F100大戰(zhàn)F110，第4代戰(zhàn)機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，誰是史上最佳（下）

F100進(jìn)化論

　　當(dāng)普惠F100發(fā)動(dòng)機(jī)于1972年隨麥克唐納·道格拉斯F-15A“鷹”式戰(zhàn)斗機(jī)開始服役時(shí)，曾有人大膽地預(yù)測F100將成為西方最成功、最安全的第四代戰(zhàn)斗機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但很快就被現(xiàn)實(shí)打臉。

　　經(jīng)過重重改進(jìn)后的F100-PW-200終于堪用，該發(fā)動(dòng)機(jī)正常干推力5634千克，最大軍推6618千克，最大加力推力10782千克，大修間隔時(shí)間僅大約900個(gè)總累積循環(huán)（TAC）。

F-15E的換發(fā)作業(yè)

　　不管怎樣，F(xiàn)100在模塊化設(shè)計(jì)和可維護(hù)性方面仍徹底改變了戰(zhàn)斗機(jī)渦扇的設(shè)計(jì)。F100是一種軸流式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，涵道比0.7，發(fā)動(dòng)機(jī)為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一根傳動(dòng)軸軸承載由兩級渦輪驅(qū)動(dòng)（兩級高壓渦輪和兩級低壓渦輪）的三級風(fēng)扇，另一根軸承載由另兩級渦輪驅(qū)動(dòng)的10級壓氣機(jī)。

　　F100在設(shè)計(jì)上高度模塊化，任何主要模塊都被設(shè)計(jì)為可在基地而不是維修站進(jìn)行拆卸和更換，其風(fēng)扇、核心機(jī)、低壓渦輪、尾噴管和附件機(jī)匣都可以分別拆卸和更換，而無需拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)的其余部分。

　　在忍受了F100的可靠性和耐久性問題近十年后，美國空軍在1983年推出“替代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)”計(jì)劃，為F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)引入通用電氣的F110作為替代發(fā)動(dòng)機(jī)，這刺激了普惠研制出F100-PW-220改進(jìn)型。

　　這款經(jīng)過升級的發(fā)動(dòng)機(jī)通過改進(jìn)壓氣機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性、冷卻效率以及更有效地將壓氣機(jī)引出的冷卻空氣輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)熱區(qū)，從而大大提高了可靠性、耐用性和穩(wěn)定性，從根本上解決了發(fā)動(dòng)機(jī)失速問題。上述改進(jìn)使F100-PW-220兩次大修間隔提高到4300個(gè)總累積循環(huán)（TAC），相當(dāng)于大約7年的運(yùn)行時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)最大干推力和最大加力推力與-200保持一致。

F100-PW-220

　　F100-PW-220還引入了另一項(xiàng)旨在提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性的重大升級，盡管該發(fā)動(dòng)機(jī)保留了傳統(tǒng)的液壓機(jī)械控制系統(tǒng)作為備份，但引入了全新設(shè)計(jì)的數(shù)字電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制以及發(fā)動(dòng)機(jī)診斷單元，能記錄整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)，便于維護(hù)和故障排除。這是一項(xiàng)重大創(chuàng)新，能讓戰(zhàn)斗機(jī)飛行員毫無顧慮地控制油門運(yùn)動(dòng)，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)工作量。

　　普惠在生產(chǎn)-220新發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)也推出的-220E升級套件，任何以前制造的F100-PW-100和F100-PW-200都能被升級到-220E標(biāo)準(zhǔn)，可與新制造的-220直接互換使用。

　　為了與通用電氣F110競爭，普惠在1989年又推出了推力更大的F100-PW-229，最大干推力增加到8074千克，最大加力推力增加到13227千克，推力級別已經(jīng)追趕上F110-GE-129。該發(fā)動(dòng)機(jī)引入了一系列包括高壓壓氣機(jī)新涂層在內(nèi)的耐久性改進(jìn)，并具有更高的風(fēng)扇氣流流量和壓力，推力比早期的F100高了22%。1992年交付的F-16開始換裝-229發(fā)動(dòng)機(jī)，但由于-229的改動(dòng)較大，-200和-220E發(fā)動(dòng)機(jī)無法通過再制造成-229。

F100-PW-229

　　從80年代中期開始，由于通用電氣F110的大推力，在F-16的出口市場占據(jù)了主要份額。F100-PW-229問世后，普惠得以重返出口市場。1991年韓國選擇F100-PW-229來裝備其按許可證生產(chǎn)的F-16，以保持與早些時(shí)候從美國進(jìn)口的F-16C/D的共通性。

F100-PW-229的識別特征是尾噴管采用了碳纖維整流片

F100-PW-229的核心機(jī)

　　普惠還提出了面向出口的F100-PW-200+發(fā)動(dòng)機(jī)，潛在客戶是那些裝備-200和-220E發(fā)動(dòng)機(jī)F-16，但被限制購買-229的外國空軍。-200+結(jié)合了-220的風(fēng)扇、噴管和-229的數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，最大加力推力12247千克。

　　2009年普惠推出了F100-PW-229EEP（發(fā)動(dòng)機(jī)增強(qiáng)套件），通過應(yīng)用普惠第五代戰(zhàn)斗機(jī)渦扇F119和F135的最新技術(shù)來進(jìn)一步提高F100的性能。-229EEP的改進(jìn)包括來自第五代發(fā)動(dòng)機(jī)的全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況監(jiān)測和傳感器技術(shù)，以及燃燒室和高壓壓氣機(jī)新型隔熱涂層和先進(jìn)材料，其主要目的是將發(fā)動(dòng)機(jī)大修間隔延長至6000個(gè)總累積循環(huán)（大約為十年），延長了40％，使每臺(tái)F100-PW-229EEP能降低了30％的生命周期成本。-229EEP成為經(jīng)過美國空軍認(rèn)證的第一臺(tái)具有6000個(gè)TAC的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

F100的進(jìn)化之路

F110崛起

　　吃過F100的苦頭之后，美國空軍深感為F-16尋求一種備選發(fā)動(dòng)機(jī)的必要性。一方面是為普惠樹立一個(gè)競爭對手來降低成本，另一方面是在普惠發(fā)動(dòng)機(jī)出狀況時(shí)，也有第二種選擇。為尋求F-16和海軍F-14“雄貓”的備選發(fā)動(dòng)機(jī)，1984年國防部授予通用電氣一份價(jià)值8000萬美元合同，制造3臺(tái)用于試飛的F101衍生型戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)（DFE）。F101 DFE的設(shè)計(jì)基于B-1轟炸機(jī)使用的F101，但融合了F/A-18使用的F404發(fā)動(dòng)機(jī)的一些特性。

　　該項(xiàng)目的目的是：

　　·鑒定F101 DFE與F-16和F-14飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際飛行中的匹配能力、性能和作戰(zhàn)適用性。

　　·通過加速任務(wù)試驗(yàn)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性。

　　·根據(jù)驗(yàn)證的能力，提出生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的型號規(guī)范。

　　如果計(jì)劃成功，那么將提供足夠的數(shù)據(jù)，以使進(jìn)入全面工程研制階段的風(fēng)險(xiǎn)減到最小。

　　經(jīng)過1980年和1981年兩年的廣泛試驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到或部分超過了預(yù)期的目標(biāo)。在F-16飛機(jī)上的試飛結(jié)果證明，F(xiàn)101 DFE無需作重大改進(jìn)就可以裝在這種飛機(jī)上使用。在F-14飛機(jī)上的試飛結(jié)果表明，飛機(jī)的留空時(shí)間和作戰(zhàn)半徑都比裝原來TF30發(fā)動(dòng)機(jī)的增加25%。在試飛中，發(fā)動(dòng)機(jī)無需調(diào)整，并且油門桿的使用不受限制。在1982年12月的一次試驗(yàn)中，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)完成了5004個(gè)總累積循環(huán)（TAC），其熱端部件壽命為當(dāng)時(shí)新采購的F100發(fā)動(dòng)機(jī)的三倍。

安裝F101 DFE的F-16/101驗(yàn)證機(jī)

安裝F101 DFE的F-14B驗(yàn)證機(jī)

　　F101 DFE發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)源自B-1B的F101-GE-102、KC-135的CFM56-2和B-2A的F118-GE-101發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)展成熟度和推力方面都非常合適，可以打破普惠公司自從70年代其獲得的美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壟斷地位。

F101 DFE

　　基于上述結(jié)果，通用電氣得到了一項(xiàng)“替代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)”計(jì)劃（AFE）的全面研制合同，價(jià)值9300萬美元，為期兩年，從此揭開了發(fā)動(dòng)機(jī)大戰(zhàn)（Great Engine War）的序幕。發(fā)動(dòng)機(jī)正式編號為F110，與普惠F100的改進(jìn)型競爭新生產(chǎn)的F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置。這項(xiàng)全面研制計(jì)劃的目的是研制一種不僅可以降低維護(hù)成本的發(fā)動(dòng)機(jī)，并且與普惠生產(chǎn)的F100-PW-100和F100-PW-200發(fā)動(dòng)機(jī)相比也能為F-15和F-16提供了更大推力，項(xiàng)目的研制重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳化，確定供F-15、F-16和F-14用的F110發(fā)動(dòng)機(jī)的最終構(gòu)型，并繼續(xù)進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)、加速任務(wù)試驗(yàn)和各種環(huán)境試驗(yàn)。

　　美國海軍決定采用DFE來取代“雄貓”的TF30渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但是美國空軍更進(jìn)一步，于1984年2月按照雙承包商采購策略，決定對F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的采購在F100和F110之間按一定比例分配。在1985年采購的160臺(tái)中，75%為F110，25%為F100。

　　與F101-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)相比，F(xiàn)110有以下幾方面的改變：風(fēng)扇由2級改為3級，壓比提高到3.2，直徑減小到970毫米，涵道比減到0.87；為適應(yīng)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高，重新設(shè)計(jì)了低壓渦輪；為滿足戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)動(dòng)飛行要求，設(shè)計(jì)過載提高到10；對控制系統(tǒng)作了改進(jìn)，增加了備份裝置；為適應(yīng)F-14、F-16和特別是F-15飛機(jī)的機(jī)體，對外部尺寸、管線和防冰系統(tǒng)作了必要的修改；最后也是很容易被忽略的一點(diǎn)，就是為了減輕重量而不犧牲耐久性，對核心機(jī)以外的幾乎所有部件和系統(tǒng)都采取了減重措施。

F100-GE-100

　　F110都使用在F-16機(jī)隊(duì)上，F(xiàn)-15（F-15E出口型除外）只安裝F100。1985財(cái)年Block 30 F-16C/D開始安裝F110發(fā)動(dòng)機(jī)，從此之后美國空軍購買的F-16中有75%安裝通用電氣發(fā)動(dòng)機(jī)，剩余的安裝普惠發(fā)動(dòng)機(jī)。但是同個(gè)聯(lián)隊(duì)并不會(huì)裝備安裝有不同發(fā)動(dòng)機(jī)的F-16，因?yàn)闀?huì)增加備件和物流的成本。

率先裝備F110的F-16 Block 30戰(zhàn)斗機(jī)

F110的完善與發(fā)展

　　F110具有三級風(fēng)扇、九級高壓壓氣機(jī)、一個(gè)環(huán)形燃燒室、一級高壓渦輪和兩級低壓渦輪。F-16 Block30/40安裝的F110-GE-100最大加力推力為12700千克，通用電氣還為美國海軍的F-14B/D提供了相同推力級別的F110-GE-400。普惠早期F100-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)的大修間隔時(shí)間僅為900個(gè)TAC，美國空軍認(rèn)為-200也不夠可靠，而通用電氣F110-GE-100則能達(dá)到4000個(gè)TAC的大修間隔。

安裝F110-GE-400的F-14D

　　隨后通用電氣推出了F110-GE-129，提高渦輪進(jìn)口溫度55～80℃，增大轉(zhuǎn)速，改進(jìn)材料并采用全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，大修間隔提高到4300個(gè)TAC。-129最大加力推力增加到13336千克，被大量安裝在F-16 Block 40/50和F-15E出口型上，成為目前產(chǎn)量最大的F110型號。

F110-GE-129

　　F110下一個(gè)增推版本是F110-GE-132，成為阿聯(lián)酋80架F-16 Block 60的動(dòng)力裝置。該型號采用加力燃燒室火焰穩(wěn)定器取代了之前的噴桿，并結(jié)合了耐用性改進(jìn)，如三級風(fēng)扇全部改用一體式葉盤，以及復(fù)合材料外涵道機(jī)匣。-132推力增加到14742千克，即使在阿聯(lián)酋惡劣的沙漠環(huán)境中其使用壽命也達(dá)到4300個(gè)TAC。

F110-GE-132

　　將F110-GE-100和-129的可靠性分別提高到4000個(gè)TAC和4300個(gè)TACS之后，通用電氣又開始為F110-GE-129發(fā)展了服役壽命延長計(jì)劃（SLEP），使該發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性提高到6000個(gè)TAC，也就是說大修間隔時(shí)間從7年延長至10年。

　　F110-GE-129SLEP應(yīng)用了來自世界上最常見商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)——CFM56-7的一些技術(shù)，包括能改善壓氣機(jī)氣流的3D空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)（以提高效率以及轉(zhuǎn)子和結(jié)構(gòu)的壽命）；在燃燒室中增加冷卻通道，使其使用壽命延長一倍；渦輪葉片和渦輪級的空氣動(dòng)力學(xué)、材料和冷卻改進(jìn)，增加了耐用性；修改加力燃燒室設(shè)計(jì)以增加耐用性、減少維護(hù)并提高可維護(hù)性。有意思的是-129SLEP的核心機(jī)改進(jìn)也能被應(yīng)用在F101和F118系列中的任何發(fā)動(dòng)機(jī)上，如美國空軍正在進(jìn)行的B-1B轟炸機(jī)的F101-GE-102發(fā)動(dòng)機(jī)升級。

GE的通用核心機(jī)策略非常成功

　　與SLEP同時(shí)進(jìn)行的改進(jìn)項(xiàng)目是持續(xù)組件改善計(jì)劃（CIP），旨在不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)耐用性，減少維護(hù)和管理工作量。這項(xiàng)升級將利用GE90大型商用渦扇的技術(shù)，為F110引入新的渦輪和燃燒室設(shè)計(jì)改進(jìn)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)在在炎熱和惡劣環(huán)境中操作的耐用性和可靠性。

沒有輸家的戰(zhàn)爭

　　F100和F110的競爭不斷把兩種第四代戰(zhàn)斗機(jī)渦扇推向成熟，推力和可靠性繼耐用性持續(xù)提高。

　　到目前為止，普惠共生產(chǎn)了超過7300臺(tái)F100發(fā)動(dòng)機(jī)，目前仍有3900多臺(tái)在服役中，共有23個(gè)國家和地區(qū)的空軍在操作這種發(fā)動(dòng)機(jī)。而通用電氣F110的總產(chǎn)量為3200多臺(tái)，目前看來F110處于下風(fēng)，但F110-GE-129憑借更低的價(jià)格和維護(hù)成本以及更高的推力已經(jīng)多次在發(fā)動(dòng)機(jī)選型中戰(zhàn)勝F100-PW-229，獲得沙特F-15SA、卡塔爾F-15QA、美國空軍F-15EX，以及F-16V戰(zhàn)斗機(jī)訂單的選購，其生產(chǎn)線將比F100維持更長時(shí)間。

將采用F110-GE-129的F-15EX