美國大推力航空發動機與重型戰鬥機的平台分析

毋庸置疑，經過近年來多次高強度局部戰爭的證明，航空兵已經成為現代戰爭最重要的作戰兵種。由空軍航空兵，海軍航空兵和陸軍航空兵組成的空中作戰力量承擔著戰爭中全部的遠程打擊任務、大部分戰術火力支援任務以及各種輔助作戰任務。航空兵要執行的戰術任務主要有：防空作戰，空中優勢，護航任務，遠程精確對地對海打擊，中近距離火力支援以及配合友軍進行聯合作戰等等。為了能夠在複雜作戰環境下生存並達成作戰目的，現代航空兵戰術體係需要先進可靠的作戰飛機合理構建。不同種類的作戰飛機性能要能夠滿足上述作戰任務的要求，比如具備在複雜地理和電磁環境下生存的能力，遠距離飛行和機動能力，具有滿足要求的長滯空時間。這些能力都需要在現代機載雷達，導航設備，電子對抗設備和動力設備的合理綜合應用基礎上實現，而托舉整個航空作戰飛機平台的就是現代航空發動機。在現代戰鬥機設計中，首先要確定的就是發動機的推力級別、推力曲線特性和推重比，因為發動機的性能決定了戰鬥機的設計概念和性能用途。航空發動機的研製裝備和性能指標關係到國家安全和領土完整。沒有合適的發動機型號通常都會對戰鬥機設計和裝備產生致命性的影響，從而導致整個空軍的戰術體係不完整和效能低下。航空發動機的性能和航空動力產業的實力決定了一個國家自主建設航空兵戰術體係的能力。

在現代航空兵戰術體係中，通常主要有兩個級別的作戰平台：中型作戰飛機和重型作戰飛機。輕型作戰飛機雖然具備成本和技術門檻較低，研發周期短等優點，但是由於其作戰綜合能力較為低下，通常作戰能力非常單一，目前並沒有在較大規模的航空戰術體係中找到合適的位置，一般隻存在於較小規模的航空兵體係中作為低成本補充力量。隨著航空技術的發展，中型戰鬥機逐漸可以滿足了多用途性能要求，比如美國的F16、F18、俄羅斯的米格29、法國的“陣風”、歐洲多國聯合研製的“台風”戰鬥機和我國的殲十都是性能完善可執行多種作戰任務的航空兵器。一般中型戰鬥機在航空兵戰術體係中的位置是作為重型空優戰鬥機的搭配機型執行空優任務或者為友軍提供中近距離的對地對海火力支援。在一些缺乏重型空優戰鬥機或者重型戰鬥轟炸機國家和組織的航空兵體係，中型戰鬥機也證明了自己具備主力作戰機型的能力。歐洲今後的航空兵戰術體係已經沒有了重型戰鬥機的位置，基本所有的主力作戰任務都由中型戰鬥機去完成。由於日本的F15J缺乏完善的對地對海打擊能力，其研製的F2中型戰鬥機也挑起了以往由重型戰鬥機承擔的遠距離精確對地對海打擊任務的重擔。以色列也從美國引進了F16I中型戰鬥機作為未來航空兵戰術體係的遠程打擊力量。由於中型戰鬥機具備高效、低成本、完善的作戰性能和合理重量體積特性，現代海軍航空兵尤其是艦載機部隊的主力也通常是中型戰鬥機。目前，除了俄羅斯采用重型艦載機平台以外，基本所有的大中型航空母艦都使用中型艦載機作為主要打擊力量。

法國的陣風中型艦載機，目前，除了俄羅斯采用重型艦載機平台以外，基本所有的大中型航空母艦都使用中型艦載機作為主要打擊力量。
擁有大推力渦扇發動機可以賦予一個國家裝備重型戰鬥機的實力。重型戰鬥機在爭奪空優，遠程打擊時相比於中型和輕型戰鬥機有著巨大的先天優勢。尤其是其航程載荷實力，能夠讓重型戰鬥機在掛載較多數量的空空/空地武器的情況下進行遠距離空中優勢爭奪或者進行遠程精確打擊。重型戰鬥機平台改進出來的雙重任務戰鬥轟炸機更是大國利器。蘇30MKK和F15E這種遠程精確打擊型號可以說是一個國家空軍實力和威望的象征。其中蘇30MKK光是內油就有12噸，載彈量超過了12噸，其油量和載彈量甚至比某些中型戰鬥機整個飛機都重。在我國廣州軍區進行的遠程威懾演練中，由蘇27和蘇30組成的遠程打擊機群奔襲1100多公裏，有效的威懾了南海鄰國，使之在覬覦我國豐富的海洋資源之時，難忘龐大的三代打擊機群飛臨本國領空線時的膽寒。這樣巨大的航程載荷能力自然可以讓重型平台成為保衛祖國讓侵略者不敢妄動的鎮國之寶。

美國的空軍戰術航空兵體係中的重要機型基本上是由兩個主要的大推力發動機型號係列支撐起來的-F110係列、和F100係列。F100發動機是普惠公司研製的在世界上最早應用的推重比為8一級的小涵道比加力式渦扇發動機。上世紀60年代末70年代初，美國普惠公司為準備用於下一個25年的空中優勢戰鬥機F-15發展了新一代的高性能發動機，即F100發動機。為滿足第三代雙發重型戰鬥的性能要求，發動機推重比需達到8一級。為此，普惠公司將提高發動機性能即推重比作為重點予以保證，也即以提高發動機性能為F100研製的指導思想。在F100的研製、發展中，盡量控製發動機重量而不影響性能，最終達到了目的，使F100成為第一種投入使用的推重比為8一級的發動機。當F100的第1個、用於F15的生產型F100-PW-100轉人批產並開始裝備美國空軍時，與當時其他發動機相比，性能有明顯的改進，特別是其跨聲/超聲條件下的性能有顯著的提高。按照西方標準，俄羅斯和我國都還未研製出推重比實質上達到8的軍用大推力渦輪風扇發動機。

用於F-15戰鬥機的F100-PW-100發動機的起飛推力為106.13 kN。按照今天的標準，F100-PW-100發動機的加力推力其實剛剛達到第三代大推力渦扇發動機的最低標準，但是在F100-PW-100發動機正式裝備的年代，超過10噸的加力推力可以說是世界各國戰鬥機發動機中最強悍的推力。F-15於1974年11月開始裝備美國空軍，與F100-PW-100型推力相等的F100-PW-200型用於F-16戰鬥機，F-16於1978年底開始裝備美國空軍。F100的性能的確不錯，但它的可靠性與耐久性卻未能與性能的提高相匹配，F-15戰鬥機裝備部隊後，在使用中基露出發動機有許多影響可靠性的嚴重問題。例如壓氣機失速.大量渦輪葉片超溫、燒傷等，曾使大批F-15戰鬥機趴窩不能起飛，成為困擾美國空軍的最棘手問題之一，使美國空軍不得不讓GE公司利用用於B-1轟炸機的F101發動機的核心機，發展一種適用於F-15， F-16的發動機，即F110發動機型號係列，形成了由兩家發動機公司同時為F-15和F- 16提供不同型號發動機的競爭局麵，一直沿用至今。

美國另外一個三代大推力航空發動機型號係列是經典的後起之秀F110係列。F110是美國通用電氣公司從轟炸機用的F101改型而來的戰鬥機用的加力式渦扇發動機。美國卡特政府決定停止B-1A/F101-GE-100計劃和美國第一線戰鬥機用的TF30和F100發動機存在大量耐久性、可靠性和操縱性問題，是促使通用電氣公司作這一改型工作的主要原因。該公司在1976年就自籌資金製造了一台F101X驗證機，其熱力參數與F100發動機的相似，與原來的F101-GE-100相比，減小了涵道比，提高了增壓比。

隨著軍方對戰鬥機的戰備狀態和全壽命期費用的關心日益增強，美國空軍實施了改型戰鬥機發動機計劃，並與通用電氣公司簽訂一項有限的研製合同，價值8000萬美元，包括3台原型機，編號為F101DFE。這項研製計劃的目標是：
(1)鑒定F-16和F-14飛機/發動機在實際飛機中的匹配能力，包括性能和作戰適用性；
(2)通過加速任務試驗確定發動機的耐久性；
(3)根據驗證的能力，提出生產型發動機的型號規範。
如果計劃成功，那麽將提供足夠的數據，以使進入全麵工程研製階段的風險減到最小。

經過1980年和1981年兩年的廣泛試驗，達到或部分超過了預期的目標。在F-16飛機上的試飛結果證明，F101DFE無需作重大改進就可以裝在這種飛機上使用。在F-14飛機上的試飛結果表明，飛機的留空時間和作戰半徑都比裝原來TF30發動機的增加25%。在試飛中，發動機無需調整，並且油門杆的使用不受限製。在1982年12月的一次試驗中，完成了5004個總累積循環(TAC)，其熱端部件壽命為當時新采購的F100發動機的三倍。
基於上述結果，通用電氣公司又得到了一項在空軍替換戰鬥機發動機計劃下的全麵研製合同，價值9300萬美元，為期兩年，發動機正式編號為F110，與普拉特·惠特尼公司F100發動機的改進型競爭用於新生產的F-15和F-16戰鬥機。這項全麵研製計劃的重點是實現係統最佳化，確定供F-15、F-16和F-14用的F110發動機的最終構型，並繼續進行高空模擬試驗、加速任務試驗和各種環境試驗。F110發動機已於1985年初定型投產並開始交付。

以上兩個型號的大推力渦扇發動機可以說是美國戰術航空兵能夠橫行無阻全球打擊的動力支柱。F15、F16以及它們的改進型飛機構建起美國戰術航空兵的主要體係。可以說沒有大推力渦扇發動機，就沒有現今稱霸全球的美國空軍。要想研製裝備重型戰鬥機，必須選用加力推力在10噸以上的大推力發動機。因為重型戰鬥機的空重通常都在10噸以上，標準起飛重量在20噸以上，最大起飛重量甚至能夠達到40噸。加力推力通常隻有7-8噸左右的中等推力發動機基本無法滿足重型戰鬥機所需的能量要求。大推力發動機賦予重型戰鬥機不僅僅是紙麵上的推力數據更是實實在在的作戰效能。在中距離空戰時，中距空空導彈的射界通常都與載機發射導彈時的初速度有關，載機初速越高導彈有效射程越大。中距作戰時，雙方飛機都會爭搶優勢戰術位置然後加速，盡力增加導彈的有效射程。重型戰鬥機的雙大推力發動機方案設計可以賦予其強大的加速性能，在更短的時間內將飛機推至更高的速度，從而大大加強了重型作戰飛機的中距空優能力。在國土防空作戰中，擁有更強能量優勢的重型戰鬥機可以更快的爬升至作戰高度對入侵的轟炸機和戰鬥機進行攔截，這大大縮短了國土防空預警時間，搶占了戰術優勢位置，能夠更有效的打擊來犯之敵。

適合的大推力航空發動機型號有無和性能更是對我國航空兵戰術體係建設產生重大影響。目前除了裝備太行發動機的少量殲十一B戰鬥機使用國產大推力動力係統以外，殲十戰鬥機，我國進口的蘇27係列戰鬥機、蘇30MKK1/2和我國自主生產的殲十一A戰鬥機全部使用的是從俄羅斯進口的大推力發動機AL31係列。也就是說我國的遠程打擊力量和主要空優實力都建立在國外發動機基礎之上。我國的太行發動機於2005年設計定型後開始小批量裝備部隊，於2008年開始大批量生產。期間，太行發動機出現了大量可靠性、維護性和壽命問題，致使太行發動機至今僅僅部分裝備了殲十一係列戰鬥機，並且完全沒有裝備殲十係列戰鬥機。上文已經提到，美國研製F100發動機時也遇到了類似問題，以至於後來美國不得不再開發出一款類似的大推力發動機F110來彌補F100的性能缺憾。後來隨著F100飛行小時數的積累，美國逐漸掌握了三代大推力發動機的使用和改進方法。F100的第二個改型F100-PW-220就是這種努力的結果。雖然F100-PW-220略微犧牲了性能但是成就了其性能、可靠性、耐久性和維護性“四性完善”的綜合實力。太行發動機近幾年也在不斷改進設計瑕疵，糾正生產中不符合現代航空工業規範的不足。相信經過幾年的成熟期，太行發動機能夠大量裝備殲十和殲十一戰鬥機。從此，我國的遠程打擊力量，尤其是重型戰鬥機可以完全擺脫國外動力係統，走上獨立自主發展的康莊大道。