（轉(zhuǎn)載請注明出處）最近，殲10C換裝最新國產(chǎn)渦扇發(fā)動機的照片現(xiàn)身網(wǎng)絡(luò)，可喜可賀，這說明國產(chǎn)渦扇發(fā)動機在可靠性方面已經(jīng)能夠滿足單發(fā)第三

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最近，殲10C換裝最新國產(chǎn)渦扇發(fā)動機的照片現(xiàn)身網(wǎng)絡(luò)，可喜可賀，這說明國產(chǎn)渦扇發(fā)動機在可靠性方面已經(jīng)能夠滿足單發(fā)第三代戰(zhàn)斗機的要求，對于中國的航空發(fā)動機行業(yè)來講是一個重要的里程碑。借此良機，也蹭蹭熱度，嘮嘮它的一個遠親，通用電氣（GE）F404渦扇發(fā)動機的故事。

源頭

F404的前身是GE在70年代初開始發(fā)展的YJ101渦扇發(fā)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年代后期，受“重導(dǎo)彈輕飛機”高層決策思想和“渦輪發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)成熟，已經(jīng)沒有多少事情可做”論調(diào)的影響，美國軍方不重視戰(zhàn)斗機/發(fā)動機的技術(shù)研究和產(chǎn)品研制工作，其技術(shù)水平和產(chǎn)品發(fā)展速度明顯落后于前蘇聯(lián)。

不過沒多久，美國國防部和空軍便意識到自己在犯傻：發(fā)動機研制時間比戰(zhàn)斗機的要長得多，如果想實現(xiàn)戰(zhàn)斗機與發(fā)動機同步使用，就必須提前著手研究發(fā)動機技術(shù)，為此美國于1959年開始投資實施輕量級燃氣發(fā)生器（LWGG）研究計劃，1963年投資實施先進渦輪發(fā)動機燃氣發(fā)生器（ATEGG）研究計劃，1967年實施飛機推進系統(tǒng)集成（APSI）計劃。正是在這些計劃推動下普惠（PW）和GE開發(fā)和驗證了一系列核心機及發(fā)動機驗證機，為20世紀70、80年代的F100、F404、F101等發(fā)動機的研制成功打下了堅實的基礎(chǔ)。

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(gòu)成的原型噴氣系統(tǒng)。一套完整的發(fā)動機系統(tǒng)沒有核心機是肯定玩不轉(zhuǎn)的，而去掉其它部件比如風(fēng)扇、加力燃燒室什么的仍舊可以作為發(fā)動機來使用。核心機的性能直接決定了發(fā)動機的性能。所以，核心機是現(xiàn)代噴氣發(fā)動機的關(guān)鍵。

單說GE，該公司在1961年研究了海軍艦載戰(zhàn)斗機的要求和對其它9種可能發(fā)展的軍用飛機綜合考慮后，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(zhuǎn)速13000r/min，在這個基礎(chǔ)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(shè)計了第四個方案GE1／10，在同樣的壓比下，級數(shù)減少了一半，燃燒長度縮短了40％，渦輪前燃氣溫度提高了400K。后來又誕生了第五個方案GE9。F101渦扇發(fā)動機的核心機便是源于GE9，之后又F101的核心機又用于CFM56發(fā)動機，這就和最近的國產(chǎn)渦扇發(fā)動機有了淵源了。

也是天緣湊巧，60年代中期諾斯羅普正在基于F5E開發(fā)新的輕型戰(zhàn)斗機N300，希望老伙計能提供J85，GE研究了一番，提議采用推力更大的新發(fā)動機，諾斯羅普欣然采納。后來N300演化為P530，又繼續(xù)演化為P600。發(fā)動機型號也從GE15變?yōu)閅J101。

前身

YJ101采用了GE9核心機。在設(shè)計YJ101時，GE給它確定的目標是：

• 工作循環(huán)合適，使性能、推重比、采購和使用成本及風(fēng)險相互均衡。
• 發(fā)動機在主要作戰(zhàn)區(qū)域安裝性能最佳。
• 包線內(nèi)無失速喘振，特別是在劇烈機動時。
• 包線內(nèi)能加力點火和工作
• 結(jié)構(gòu)便于安裝和維護
• 采購和全壽命期費用低

可以看出，GE在YJ101的發(fā)展過程中并沒有單純追求性能上的亮麗數(shù)字，而是希望能盡可能照顧到性能、可維護性、可靠性、使用成本等諸多指標，這為后來F404的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

在設(shè)計原則上，GE為減少計劃的風(fēng)險采取了一些指導(dǎo)原則，包括采用的新技術(shù)必須是經(jīng)過驗證的，性能要與合理的費用協(xié)調(diào)一致。某些情況下為了保持發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單就不可避免地要降低性能。考慮到高空高速飛行，所以后來選擇的工作方式還是小涵道比渦扇發(fā)動機，更接近于渦噴發(fā)動機，這很有利于戰(zhàn)斗機的加力起飛和作戰(zhàn)。因為根據(jù)越南空戰(zhàn)的經(jīng)驗大量戰(zhàn)斗是在亞音速區(qū)進行的，所以YJ101是按照亞音速空戰(zhàn)的最大推力狀態(tài)優(yōu)化的。在耗油率上就進行了折中：即犧牲一部分巡航耗油率，使格斗狀態(tài)的耗油率低一點。

YJ101包括3級風(fēng)扇、7級高壓壓氣機、環(huán)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(qū)動風(fēng)扇，高壓壓氣機由高壓渦輪驅(qū)動。加力燃燒室是簡單的單級結(jié)構(gòu)。噴管是面積可變的收斂擴散噴管。發(fā)動機控制系統(tǒng)是常規(guī)的液壓機械系統(tǒng)，有電氣調(diào)整機構(gòu)。

因為核心機已經(jīng)有現(xiàn)成的了，YJ101只要確定風(fēng)扇和低壓渦輪的參數(shù)即可，但這也直接影響發(fā)動機成本及重量。GE選擇了比較激進的3級風(fēng)扇，這可以大大降低重量和費用，但要冒一定的技術(shù)風(fēng)險。而在設(shè)計驅(qū)動風(fēng)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(fā)動機結(jié)構(gòu)，降低了費用。

YJ101于1970年開始研制，1971年美國空軍決定支持該計劃。轉(zhuǎn)過年來，雙喜臨門：YJ101于年初完成樣機，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(zhàn)斗機計劃（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(fā)展中心（AEDC）的高空臺進行鑒定。總計使用了4臺發(fā)動機和一臺核心機。與過去的發(fā)動機計劃比較，總時數(shù)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小時工廠試驗后才能達到。

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(chǔ)上研發(fā)一種新的艦載戰(zhàn)斗機以輔助F14完成艦隊防空并替代A4、A7等艦載輕型攻擊機。后來名滿天下的F/A-18“大黃蜂”艦載機就此正式開始研制。當然了，YJ101也得以繼續(xù)發(fā)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(fā)動機的名稱改為F404。當年11月，GE得到了F404發(fā)動機的研制合同。

YJ101變?yōu)镕404，最要緊的是把發(fā)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(fēng)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(xiàn)。既然風(fēng)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(yīng)加粗。另外，艦載機著艦瞬間對推力要求高，對發(fā)動機加速性要求更苛刻：從慢車向中等推力狀態(tài)過渡要在4秒鐘內(nèi)完成，而不是岸基飛機通常要求的5秒鐘。

在F404研制之際，PW為美國空軍研制的F100-PW-100因過度強調(diào)性能而忽視可靠性和維修性，在使用中屢出事故：據(jù)二等人統(tǒng)計，到1979年4月，1100臺F100發(fā)動機積累的25萬個發(fā)動機小時中出現(xiàn)了547次喘振失速，嚴重影響了作戰(zhàn)和使用。所以，美國海軍在F404發(fā)展計劃的重點要求就是改善發(fā)動機耐久性，并通過改進可靠性和維護性大大提升機群的戰(zhàn)備完好率。一等人對F404諸多要求按照優(yōu)先級從高到低排列如下：

作戰(zhàn)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(fā)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(shù)據(jù)排到了最后，其重要性甚至還不如控制成本。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計選材方面，F(xiàn)404力求簡單：低壓風(fēng)扇和壓氣機第一二級這些冷端部件盡量選用比強度較高的鈦合金，高溫高壓區(qū)則大多選用高溫臺金INCO718，HastalloyX、Rene125和Rene80。

高壓區(qū)的封嚴采用封嚴盤式篦齒封嚴結(jié)構(gòu)，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(fēng)扇是3級可調(diào)靜子和盤-鼓-軸式簡支轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，再配上風(fēng)扇進口承力框結(jié)構(gòu)，加強了風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)強度、剛性，也比較能扛住外物打傷。風(fēng)扇盤緣的凸塊還設(shè)計了減重盲孔，以減少風(fēng)扇轉(zhuǎn)子輪緣的離心載荷。

高壓壓氣機采用了整體式轉(zhuǎn)子和環(huán)向燕尾形榫槽結(jié)構(gòu)，這樣可以減小轉(zhuǎn)子應(yīng)力集中，提高輪緣的承載能力和延長結(jié)構(gòu)壽命。

外涵殼體采用類似飛機機身的半硬殼式結(jié)構(gòu)，這招對于減重、抗振和抗外壓失穩(wěn)都有效果，可謂一舉多得。

必須指出，F(xiàn)404是首次按照美國軍標MIL-E-5007D要求研制的軍用發(fā)動機。1969年二等人針對GE正在為其B1戰(zhàn)略轟炸機研制的F101渦扇發(fā)動機制定了渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性大綱(ENSIP)。這是一項以大大提高使用期結(jié)構(gòu)耐久性、確保發(fā)動機結(jié)構(gòu)安全、降低壽命期費用為目標進行燃氣渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計、分折、研制、生產(chǎn)和壽命管理的方法。要知道，這份大綱在現(xiàn)代軍用發(fā)動機發(fā)展史上具有里程碑意義，其它國家后來基本都沿襲了這份大綱來指導(dǎo)自己的發(fā)動機研制工作。MIL-E-5007D雖然由一等人制定，但其中的大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗要求都是從這個大綱演變而來的。F404的規(guī)范是按一等人要求，對MIL-E-5007D中的一些具體要求進行了裁剪后，經(jīng)GE和一等人多次協(xié)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(zhì)量。

鑒于研制F404時，PW毛病百出的F100已經(jīng)用在二等人的F15A上，一等人對F15A“車間皇后”雅號已經(jīng)有所耳聞。因此，在F404的研制上，一等人為了避免重蹈F100著急趕工大量取消試驗導(dǎo)致最終跑冒漏滴的覆轍，根據(jù)MIL-E-5007D的要求，對發(fā)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(xué)的預(yù)測飛行任務(wù)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(huán)耐久試驗，循環(huán)至少包含啟動、加速到慢車、慢車運轉(zhuǎn)、加速到最大狀態(tài)、減速和關(guān)車組成。對熱端部件，GE進行了2000個循環(huán)試驗，對冷端部件則是4000個循環(huán)。另外，在兩年間，還進行了三次750小時的模擬任務(wù)耐久試車（SMET）。這種試車主要是用以評估實際飛行任務(wù)剖面的使用效果。實際剖面以海軍提供的9種飛行任務(wù)剖面說明書為基礎(chǔ)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(chǎn)型發(fā)動機進行的。

另外，GE還進行了加速任務(wù)試車（AMT），以便更充分地評價耐久性。據(jù)稱1200小時的AMT相當于約4000小時的SMET。其目的是更迅速地評價受熱力循環(huán)和最大狀態(tài)持續(xù)時間影響的部件。

據(jù)統(tǒng)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(fā)動機小時）。其中1500小時專門針對發(fā)動機。

F404扎實的可靠性設(shè)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(zhàn)斗機的飛行包線內(nèi)已經(jīng)可以實現(xiàn)無憂操作。與GE之前研制的同一推力級的著名渦噴發(fā)動機J79（F-4“鬼怪”戰(zhàn)斗機動力）相比較，F(xiàn)404壓氣機和渦輪級共減少8級，推重比從4.7提高到7.4，零部件數(shù)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(tǒng)計值達到84小時。堪稱最為可靠的第三代軍用航空發(fā)動機。

問題

F/A 18于1978年11月首飛到1986年初，F(xiàn)404發(fā)動機已累計安全飛行達100萬小時。但是，即便如此，F(xiàn)404也一樣出過重大故障。

1987年11月美國五角大樓宣布,在1987年一年內(nèi),美國海軍損失的9架F/A18戰(zhàn)斗/攻擊機中,有4架是由于F404發(fā)動機鈦著火造成的。

由于F404發(fā)動機的高壓壓氣機前幾級轉(zhuǎn)子和機匣均采用鈦合金制造,當發(fā)動機長期工作以后,壓氣機葉片受到外來物的沖刷磨蝕,葉型發(fā)生了變化,改變了它原有的自然振動頻率,在發(fā)動機某些工況下,引發(fā)第1、3級轉(zhuǎn)子葉片折斷。

折斷后的斷片卡在轉(zhuǎn)子葉尖與機匣之間,隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而在機匣內(nèi)摩擦,產(chǎn)生大量的摩擦熱,引起鈦合金自燃著火。著火后,很快將葉片燒壞,機匣燒穿。火焰繼續(xù)外竄,燒穿外涵的鈦合金機匣及發(fā)動機短艙,燒壞飛機其他系統(tǒng)的設(shè)備,最終導(dǎo)致飛機失事。這是典型的由于選材不當引發(fā)的事故。F404的高壓壓氣機前幾級工作葉片與機匣均采用了鈦合金，內(nèi)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(fā)展極快。

F404著火事故發(fā)生后，GE采取了一系列措施。首先對轉(zhuǎn)子葉片加強和調(diào)頻。GE修改了第1、3級轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計，并將可調(diào)靜子的操縱臂調(diào)整，避免在使用時間很長以后出現(xiàn)共振導(dǎo)致葉片振裂。另外，作為臨時措施，在鈦合金外涵機匣內(nèi)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，所以又采取另一措施減重，辦法就是把外涵機匣由鈦合金改為 PMR-15復(fù)合材料。PMR-15是一等人資助下花了好幾年時間才發(fā)展出來的，防火能力很好。改了新材料后,發(fā)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(jié)構(gòu)相同的 CFM56 發(fā)動機后來也將高壓壓氣機機匣的材料由鈦合金改為 M152合金鋼。

評價

F404/YJ101的研制過程體現(xiàn)了嚴謹科學(xué)的工作態(tài)度，造就了可靠性與可維護性空前的一代名機。由于卓有成效地運用了發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性大綱作為研制工程的指導(dǎo)，研制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的研制中，GE的團隊就已經(jīng)比較均衡地全面考慮了性能、成本與成熟度。在后續(xù)的開發(fā)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(yōu)勢，這才造就了F404后來在運行維護過程中的驚人記錄。但是，即便如此，在一百萬飛行小時后，F(xiàn)404也仍舊經(jīng)歷了壓氣機鈦合金機匣起火的重大挫折。充分說明現(xiàn)代航空發(fā)動機的研制與改進是一個漫長而艱難的過程，唯有長期持續(xù)地投入人力與資金，不懈地探索相關(guān)技術(shù)與理論才能保持發(fā)動機產(chǎn)品的高質(zhì)量。

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