為基礎形成，包括了大約79000次油門變化。其中第三次SMET是用一臺剛組裝完畢的生產型發動機進行的。 另外，GE還進行了加速任務試車（AMT），以便更充分地評價耐久性。據稱1200小時的AMT相當於約4000小時的SMET。其目的是更迅速地評價受熱力循環和最大狀態持續時間影響的部件。 ...F404正在試車 據統計，從F/A18首次飛行的1978年11月到1981年服役，用了11架F/A18飛行了4000小時（8000個發動機小時）。其中1500小時專門針對發動機。 F404紮實的可靠性設計與試驗帶來了豐碩的成果：喘振裕度達到25%， 這樣大的裕度在戰鬥機的飛行包線內已經可以實現無憂操作。與GE之前研製的同一推力級的著名渦噴發動機J79（F-4"鬼怪"戰鬥機動力）相比較，F404壓氣機和渦輪級共減少8級，推重比從4.6提高到7.4，零部件數量減少7700個，下降三分之一，而可靠性為J79的4倍左右。其平均無故障時間的指標是57小時，而實際外場保障的統計值達到84小時。堪稱最為可靠的第三代軍用航空發動機。 問題 F/A 18於1978年11月首飛到1986年初，F404發動機已累計安全飛行達100萬小時。但是，即便如此，F404也一樣遭遇過重大故障。 ...著艦中的F/A18C 1987年11月美國五角大樓宣布,在1987年一年內,美國海軍損失的9架F/A18戰鬥/攻擊機中,有4架是由於F404發動機鈦著火造成的。 由於F404發動機的高壓壓氣機前幾級轉子和機匣均採用鈦合金製造,當發動機長期工作以後,壓氣機葉片受到外來物的沖刷磨蝕,葉型發生了變化,改變了它原有的自然振動頻率,在發動機某些工況下,引發第1、3級轉子葉片折斷。 折斷後的斷片卡在轉子葉尖與機匣之間,隨著轉子旋轉而在機匣內摩擦,產生大量的摩擦熱,引起鈦合金自燃著火。著火後,很快將葉片燒壞,機匣燒穿。火焰繼續外竄,燒穿外涵的鈦合金機匣及發動機短艙,燒壞飛機其他系統的設備,最終導致飛機失事。這是典型的由於選材不當引發的事故。F404的高壓壓氣機前幾級工作葉片與機匣均採用了鈦合金，內涵道流路中的空氣溫度、壓力分別達到300 ℃及0.35 MPa以上，在這種條件下,一旦工作葉片或其斷片與機匣相碰磨時,極易引起鈦機匣著火,且火勢發展極快。 F404著火事故發生後，GE採取了一系列措施。首先對轉子葉片加強和調頻。GE修改了第1、3級轉子葉片的設計，並將可調靜子的操縱臂調整，避免在使用時間很長以後出現共振導致葉片振裂。另外，作為臨時措施，在鈦合金外涵機匣內加一特種氟橡膠襯套以防火焰燒穿機匣。不過，制本的辦法是把鈦制壓氣機機匣改用 M152合金鋼。但是這樣一來重量就上去了，所以又採取另一措施減重，辦法就是把外涵機匣由鈦合金改為 PMR-15複合材料。PMR-15是一等人資助下花了好幾年時間才發展出來的，防火能力很好。改了新材料後,發動機重量僅增加了0.454kg。這樣，才最終解決了鈦火問題。與F404核心機結構相同的 CFM56 發動機後來也將高壓壓氣機機匣的材料由鈦合金改為 M152合金鋼。 ...維護F404 評價 F404/YJ101的研製過程體現了嚴謹科學的工作態度，造就了可靠性與可維護性空前的一代名機。由於卓有成效地運用了發動機結構完整性大綱作為研製工程的指導，研製團隊在性能與適用性之間做出了正確的選擇與合理的折中。在YJ101的研製中，GE的團隊就已經比較均衡地全面考慮了性能、成本與成熟度。在後續的開發過程中，美國海軍堅持落實軍標MIL-E-5007D的思想進一步鞏固與擴大了F404在適用性與可靠性方面的優勢，這才造就了F404後來在運行維護過程中的驚人記錄。但是，即便如此，在一百萬飛行小時後，F404也仍舊經歷了壓氣機鈦合金機匣起火的重大挫折。充分說明現代航空發動機的研製與改進是一個漫長而艱難的過程，唯有長期持續地投入研究力量與資金，不懈地探索相關技術與理論才能保持發動機產品的高質量。

 

 

 

 

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