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研制航空发动机从没一帆风顺 美国吃的亏比全球都多

研制航空发动机从没一帆风顺 美国吃的亏比全球都多
2019年11月07日 08:32 新浪极速排列3
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  众所周知,航空发动机研制生产是一个高度复杂的系统工程,即使是实力最强大的美国公司,其研制的航空发动机也会经常发生重大故障。众所周知,美国普拉特·惠特尼集团公司(简称普·惠公司)研制的F135发动机(F35战斗机动力)是目前世界上技术最先进,推力最大的战斗机用航空发动机之一,它在成熟的F119核心机(F22战斗机动力)基础上开发而来,截至2019年10月,F135发动机产量已经突破500台。

  2018年3月,F135最新增推版本的最大加力推力已达到了204kN(20.8吨),一台发动机的推力已经超过我国“飞豹”重型战斗机(最大起飞重量达34.5吨)所用的两台“秦岭”涡扇9发动机推力的总和(2X10吨),其性能远远领先于其他同类型的军用战斗机发动机。然而,F135发动机在使用和测试过程中,也相继曝出了一系列重大质量问题,某些故障甚至受到了美国军方和政府方面的严厉指责。由于F135发动机的具体细节还处于高度保密之中,因此本文仅仅通过公开发布的相关资料,对F135发生的重大故障及相关处理情况作一总结。

  为了节省昂贵研发和使用经费,美国最新的F-35隐身战斗机采用了族系发展、单发布局的方案,共包括常规地面起降型(CTOL)F-35A、海上固定翼航母舰载型(CV)F-35C和短距起飞/垂直降落型(STOVL)F-35B这3种不同子型号。与这三种战斗机型号相匹配,F135发动机也有3个不同的亚型号:F135-PW-100为F-35A空军型的动力装置;F135-PW-400为F-35C美国海军航母舰载型的动力装置;而由英国罗尔斯-罗伊斯公司和普·惠公司共同研制的F135-PW-600则为美国海军陆战队拥有的F-35B这种短距起飞/垂直降落型提供动力。

  从公开披露的故障数量上看,短距起飞/垂直降落的F135-PW-600发生的重大故障最多。2004年6月,F135-PW-600试验中发现第二级涡轮导向叶片发生了较为严重的腐蚀问题,为此重新更换了新型的耐高温腐蚀涂层材料;2007年6 月,F135-PW-600型发动机在进行升力风扇极限试验时发动机发生损坏,升力风扇传动轴断裂脱落并打伤了发动机叶片;2008年2月4日,F135-PW-600又发生了涡轮叶片高周疲劳破坏故障。2011财年,美国国防部披露F135-PW-600升力风扇的关键零部件:传动轴存在重大问题,其重新设计的传动轴没有通过严格的试验考核,仍然需要再次重新设计。升力风扇的离合器以及滚转控制喷管在工作中也存在严重过热问题。

  虽然美军和普·惠公司最终都声称已解决上述问题,但2018 年9月28日, 一架F-35B型短距起飞/垂直降落战斗机在美国南卡罗来纳州进行训练飞行时坠毁,飞行员成功逃生,美军不得不下令所有的F-35战机暂时停飞以进行检查。虽然美军最终宣称这一事故的原因归咎于发动机燃油管制造缺陷,但从上面披露的这些故障现象上看,由于短距起飞/垂直降落型发动机工作环境极为苛刻,本来已工作在高温、高热、高转速环境下的航空发动机热端低压涡轮部件还需要额外驱动大推力的升力风扇(悬停时主发动机提供向下推力约8.47吨,升力风扇提供向下推力约8.47吨,滚转控制喷管提供向下推力约1.49吨),发动机热端和升力风扇极易发生故障,即使是西方国家两个最强的航空发动机厂商联手进行“强强组合”,也无法避免重大故障一再发生,实际上美国研制航空发动机出现的问题比全世界加起来的总和都多。

  这是否意味着主发动机/升力风扇方案的发展路线是否有误,而俄罗斯采用的主发动机和两台升力发动机相互独立的方案才是正确选择呢?虽然俄罗斯的短距起飞/垂直降落发动机方案重量较重,但两者发生故障时可互不影响,很值得我国的科研人员借鉴和思考。随着短距起飞/垂直降落型(STOVL)F-35B即将大规模投入使用,其升力风扇构型的航空发动机短/垂方案实际使用效果值得让人拭目以待。

  F135-PW-100和F135-PW-400由于没有让人烦恼的升力风扇问题,在研制和测试阶段发生的重大故障较少,但在投入实际使用中也发生了一些重大故障。2013年2月,美国爱德华兹空军基地一架F35A战斗机的F135-PW-100发动机涡轮叶片发现了约1.5厘米长的裂纹。由于航空发动机叶片断裂破坏力惊人,甚至会引发发动机爆炸,一度引发了当时全部F-35战斗机的停飞。2014 年6月,美国恩格林空军基地一架供空军使用的F-35A常规起降型战斗机在准备起飞时舱尾突然起火,飞行员随即关闭发动机从机舱逃出,造成飞机严重损毁。起火消息传出后,美军第二次决定停飞所有F-35型战斗机。

  事故调查结果表明,该起火事故由F135发动机整体叶盘第三级风扇叶片碰磨所致,3个星期前该飞机在一次机动飞行后中转静子发生故障,产生碰摩。碰摩产生的高温导致转子叶片出现了微裂纹,在三个星期后的飞机起飞时裂纹导致故障范围继续扩大,最终使发动机燃烧起火。从这些故障可知,即使是航空发动机技术最为领先的美、英等国,很多问题和故障也无法通过事先分析或仿真预料得到,只有在试验以及实际使用中不断暴露问题并逐步完善产品。我国的航空发动机技术与美、英两国相比,显得更为薄弱,一旦发生航空发动机故障更要坚定信心,不要因为出了问题就抱怨这,抱怨那,别人也是从一次次失败中走过来的,问题一个一个的解决,从失败中不断汲取经验教训,才能最终成为军用发动机的“王者”,而且从实力、能力、向心力、财力等等方面考虑,我们也要对自己有信心,因为这个星球上只有我们可以追得上世界第一。(作者署名:小鹰说科技)

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