美国大推力航空发动机与重型战斗机的平台分析

毋庸置疑，经过近年来多次高强度局部战争的证明，航空兵已经成为现代战争最重要的作战兵种。由空军航空兵，海军航空兵和陆军航空兵组成的空中作战力量承担着战争中全部的远程打击任务、大部分战术火力支援任务以及各种辅助作战任务。航空兵要执行的战术任务主要有：防空作战，空中优势，护航任务，远程精确对地对海打击，中近距离火力支援以及配合友军进行联合作战等等。为了能够在复杂作战环境下生存并达成作战目的，现代航空兵战术体系需要先进可靠的作战飞机合理构建。不同种类的作战飞机性能要能够满足上述作战任务的要求，比如具备在复杂地理和电磁环境下生存的能力，远距离飞行和机动能力，具有满足要求的长滞空时间。这些能力都需要在现代机载雷达，导航设备，电子对抗设备和动力设备的合理综合应用基础上实现，而托举整个航空作战飞机平台的就是现代航空发动机。在现代战斗机设计中，首先要确定的就是发动机的推力级别、推力曲线特性和推重比，因为发动机的性能决定了战斗机的设计概念和性能用途。航空发动机的研制装备和性能指标关系到国家安全和领土完整。没有合适的发动机型号通常都会对战斗机设计和装备产生致命性的影响，从而导致整个空军的战术体系不完整和效能低下。航空发动机的性能和航空动力产业的实力决定了一个国家自主建设航空兵战术体系的能力。

在现代航空兵战术体系中，通常主要有两个级别的作战平台：中型作战飞机和重型作战飞机。轻型作战飞机虽然具备成本和技术门槛较低，研发周期短等优点，但是由于其作战综合能力较为低下，通常作战能力非常单一，目前并没有在较大规模的航空战术体系中找到合适的位置，一般只存在于较小规模的航空兵体系中作为低成本补充力量。随着航空技术的发展，中型战斗机逐渐可以满足了多用途性能要求，比如美国的F16、F18、俄罗斯的米格29、法国的“阵风”、欧洲多国联合研制的“台风”战斗机和我国的歼十都是性能完善可执行多种作战任务的航空兵器。一般中型战斗机在航空兵战术体系中的位置是作为重型空优战斗机的搭配机型执行空优任务或者为友军提供中近距离的对地对海火力支援。在一些缺乏重型空优战斗机或者重型战斗轰炸机国家和组织的航空兵体系，中型战斗机也证明了自己具备主力作战机型的能力。欧洲今后的航空兵战术体系已经没有了重型战斗机的位置，基本所有的主力作战任务都由中型战斗机去完成。由于日本的F15J缺乏完善的对地对海打击能力，其研制的F2中型战斗机也挑起了以往由重型战斗机承担的远距离精确对地对海打击任务的重担。以色列也从美国引进了F16I中型战斗机作为未来航空兵战术体系的远程打击力量。由于中型战斗机具备高效、低成本、完善的作战性能和合理重量体积特性，现代海军航空兵尤其是舰载机部队的主力也通常是中型战斗机。目前，除了俄罗斯采用重型舰载机平台以外，基本所有的大中型航空母舰都使用中型舰载机作为主要打击力量。

法国的阵风中型舰载机，目前，除了俄罗斯采用重型舰载机平台以外，基本所有的大中型航空母舰都使用中型舰载机作为主要打击力量。
拥有大推力涡扇发动机可以赋予一个国家装备重型战斗机的实力。重型战斗机在争夺空优，远程打击时相比于中型和轻型战斗机有着巨大的先天优势。尤其是其航程载荷实力，能够让重型战斗机在挂载较多数量的空空/空地武器的情况下进行远距离空中优势争夺或者进行远程精确打击。重型战斗机平台改进出来的双重任务战斗轰炸机更是大国利器。苏30MKK和F15E这种远程精确打击型号可以说是一个国家空军实力和威望的象征。其中苏30MKK光是内油就有12吨，载弹量超过了12吨，其油量和载弹量甚至比某些中型战斗机整个飞机都重。在我国广州军区进行的远程威慑演练中，由苏27和苏30组成的远程打击机群奔袭1100多公里，有效的威慑了南海邻国，使之在觊觎我国丰富的海洋资源之时，难忘庞大的三代打击机群飞临本国领空线时的胆寒。这样巨大的航程载荷能力自然可以让重型平台成为保卫祖国让侵略者不敢妄动的镇国之宝。

美国的空军战术航空兵体系中的重要机型基本上是由两个主要的大推力发动机型号系列支撑起来的-F110系列、和F100系列。F100发动机是普惠公司研制的在世界上最早应用的推重比为8一级的小涵道比加力式涡扇发动机。上世纪60年代末70年代初，美国普惠公司为准备用于下一个25年的空中优势战斗机F-15发展了新一代的高性能发动机，即F100发动机。为满足第三代双发重型战斗的性能要求，发动机推重比需达到8一级。为此，普惠公司将提高发动机性能即推重比作为重点予以保证，也即以提高发动机性能为F100研制的指导思想。在F100的研制、发展中，尽量控制发动机重量而不影响性能，最终达到了目的，使F100成为第一种投入使用的推重比为8一级的发动机。当F100的第1个、用于F15的生产型F100-PW-100转人批产并开始装备美国空军时，与当时其他发动机相比，性能有明显的改进，特别是其跨声/超声条件下的性能有显著的提高。按照西方标准，俄罗斯和我国都还未研制出推重比实质上达到8的军用大推力涡轮风扇发动机。

用于F-15战斗机的F100-PW-100发动机的起飞推力为106.13 kN。按照今天的标准，F100-PW-100发动机的加力推力其实刚刚达到第三代大推力涡扇发动机的最低标准，但是在F100-PW-100发动机正式装备的年代，超过10吨的加力推力可以说是世界各国战斗机发动机中最强悍的推力。F-15于1974年11月开始装备美国空军，与F100-PW-100型推力相等的F100-PW-200型用于F-16战斗机，F-16于1978年底开始装备美国空军。F100的性能的确不错，但它的可靠性与耐久性却未能与性能的提高相匹配，F-15战斗机装备部队后，在使用中基露出发动机有许多影响可靠性的严重问题。例如压气机失速.大量涡轮叶片超温、烧伤等，曾使大批F-15战斗机趴窝不能起飞，成为困扰美国空军的最棘手问题之一，使美国空军不得不让GE公司利用用于B-1轰炸机的F101发动机的核心机，发展一种适用于F-15， F-16的发动机，即F110发动机型号系列，形成了由两家发动机公司同时为F-15和F- 16提供不同型号发动机的竞争局面，一直沿用至今。

美国另外一个三代大推力航空发动机型号系列是经典的后起之秀F110系列。F110是美国通用电气公司从轰炸机用的F101改型而来的战斗机用的加力式涡扇发动机。美国卡特政府决定停止B-1A/F101-GE-100计划和美国第一线战斗机用的TF30和F100发动机存在大量耐久性、可靠性和操纵性问题，是促使通用电气公司作这一改型工作的主要原因。该公司在1976年就自筹资金制造了一台F101X验证机，其热力参数与F100发动机的相似，与原来的F101-GE-100相比，减小了涵道比，提高了增压比。

随着军方对战斗机的战备状态和全寿命期费用的关心日益增强，美国空军实施了改型战斗机发动机计划，并与通用电气公司签订一项有限的研制合同，价值8000万美元，包括3台原型机，编号为F101DFE。这项研制计划的目标是：
(1)鉴定F-16和F-14飞机/发动机在实际飞机中的匹配能力，包括性能和作战适用性；
(2)通过加速任务试验确定发动机的耐久性；
(3)根据验证的能力，提出生产型发动机的型号规范。
如果计划成功，那么将提供足够的数据，以使进入全面工程研制阶段的风险减到最小。

经过1980年和1981年两年的广泛试验，达到或部分超过了预期的目标。在F-16飞机上的试飞结果证明，F101DFE无需作重大改进就可以装在这种飞机上使用。在F-14飞机上的试飞结果表明，飞机的留空时间和作战半径都比装原来TF30发动机的增加25%。在试飞中，发动机无需调整，并且油门杆的使用不受限制。在1982年12月的一次试验中，完成了5004个总累积循环(TAC)，其热端部件寿命为当时新采购的F100发动机的三倍。
基于上述结果，通用电气公司又得到了一项在空军替换战斗机发动机计划下的全面研制合同，价值9300万美元，为期两年，发动机正式编号为F110，与普拉特·惠特尼公司F100发动机的改进型竞争用于新生产的F-15和F-16战斗机。这项全面研制计划的重点是实现系统最佳化，确定供F-15、F-16和F-14用的F110发动机的最终构型，并继续进行高空模拟试验、加速任务试验和各种环境试验。F110发动机已于1985年初定型投产并开始交付。

以上两个型号的大推力涡扇发动机可以说是美国战术航空兵能够横行无阻全球打击的动力支柱。F15、F16以及它们的改进型飞机构建起美国战术航空兵的主要体系。可以说没有大推力涡扇发动机，就没有现今称霸全球的美国空军。要想研制装备重型战斗机，必须选用加力推力在10吨以上的大推力发动机。因为重型战斗机的空重通常都在10吨以上，标准起飞重量在20吨以上，最大起飞重量甚至能够达到40吨。加力推力通常只有7-8吨左右的中等推力发动机基本无法满足重型战斗机所需的能量要求。大推力发动机赋予重型战斗机不仅仅是纸面上的推力数据更是实实在在的作战效能。在中距离空战时，中距空空导弹的射界通常都与载机发射导弹时的初速度有关，载机初速越高导弹有效射程越大。中距作战时，双方飞机都会争抢优势战术位置然后加速，尽力增加导弹的有效射程。重型战斗机的双大推力发动机方案设计可以赋予其强大的加速性能，在更短的时间内将飞机推至更高的速度，从而大大加强了重型作战飞机的中距空优能力。在国土防空作战中，拥有更强能量优势的重型战斗机可以更快的爬升至作战高度对入侵的轰炸机和战斗机进行拦截，这大大缩短了国土防空预警时间，抢占了战术优势位置，能够更有效的打击来犯之敌。

适合的大推力航空发动机型号有无和性能更是对我国航空兵战术体系建设产生重大影响。目前除了装备太行发动机的少量歼十一B战斗机使用国产大推力动力系统以外，歼十战斗机，我国进口的苏27系列战斗机、苏30MKK1/2和我国自主生产的歼十一A战斗机全部使用的是从俄罗斯进口的大推力发动机AL31系列。也就是说我国的远程打击力量和主要空优实力都建立在国外发动机基础之上。我国的太行发动机于2005年设计定型后开始小批量装备部队，于2008年开始大批量生产。期间，太行发动机出现了大量可靠性、维护性和寿命问题，致使太行发动机至今仅仅部分装备了歼十一系列战斗机，并且完全没有装备歼十系列战斗机。上文已经提到，美国研制F100发动机时也遇到了类似问题，以至于后来美国不得不再开发出一款类似的大推力发动机F110来弥补F100的性能缺憾。后来随着F100飞行小时数的积累，美国逐渐掌握了三代大推力发动机的使用和改进方法。F100的第二个改型F100-PW-220就是这种努力的结果。虽然F100-PW-220略微牺牲了性能但是成就了其性能、可靠性、耐久性和维护性“四性完善”的综合实力。太行发动机近几年也在不断改进设计瑕疵，纠正生产中不符合现代航空工业规范的不足。相信经过几年的成熟期，太行发动机能够大量装备歼十和歼十一战斗机。从此，我国的远程打击力量，尤其是重型战斗机可以完全摆脱国外动力系统，走上独立自主发展的康庄大道。