屈 鵬，王占學

（1.海軍駐西安地區(qū)航空軍事代表室，西安 710021；2.西北工業(yè)大學動力與能源學院，西安 710072）

1 引言

1917年7月，英國成功地改裝了世界上第1艘專載作戰(zhàn)飛機的航空母艦，揭開了艦載作戰(zhàn)飛機及其發(fā)動機發(fā)展的序幕。經(jīng)過90多年的發(fā)展，M88-2、F135和F136等噴氣發(fā)動機已經(jīng)或?qū)⒁赗AFALE M、F-35C第4代艦載作戰(zhàn)飛機上投入使用，成為法國、美國及其盟國海軍艦載作戰(zhàn)飛機的主力機種；自適應循環(huán)發(fā)動機等未來1代噴氣發(fā)動機正在VAATE等研究計劃下進行通用核心機、智能發(fā)動機等預先研究。因而，綜述國外艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的發(fā)展歷程，研究其發(fā)展，對中國開展艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的研究和開發(fā)工作具有重要的參考和借鑒作用。

2 國外艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的發(fā)展歷程

在經(jīng)歷活塞發(fā)動機時代后，20世紀40年代進入了噴氣發(fā)動機時代，目前已經(jīng)發(fā)展到第4代。

2.1 活塞發(fā)動機時期

從1917年艦載作戰(zhàn)飛機誕生到1945年第2次世界大戰(zhàn)結(jié)束，活塞發(fā)動機與螺旋槳發(fā)動機在美國和日本等國家得到大力開發(fā)，是當時艦載作戰(zhàn)飛機乃至所有作戰(zhàn)飛機的惟一類型動力裝置，在第2次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用。美國PW公司研制的 R-1340、R-1535、R-1830、R-2800、R-4360 發(fā) 動機，美國懷特公司研制的 R-1300、R-1820、R-2600、R-3350發(fā)動機，日本中島公司研制的Sakae 12/11/21、Homare 1l/12/21、Kotobuki 41 發(fā)動機，日本三菱公司研制的Kasei MK4U 25等型發(fā)動機，日本愛知公司研制的Atsuta 21/32等活塞發(fā)動機，均應用到了艦載作戰(zhàn)飛機上。這些發(fā)動機的最大功率達到3500 kW，最低耗油率降到 0.28 kg/daN·h，最大功重比達到1470 W/kg。

2.2 渦噴發(fā)動機時期

第2次世界大戰(zhàn)以后，英國、德國、美國、前蘇聯(lián)、法國等國家先后研制了噴氣發(fā)動機，逐步取代了活塞發(fā)動機，成為海軍艦載作戰(zhàn)飛機乃至所有空、海軍作戰(zhàn)飛機的主要動力裝置，使作戰(zhàn)飛機從活塞加螺旋槳時代進入了噴氣時代。其中，美國、法國和前蘇聯(lián)(俄羅斯)開發(fā)了艦載作戰(zhàn)飛機渦噴發(fā)動機。典型艦載作戰(zhàn)飛機渦噴發(fā)動機主要性能參數(shù)見表1。

表1 典型艦載作戰(zhàn)飛機渦噴發(fā)動機主要性能參數(shù)

在20世紀40年代成功地實現(xiàn)仿制后，美國GE、PW公司的渦噴發(fā)動機研制工作進展迅速，到60年代已經(jīng)趕上、甚至超過了英國，居于世界先進水平。

1941年10月，GE公司引進英國的發(fā)動機技術(shù)仿制了GE-1A發(fā)動機，之后發(fā)展了J33離心式噴氣發(fā)動機，并在美國海軍AJ-1(A-2A)艦載轟炸機上投入使用。20世紀50年代，CE公司為美國海軍改型研制了J79-2、-4、-8、-10發(fā)動機，并應用到F-4艦載戰(zhàn)斗機和A-5艦載攻擊機上。

1947年，PW公司由英國尼恩和苔茵離心噴氣發(fā)動機仿制了J42-6、J42-8和J48發(fā)動機，分別應用在美國海軍F9F-2、F9F-3和F9F-6艦載戰(zhàn)斗機上。20世紀50 年代，PW公司自行設(shè)計了 J57-P-2、-4、-8、-10、12和-16等發(fā)動機，并先后將其應用到美國海軍的F4D-1、F8U、F5D1、F8U-1、F8U-2 單發(fā)艦載戰(zhàn)斗機和A3D-2雙發(fā)艦載攻擊機上；自行研制了J52-6、-8、-408等渦噴發(fā)動機，并應用到美國海軍A-4與A-6艦載攻擊機和EA-6雙座雙發(fā)電子對抗機上。

法國的ECMA公司于1945年以從德國引進的BMW-003發(fā)動機為原準機，陸續(xù)發(fā)展了22個型別的阿塔發(fā)動機，其中的阿塔8K50是法國海軍超軍旗(Super Etendard)艦載戰(zhàn)斗機的動力裝置。

前蘇聯(lián)于1946和1947年從德國引進了JUMO-004與BMW-003渦噴發(fā)動機和尼恩與德溫特等渦噴發(fā)動機，先仿制后自行研制了一些渦噴發(fā)動機，其中的AL-21成為了Yak-38艦載直升機的動力裝置。

2.3 渦扇發(fā)動機時期

20世紀60年代以后，由于具有推力大、排氣速度較低和耗油率低(較渦噴發(fā)動機降低1/3左右)等特點，渦扇發(fā)動機很快取代了渦噴發(fā)動機，成為航空動力裝置的主導機型。典型艦載作戰(zhàn)飛機渦扇發(fā)動機主要性能參數(shù)見表2。

表2 典型艦載作戰(zhàn)飛機渦扇發(fā)動機主要性能參數(shù)

2.3.1 英國的研制情況

在渦扇發(fā)動機的研制方面，英國又一次走在了世界的最前面。RR公司于1948年就開始探索研究雙涵道發(fā)動機。1964～1968年，在民用SPEYMK51l發(fā)動機的基礎(chǔ)上，RR公司成功地研制了軍用SPEY MK202發(fā)動機，并將其應用到從美國進口的F-4K海軍雙發(fā)艦載戰(zhàn)斗機上。20世紀60年代，RR公司和美國A11ison公司合作為A-7E艦載攻擊機 (第68架后)改型研制了TF41-A-2(A11ison 912-B14 RB168-66)發(fā)動機。1975年，在研制了Pegasus(飛馬)MK101、MK102、MK103發(fā)動機后，RR 公司又發(fā)展了艦載型MK1104發(fā)動機，并于1979年9月在美國海軍“海鷂”單發(fā)戰(zhàn)斗/偵察/攻擊機上投入使用。1985和1990年，RR公司又先后改進研制了Pegasus11-21、MK106(F402-RR-406)和 Pegasus11-61(F402-RR-408)發(fā)動機，并將其應用到美國和英國海軍的AV-8BII近距支援/攻擊機上。但是，由于受綜合國力和科技水平等因素的影響，英國沒有能夠保持快速發(fā)展。

2.3.2 美國的研制情況

美國渦扇發(fā)動機的研制略晚于英國。20世紀50年代末到60年代初，美國民用飛機動力裝置掀起了渦扇化的研制高潮。1961～1966年，PW公司陸續(xù)研制了 TF30-6、-8、-100、-408、-412A、-414、-414A 等發(fā)動機，并將其應用到A-7艦載攻擊機和F-14艦載戰(zhàn)斗機上，成為美國第1型艦載渦扇發(fā)動機。在1966～1972年，GE公司以GE1核心機為基礎(chǔ)，借鑒TF39和CF6發(fā)動機的技術(shù)與經(jīng)驗，成功地研制了TF34-GE-2艦載渦扇發(fā)動機，并于1975年又成功地改進研制了TF34-GE-400A發(fā)動機。這2型發(fā)動機很好地滿足了美國海軍S-3反潛機“長距離、低空巡邏與巡航”的戰(zhàn)術(shù)要求。1975～1982年，以YJ101連續(xù)放氣式渦噴發(fā)動機為基礎(chǔ)，按照突出作戰(zhàn)適應性、艦載適應性、可靠性和可維護性的研制原則，GE公司成功地研制了F404-GE-400艦載型渦扇發(fā)動機,成為當時最先進的艦載戰(zhàn)斗機F/A-18A/8的動力裝置。此后，以F404-GE-400發(fā)動機為基礎(chǔ)，采用成熟的先進部件技術(shù)，CE公司改進研制了 -400D、-402、-100、-F1J1/RM12、-F2J1、-F5D2(F412)等多型陸基和艦載發(fā)動機。1976～1986年，為了改變配裝美國空軍F-15/F-16戰(zhàn)斗機的F100發(fā)動機與配裝美國海軍F-14艦載機的TF30發(fā)動機頻頻出現(xiàn)耐久性、可靠性和可維護性等問題的窘迫局面，GE公司以F101發(fā)動機核心機為基礎(chǔ)成功地研制了F110-GE-100空軍陸基發(fā)動機和F110-GE-400海軍艦載基發(fā)動機。1991～1999年，以F404發(fā)動機為基礎(chǔ)，采用RM12發(fā)動機的3級風扇、F412發(fā)動機的7級壓氣機、GE23A/F412發(fā)動機的單級高壓渦輪、YF120發(fā)動機的加力燃燒室、F110-GE-129發(fā)動機的噴管、YF120發(fā)動機的控制系統(tǒng)，GE公司成功地研制了F414-GE-400艦載型渦扇發(fā)動機。1996年以來，在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(JSF)研究計劃下，PW和GE公司分別研制了F135和F136發(fā)動機，再次成為美國及至世界上最先進的艦載作戰(zhàn)飛機的動力裝置，目前正在進行飛行試驗，預計2013年以后投入使用。正是由于始終保持技術(shù)研究的規(guī)模，并始終注重基礎(chǔ)和應用技術(shù)的研究，美國很快發(fā)展成為世界上戰(zhàn)斗機發(fā)動機技術(shù)先進國家，并且始終處于遙遙領(lǐng)先的地位。

2.3.3 其他國家的研制情況

法國的渦扇發(fā)動機是沿著“引進仿制、消化繼承、改進改型、自主創(chuàng)新”的發(fā)展道路發(fā)展起來的。20世紀70年代中期以來，借鑒積累的M53發(fā)動機的研制經(jīng)驗，利用先進技術(shù)研究計劃和驗證機研究計劃開發(fā)與驗證的先進技術(shù)，SNECMA公司成功地研制了M88-2準第4代陸基與艦載兩棲型渦扇發(fā)動機，并于1999年將其應用到了RAFALE M“陣風”戰(zhàn)斗機上，躋身于世界戰(zhàn)斗機發(fā)動機強國之列。

俄羅斯艦載渦扇發(fā)動機的研制工作起動很晚。直到20世紀90年代，俄羅斯才由D-33和AL31F發(fā)動機衍生研制了艦載型RD33K和AL31FK發(fā)動機，目前已經(jīng)明顯落后于美國。

3 艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的發(fā)展特點

經(jīng)過90多年的發(fā)展，隨著流體力學、熱力學、結(jié)構(gòu)力學、材料科學、控制理論等學科的不斷進步，艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機已經(jīng)取得了飛速發(fā)展，與陸基作戰(zhàn)飛機相比呈現(xiàn)出以下特點。

3.1 特殊的存放和使用要求

艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機與陸基作戰(zhàn)飛機發(fā)動機經(jīng)歷了相似的發(fā)展過程，即：從活塞發(fā)動機發(fā)展到渦噴發(fā)動機，再進一步發(fā)展到渦扇發(fā)動機。除了滿足陸基作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的要求外，還必須滿足在以航空母艦為基地的海洋環(huán)境下存放和使用的以下特殊要求。

（1）較大的推力和良好的加速性。據(jù)資料報道，與陸基作戰(zhàn)飛機發(fā)動機相比，艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的推力大12%～19%；從慢車加速到中等推力的時間由5 s縮短到4s；在著艦失敗后實現(xiàn)安全復飛，由慢車加速到最大推力要在3s內(nèi)完成。這要通過高的循環(huán)參數(shù)和良好的機動性保證。

（2）防止大氣、鹽霧、潮濕和霉菌腐蝕的能力,可通過先進的耐腐蝕、耐高溫材料與涂層保證。

（3）更強的抗過載和抗沖擊能力,可通過部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證。

（4）較強的抗進氣畸變能力,需要大的喘振裕度、機匣處理、可調(diào)靜子等保證。

（5）較高的可靠性、耐久性和可維護性，以及較低的耗油率,可采用單元體結(jié)構(gòu)、少零件設(shè)計、輕質(zhì)量零件設(shè)計、狀態(tài)監(jiān)控和視情維護、適當安裝孔探儀、防錯設(shè)計等保證。

此外，還需要具有在整個飛行包線內(nèi)自動空中起動和較低的紅外和電磁輻射能力。

3.2 相似的研制思想成熟過程

艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機與陸基作戰(zhàn)飛機發(fā)動機經(jīng)歷了相似的發(fā)展過程，其研制思想也是逐步發(fā)展成熟的。

20世紀70年代以前，作戰(zhàn)飛機活塞和渦噴發(fā)動機的研制將提高性能作為重中之重，結(jié)果研制出來的發(fā)動機性能的確取得了顯著提高，但是作戰(zhàn)適應性、可靠性、耐久性和可維護性明顯過低，嚴重地影響了戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)使用，大大增加了全壽命成本。

20世紀70～80年代中期，作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的研制工作重點轉(zhuǎn)移到了提高可靠性、耐久性和可維護性方面，結(jié)果是全新研制和改進改型的發(fā)動機的性能沒有明顯提高，但是作戰(zhàn)適應性、可靠性、耐久性和維護性等達到了綜合平衡。

從20世紀80年代中期開始，作戰(zhàn)飛機發(fā)動機研制工作的重點又發(fā)生了轉(zhuǎn)移，即轉(zhuǎn)向在保持長壽命的前提下提高性能。

21世紀初，美國制定了VAATE研究計劃。該計劃的工作重點由以前的強調(diào)高性能、耐久性好和費用低，調(diào)整為追求經(jīng)濟可承受性。具體目標是，通過開發(fā)通用核心機、智能發(fā)動機和耐久性等方面的技術(shù)，使渦輪發(fā)動機經(jīng)濟可承受性提高10倍，具體到大型渦噴/渦扇發(fā)動機的推重比提高200%，燃油消耗降低25%，設(shè)計、使用和維護費用降低60%。

3.3 相似的技術(shù)發(fā)展趨勢

艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機與陸基作戰(zhàn)飛機發(fā)動機經(jīng)歷了相似的技術(shù)發(fā)展趨勢。在性能方面，推重比已經(jīng)提高到10，未來l代可能提高到15以上；渦輪進口溫度已經(jīng)提高到1800～1950 K，未來1代可能提高到2200 K以上。

在結(jié)構(gòu)方面，葉輪機減少到第4代噴氣發(fā)動機的8～9/1+1級，未來1代可能減少到4～6/l+l/2級；燃燒室發(fā)展為第4代噴氣發(fā)動機的短環(huán)形，未來1代可能發(fā)展為高溫升超短型；部件和組件的設(shè)計正在向簡單化和緊湊化發(fā)展；熱端部件冷卻正在向高效化發(fā)展。

在材料方面，采用陶瓷、復合材料的范圍越來越廣且比例越來越大，正在向“非金屬發(fā)動機”或“全復合材料發(fā)動機”方向發(fā)展。

4 結(jié)束語

經(jīng)過90多年的發(fā)展，艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機已經(jīng)完成了向渦扇發(fā)動機的轉(zhuǎn)變，推重比、可靠性、耐久性、可維護性等指標也已經(jīng)提高數(shù)倍，耗油率和全壽命費用已經(jīng)大大降低。未來1代艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機正在VAATE等技術(shù)研究計劃下開發(fā)和驗證，相信，其性能會大大提高、費用明顯降低、經(jīng)濟可承受性顯著提高。

[1]田寶林.艦載飛機對動力裝置特殊要求的分析(上)[J].航空發(fā)動機,1997(2):52-57.

[2]田寶林.艦載飛機對動力裝置特殊要求的分析(下)[J].航空發(fā)動機,1997(3):58-64.

[3]梁春華.艦載作戰(zhàn)飛機發(fā)動機的研制道路 [J].航空發(fā)動機,2010，36(4):45-48.

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