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F-35发动机即将迎来换代:GE变循环发动机能否一雪前耻?

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日前,美国国防部相关人士表示,计划在未来6至12个月内升级目前F-35所配备的F-135发动机,或者启动新一轮的换发竞争。

这意味着未来一年内,美国两大航发巨头GE(通用电气)和普惠很可能会针对F-35的Block 4升级项目,就F-35发动机合同开展第二次竞争——当然,前提是美国空军和F-35联合项目办公室愿意为此支付足够的资金。


这一轮竞争的启动背景在于:随着F-35战斗机的升级计划不断推进,其所配备的F-135发动机在性能上已经无法满足未来的需要:更大的推力,更低的油耗,对机载设备热管理的更大功率支持......

没有这些性能的提升,F-35就无法在保持现有机体设计不变的情况下,实现作战半径、武器携带能力的提升,也不能使新型机载电子设备的技术进步得以完全发挥性能


F-135发动机

对于GE公司来说,这一次机遇可能有着特别重要的意义——在五代机的大推力军用发动机竞争中,GE寄予厚望的变循环技术路线型号已经连续在F-22和F-35的发动机竞争中两次输给了普惠。如果这次GE能赢下合同,毫不夸张的说,绝对算是一雪前耻、扬眉吐气了。

优越性能与高可靠性,孰优孰劣?GE与普惠路径分明

从目前公开的信息看,GE参与竞争的发动机将是XA100变循环发动机,而普惠的方案则是基于F-135发动机的性能升级型号。

这决定了两家公司在竞争中完全不同的基调:GE更强调新原理发动机性能上的优越前景,而普惠公司更强调型号升级带来的低风险、高可靠和后勤维护上的成本优势。

从实用的角度比较,普惠公司的竞争优势非常直观且易于理解,GE在这一方面不仅有所不及,而且现阶段还存在一个很明显的竞争劣势:从安装兼容性上来说,XA100发动机目前只支持F-35A/C两种常规起降机型。



F-35B动力系统示意图:围绕机体重心需要形成4个推力“支点”,才能确保飞机垂直降落时的平衡和操纵。

在F-35家族中,F-35B是垂直降落机型,其完整的动力系统除了发动机本身差异(95度偏转喷管)外,还包括升力风扇等外围结构。这也意味着,F-35B是整个F-35家族中,作战性能变化对发动机推力/油耗最敏感的型号,其次是F-35C,最后才是F-35A。

从这一角度来说,如果装备GE的新发动机,最为急需提升性能的F-35B将在最后才能得到性能提升,比起F-35A/C,换发延期可能会达数年之久。

如果采用普惠公司的F-135升级方案,则不存在这一问题。

除了换发进度上的优势外,普惠还宣称,F-135发动机的升级型号在成本上和基本型将保持一致,“加量不加价”;而且给出了一个对军方而言极具诱惑力的目标数字——如果采用普惠的换发方案,在整个生命周期内,这一升级型号有可能总计减少约400亿美元的维护成本。

对于普惠在F-35发动机上的路径优势GE心知肚明。也因此,GE着重强调了XA100在以下两个方面的竞争优势:


测试中的XA100发动机

性能更强大

首先,XA100能提供更强大的性能指标。

GE宣称,XA100的燃烧效率提升了25%,这使得其推力增加幅度可达10%至20%,并使F-35的航程增大了30%。与之相比,普惠升级方案的推力和航程改善都只有10%。

具备远景优势

其次,基于现有传统构型发动机的渐进改革,在性能潜力上终究是有限的。

如果跳出未来5至10年的短期,将视野放远到未来30至40年,XA100所采用的变循环架构设计将依然保留良好的竞争优势——实际上它本来就是美国空军未来动力研究项目(AEPT自适应发动机过渡计划)的产物。

距离成熟还有多久?变循环发动机的最大问题

需要特别说明的是,普惠也同样在研发名为XA101的变循环发动机,它和XA100是同一个计划的产物。


测试中的XA101发动机

面对潜在的竞争,普惠已经做了两手准备——如果最终美军决定要以性能为重,那么普惠也将推出以XA101发动机为核心的方案。但是从工程经验的积累和目前型号的进度上来看,普惠目前在变循环发动机上的研发进度要明显落后于GE,这是它更倾向于用F-135升级方案进行竞争的重要原因。

从这一点来看,无论是美国军方还是两大航发供应商,对于变循环发动机的先进性都没有争议:它到底有什么难以取代的优势?

在全球进入超声速飞行时代以后,发动机设计师一直面临着一个两难的困境:飞机在不同的速度下飞行,对发动机喷流的需求完全不一样。

比如对于亚声速飞行的飞机来说,最有效的发动机设计思路是在燃烧同样多的燃油的情况下,降低喷流的速度(350至450米/秒)、将燃油能量尽可能用于增大喷流的质量,这样能获得更大的推力;但是对于追求超声速性能的飞机来说,喷流速度就要尽量高一些,最好能达到550至600米/秒以上。


F-22之所以航程性能不好,F-119发动机在亚声速下的高油耗是“罪魁祸首”之一

在五代机的研制过程中,超声速巡航功能要求战斗机在不开加力的情况下,也能维持马赫数1.4至1.7的飞行。这实际上意味着,在不开加力的情况下,五代机发动机在超声速状态下的推重比要比三代机发动机大一倍以上——这样的矛盾在五代机发动机上激化到了空前的程度。

要能够较好地解决这种矛盾,就要使发动机具备尽可能多的调节功能,能用各种不同的热力循环设计去适应不同的飞行状态——即所谓的变循环设计。

这种变循环甚至是可以完全改变发动机工作原理的:



法国鹰狮-2飞机

比如人类历史上首款变循环的喷气式动力设计出现在法国的鹰狮-2验证机上。它采用了涡喷/冲压组合动力:发动机在低速下以涡喷模式工作,高速下以冲压模式工作。美国的“黑鸟”其实是它的“学生”——这是一个体现变循环发动机强悍力量的最佳案例。


在战斗机发动机上,变循环设计主要是通过涵道比、压比等参数的改变,来更好地协调亚声速下的油耗/推力与高速推力之间的矛盾。


XA100发动机


XA100发动机采用了特殊的三涵道设计,比传统涡扇发动机的设计要复杂得多。

问题在于,这些参数的改变,既意味着发动机工作状态的急剧复杂化,同时又需要复杂的活门等调节机构和其他额外结构来实现——这都使得发动机会变得更复杂、更不可靠——GE的YF-120、YF-136都是因此输掉了竞争。

早在2012年,美军就分别与GE和普惠签订合同,启动先进变循环发动机的研制,并预计在2020年左右使相关技术达到实用状态;而如今,真正需要美军方体现对变循环发动机的信心的时刻到来了——

XA100能否在F-35发动机升级的竞争中打败传统路线的F-135升级版,不仅体现了现阶段变循环发动机是否已经足够完善可靠、经得起实际使用的验证,更体现了美军方对变循环发动机研制现状的认可。

对于GE与普惠新一轮竞争的结果,值得期待。

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