飞机和发动机的关系

2016-10-24 20:37:41 航空世界 2016年9期

发动机拖累飞机研制的经验教训

在飞机研制过程中,因发动机选择不慎造成的不良后果确有很多。作为波音历史上最大一次赌博的波音747就是典型例子。该公司当年在研制该机时,应启动用户的要求不断增加飞机的重量,结果让当时该机的唯一发动机供应商普惠公司不断抱怨飞机的重量大大超过了JT9D的能力。因后者一时无法解决世界上首台为客机研发的高涵道比涡扇发动机存在的问题而按时交付,造成最初生产的波音747为维持机体的平衡,不得不在许多飞机的机翼下悬挂上了水泥块儿。随后发生的发动机问题频发、航班延误等,几乎把波音公司推向了绝境。印度的LCA轻型战斗机计划确定原型机采用F404-F2J发动机,批生产型将采用本国研制的GTX-35VS涡扇发动机。由于印度政府在1998年间连续进行核试验,美国政府于当年5月禁止美国公司继续参与该项目,尤其在发动机技术支援方面。虽然此时LCA的大部分关键工作已经完成,但该项目却被延误数年时间。后来,印度不得不将自行研制的发动机移交给俄罗斯进行为期两年的测试工作。结果,这种1990年完成初步设计、1995年首架原型机制造完毕的战斗机,直到现在才开始装备部队。

上述项目的进展还算是幸运的,因发动机羁绊飞机前途的事例还有很多。20世纪50年代初期,米高扬设计局开始研制一系列的重型截击机。第一个出场的就是E-150,但该机使用的R-15-300发动机自从设计之日起就一直受到可靠性问题的困扰,造成飞机项目进展迟缓,而随后研制的E-152也遇到了同样问题。尽管米高扬设计局研制的该系列战斗机性能优异,无奈受发动机拖累,苏联国土防空军只好选择了使用 AL-7F 发动机的图-128远程截击机。而在地球的那一边,加拿大于1953年开始研制的CF-105“箭”重型战斗机,同样因选用发动机不当以及政治方面的原因,使这个加拿大航空工业最为壮丽的篇章过早地成为少数人的记忆。冷战时期,铁幕两边的军事力量不仅大力发展战略轰炸机,还在积极研究如何应付对方的空袭。当时许多国家都在探寻使用三台甚至更多发动机的垂直起降飞机方案,例如德国的VAK-191B、法国的“幻影”ⅢV和“巴尔扎克”,采用了三台发动机甚至八台发动机,造成结构过于复杂,难以投入使用。而英国布里斯托尔公司另辟蹊径,仅用一台发动机就可实现战斗机的垂直起降。正是使用一台“飞马”发动机,奠定了“鹞”式飞机家族数十年的辉煌,而其他机型只能是过往烟云。20世纪七八十年代,波音公司和麦道公司几乎在同一时刻开始研制采用GE36或578-DX桨扇发动机作为动力装置的新一代150座级客机。由于桨扇发动机应用民航客机上还有许多问题需要解决,其中最关键的技术问题是发动机引起的结构声疲劳、客舱及环境的噪声问题。加上发动机的研制和试验遇到困难,不能按期交付,波音公司只好终止了波音7J7项目,而麦道公司只好将MD-90换成涡扇发动机……

许多读者或许对以上举例不会有太多的感受,但对于国内因发动机原因导致飞行器迟迟不能装备部队,或者干脆夭折的例子,无不有切肤之痛。例如:

“飞豹”轰炸机于1998年定型之际,该机使用的“斯贝”发动机国产化工作已经停顿多年。直到1999年因该机表现良好需要升级改进,有关方面才意识到该机已经没有发动机可用,不得不着手“斯贝”的国产化。然而远水不解近渴,不得不从英国购买二手“斯贝”。直到2003年,已被称为“秦岭”的国产化“斯贝”终于设计定型。如若不然,“飞豹”将因发动机的荒废而影响其发展前景。应巴基斯坦要求研制的“枭龙”战斗机的前身超七,一开始巴方就基本锁定F404,期间也有考虑PW1216或RB199发动机。由于种种原因,与美国的合作计划流产。后来在米高扬设计局的参与下,并在选择了RD93发动机后,才使这一项目不致因为无合适的动力装置而夭折。至于歼10战斗机,这个被无数国人引以为傲的第三代战斗机,在“太行”发动机生产定型之前,只能依赖俄罗斯的AL-31发动机。不仅如此,我国在20世纪80年代以后研制的K-8、L-15、运12、“新舟”、新型直升机等诸型号,根本就没有国产发动机可用。就在2008年,被视作为大型飞机专项热身的ARJ21,却因美国发动机生产商的缘故而推迟了首飞。

从技术角度看,飞机设计不外乎两种主要的发展思路:根据对飞机的技战术要求选定合适的发动机,或在已有或正在研制的发动机基础上确定飞机的布局和各项性能。由于飞机设计是一极复杂的系统工程,由两种思路决定的发展战略及面临的诸多风险远没有一般人想象的那样简单,对于飞机设计师而言,则要根据本国航空工业乃至整个工业和科技发展水平来进行权衡。

根据飞机的诸项性能指标确定合适的发动机

此种方法就是由设计人员根据用户的使用需求,确定即将研制飞机的诸项技术指标,然后选择已有的发动机或确定即将研制发动机的各种技术参数等。美国的F-15、F-22战斗机,欧洲的几款第三代战斗机,L-1011“三星”客机、C-5和A400M运输机等皆是典型代表。

1965年,美国空军开始考虑研制替代F-4的以制空为主要任务的F-15战斗机。1968年9月,正式确定了采用双发布局、可远程飞行、高推重比、在广阔速度范围内具有充分的能量机动能力等技术要求。为此,美军提出了研制性能优于F-14所用TF30的大推力涡扇发动机的要求。1970年3月,空军宣布普惠公司研制的F100发动机成为新型战斗机的动力装置。冷战末期,欧洲数国开始考虑共同研制一种能够对抗米格-29和苏-27的战斗机。欧洲战斗机计划参与国就机体大小的选择上,综合考虑了成本与性能的平衡问题,将新型战斗机“台风”确定为中型、双发战斗机。为了使新型战斗机拥有压倒性优势,四国空军要求为其研制的EJ200发动机具有推重比大、重量与尺寸较小等特点。法国在退出该计划之后,遂开始研制“阵风”战斗机。在此之前,可供第三代战斗机使用的M53涡扇发动机尽管推力较大,但推重比仅有6.56,长度超过5米。由于法国需要的是小于“幻影”4000、比“幻影”2000稍大的中型、双发战斗机,需要重新研制一款中等推力、尺寸较小的发动机,由此产生了M88发动机。

1960年,美国空军提出C-5巨型运输机的研制计划。正是这一要求导致了对日后军民用运输机的发展具有重要影响的高涵道比涡扇发动机的产生,其直接成果就是TF39发动机。不久,洛克希德公司为了研制“三星”三发宽体客机,需要一种推力达到180千牛的发动机。为此,罗罗公司为其研制了日后著称于世的RB211三转子涡扇发动机。80年代初期,欧洲一些国家开始研究C-130和C-160的后继机问题。由于新型运输机载重量与最大起飞重量不是很大,出于经济方面的考虑,空中客车军机公司最后决定A400M采用涡桨发动机而非原先拟定的涡扇发动机。从此,欧洲数个国家联合研制了TP400-D6涡桨发动机。

飞机决定发动机的发展道路,往往是根据飞机的总体要求,专门设计一型发动机。例如美国在实施ATF计划时,就同时为其研制了YF119、YF120两种新型发动机。在此情况下,新型发动机能否跟上飞机的研制进度便成了关键。否则,不如使用现有的发动机。实践证明:在航空工业发达国家,由飞机决定新型发动机的发展道路存在较小的风险,成功的把握较大;但在工业比较落后的国家,此种方法存在很大的风险。

依据已有或正在研制的发动机决定飞机的气动布局和各项性能

在此种思路下,飞机设计师只能根据已有发动机的几何尺寸与性能等来确定将要设计飞机的外形尺寸、起飞重量等。从这个意义上讲,正是发动机的进步,才推动航空工业的发展。

波音公司最初的B-52设计方案由于使用四台T35涡桨发动机与B-36相比没有任何优势,前景黯淡。在美国空军的要求下,波音公司不得不采用J57涡喷发动机。虽然该发动机能够有效平衡其动力与经济性,但用于重型轰炸机的推力依然不足,最后不得不将B-52变为使用8台发动机的轰炸机。苏联当初下达远程轰炸机的研制任务后,米亚西舍夫设计局推出了安装4台AM-3D涡喷发动机的米亚-4轰炸机。但因发动机耗油率高、航程满足不了要求而落败。图波列夫设计局在竞争该项目时为了满足航程要求决定采用涡桨发动机,正好库兹涅佐夫设计局的HK-12大功率涡桨发动机在最需要的

时候诞生。假如没有在速度与航程上达到完美平衡的世界上功率最大的涡桨发动机,苏联绝不可能在20世纪50年代中期产生能够与B-52比肩的图-95战略轰炸机。如果没有HK-12发动机,苏联也不可能在60年代研制出当时世界上最大的运输机安-22。同样情况也发生在英国的SC.5“贝尔法斯特”运输机上。正是使用了4台“苔茵”Mk101涡桨发动机,该机的最大起飞重量达到139吨。

当F-15重型战斗机正在研制的时候,美国议会决定空军在采购一定数量成本高昂的F-15的同时,必须采购低成本的轻型战斗机。因此,空军不得不发展一种与F-15高低搭配的轻型、低成本战斗机。在YF-17与YF-16胜出后,美国空军认为YF-16除在技术、成本等因素占有一定优势外,在动力装置的选取上还占有更大的优势——和 F-15 的动力装置通用,可以简化后勤保障并降低采购费用,也能降低研制风险。因此,YF-16凭借动力装置的优势,赢得了胜利。

喷气式客机的发展同样有赖于发动机技术的进步。波音公司研发B-52并将J57发动机作为其动力装置的经验,促成了C-135/波音707四发大型飞机的诞生。由此改变了大型飞机使用活塞发动机或涡桨发动机的历史。当罗罗公司研制出的世界首台涡扇发动机“康维”于1957年定型后,首先被用于“胜利者”轰炸机。1958年开始设计的VC.10,被要求设计成能够满足洲际飞行的大型远程客机,出于航程与耗油率的考虑,维克斯公司决定为新型客机安装4台“康维”。受英国的影响,美国政府指令普惠和通用电气公司立即研制涡扇发动机。前者对JT3C-7进行改装后于1958年完成了JT3D-1的设计。同年,装在波音707上的试飞非常成功。与原准机相比,新型涡扇发动机的起飞推力提高了1/3,巡航耗油率降低了13%,噪声减少10分贝。“康维”与JT3D均成为波音707与DC-8可供使用的发动机之一。可以说,美国的这两种早期的四发喷气客机之所以能够一直生产到20世纪八九十年代,与发动机的技术进步有很大关系。在20世纪60年代,高涵道比涡扇发动机的出现,使波音747、“三星”、DC-10等宽体客机的研制成为可能。作为后起之秀的空中客车公司,当年为了打入美国市场,决定其研制的第一种飞机采用美国发动机。当时在美国已经有比较成熟的、推力稍小一些的CF6和JT9D发动机,因政治、经济等因素,空中客车公司选择了CF6。如果没有合适的发动机,空中客车公司说什么也不会上马双发的宽体客机。

在苏联运输机发展史上,也呈现出浓厚的由发动机决定飞机的特点。例如,最大起飞推力为107.69千牛、安装有反推力装置的索洛维耶夫设计局研制的D-30KP有利保证了伊尔-76的成功;单台推力达到229.5千牛的洛塔列夫设计局的D-18T发动机,不仅成全了安-124巨型运输机,还使成功研制更大更重的安-225成为可能。

在由发动机决定飞机设计的情况下,往往是根据现有发动机决定飞机的技术参数。也就是说,在设计飞机之前,已经有了比较成熟的可供选择的发动机。实践证明:在设计一种飞机时选用已有发动机是一个极其稳妥的方法,成功的可能性更大一些。

现役飞机换装发动机

任何一种飞机在服役之后,因提高技战术性能的需要,以及出于经济性、安全性等考虑,还需要更换其动力装置。这方面的例子不胜枚举:

美国海军的F-14B和F-14D战斗机因换装F110-GE-400发动机,可谓如虎添翼。弹射起飞时无需使用加力推力,海平面条件下从慢车状态加速到军用推力只需4秒左右,从进场状态到最大推力的时间不超过2.5秒,拦截半径较之F-14A延伸了62%,滞空时间增加34%,油门操纵不再有任何限制。美国海军为了实现F-18E/F接替F-14战斗机的目标,主要通过换装F414发动机、加大机体尺寸来实施的。较之原先的“大黄蜂”, F-18E/ F的任务航程增加了41%,续航时间增加了50%。我军的最新型轰6K“战神”轰炸机,通过使用两台D-30 KPⅡ涡扇发动机更换原先的涡喷8发动机,航程、载弹量等技战术性能得到明显改善。

美国的C-135系列飞机之所以能够服役到现在,与多次更换发动机有关。例如,为了确保空军当时装备的650余架KC-135A在21世纪仍能使用,美国空军为其选择了F108-CF-100(CFM56-2-B1)高涵道比涡扇发动机,替换原先使用的J57-P-59W涡喷发动机。改进后的飞机改称KC-135R。KC-135A携带 54432千克燃料的作战半径为1850千米,KC-135R在输油量比KC-135A大幅增加的情况下,作战半径仍可达到4627千米。因此,2架KC-135R可以承担3架KC-135A的工作量。

伊尔-76的最新型号之一MF型,通过换装单台推力156.9千牛的PS-90AN发动机,最大载重量增至60吨,在搭载50吨货物时的飞行距离大幅增加。