[转载]细侃航空发动机之一前言及美国篇|行业拆客

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只看楼主倒序阅读我要置顶楼主发表于: 2016-09-10

当代发动机王者——美帝F135发动机镇楼!

说到航空发动机，绝对是众多关注军事人们口中一个经久不衰的话题，特别是再一提到我兔近几年的一些新玩意儿，什么歼-10、歼-15、歼-20、运-20、直-20，甚至还有刚刚下水的052D等等纷纷以“心脏病”患者全方位无角度中枪。但是这些个问题说起来，又是一个极度富有科学、历史乃至政治意味的话题

1.航空发动机的简要历史
既然是航空发动机，那就不得不提及一下人类用于地面机车辆动的普通车用发动机，因为在那个机械革命刚刚兴起的年代，海陆空三个领域的界限远没有今天这么明显，所以说人类历史上的第一台航空发动机（就是莱特兄弟驾驶上天的那架人类第一架飞机所用的发动机）就是从地面车辆上直接移植而来。因此，当时的航空发动机的的原理和构造非常简单，就是用燃料燃烧产生的能量推动活塞产生动力

这是一台用于早期螺旋桨飞机的行星发动机（顾名思义，其汽缸以行星环绕状围绕传动轴进行布置），其原理图如下所示：

这样的形式的活塞式发动机一直沿用到了人类历史上最大的一次拍砖大战，在那个一切为了战场胜利、科学技术一日千里的年代，航空发动机也真正与地面车辆发动机等它的亲戚们分道扬镖，形成了一个独立的群体，科学技术的进步也让当时的航空发动机达到了很高的技术水准，为了使发动机爆发出更大的功率，人类无所不用其极，就形如刚才提及的行星发动机，当年美国普惠公司设计生产的R-4360 “超黄蜂”发动机（这名字略耳熟）其汽缸总数达到了史无前例的28个！
但是逐渐，人类发现这种使用活塞推动螺旋桨产生动力的形式出现了难以逾越的鸿沟，无论人们怎么加大发动机功率、使用更大的螺旋桨都无济于事（其中的原因直到人类在空气动力学取得一定成果后才被知晓：当螺旋桨旋转的速度越来越大时，若桨尖的速度超过了音速，那么螺旋桨的推力也会急剧的下降，产生无法逾越的“推力鸿沟”），于是人类开始将目光投向了其他形式产生推力的动力来源。
比如说，火箭发动机：

纳粹德国末日科技里的Ba 349截击机计划，使用火箭发动机作为冲刺动力。
但是火箭发动机的可重复利用性极差，光凭这一点就让它难以跻身新型飞机发动机的行列（你从总不能辛辛苦苦造了一台发动机，上天飞了一圈下来就用不了了吧！当然你要是打算像日军当年的“神风”特攻队那样把飞机当作人操导弹，那就当我什么都没说）。
但是火箭发动机的原理其实并没有错，人类就按照这个思路继续探索新的航空动力形式，最诞生了真正让人类跨越航空动力鸿沟的涡轮喷气式发动机（就是人们常说的“涡喷发动机”）。

又是当年纳粹德国末日科技里的成果，但是相比Ba 349截击机它真正变成了现实，Me-262喷气式发动机，它的横空出世震惊了盟国，不过好在纳粹德国已经山穷水尽，这样一个划时代的作品并没有影响战争的进程。

所以在第二次蓝星战争结束后，涡喷发动机便取代了活塞式发动机成为了新一代的航空动力主流，由此也诞生了一大批当时驰骋蓝天的空中舞者。

美帝的F-86“佩刀”战斗机与它的好基友苏联的米格-15战斗机比翼齐飞，它们共同采用的后掠翼+涡喷发动机组合引领了航空界的新潮流，而且它们俩当年在朝鲜半岛说不清道不明的一段故事也被无数后世的空战爱好者所津津乐道。
而且，正是由于采用了涡喷发动机，人类才真正意义上实现了超音速飞行，也由此产生了当年战斗机设计里一个不可动摇的指导概念——“高空高速”。

人操火箭F-104“星战士”战斗机，美帝国主义航空业界良心洛克希德马丁公司出品，最早实现“双2指标”的战斗机（2万米升限、2马赫音速），据说在设计这家伙时，洛马公司的总师约翰逊直接从美陆军借了几十根火箭当作试验品，于是就有了这么个航空怪胎的出现（我才不会告诉你这家伙真正的外号叫做“寡妇制造者”)。

然后的历史大家就应该很熟悉了，就是在涡喷发动机的基础上，推力更加强大的涡扇发动机出现了，所以在这里楼主偷个懒，摘一段度娘的解释：“人们通过计算发现，以当时的涡喷发动机的技术水平，在涡喷发动机加装了风扇变成了涡扇发动机之后，其技术性能将有很大的提高。当涡扇发动机的风扇空气流量与核心发动机的空气流量大至相当时（函道比1:1），发动机的地面起飞推力增大了百分之四十左右，而高空巡航时的耗油量却下降了百分之十五，发动机的效率得到了极大的提高。”
下面的两个图比较清晰的表示了涡喷发动机和涡扇发动机的异同：

所以，涡扇发动机也很快取代了涡喷发动机成为了航空动力领域的主流，也是目前人类几乎所有可重复利用式飞行器的主动力来源，其技术水准很大程度上代表了当今人类航空动力领域的整体水平。所以在本文中，楼主也将涡扇发动机作为讨论的主要对象。

二.航空发动机的设计难点
在今天，高水平的航空发动机，尤其是设计供战斗机使用的涡扇发动机已经无可争议的成为了工业王冠上最为耀眼的一颗明珠，这一点其实很好理解，战斗机作为空军的绝对主力，在争夺制空权时有着无可替代的地位（试图对防空导弹抱有幻想的请脑补贝卡谷地），而战斗机的大多数战斗指标，都要最终落实到航空发动机上进行实现，比如说今天为大家津津乐道的第五代战斗机的“4S”指标，其中的三个S都与发动机息息相关。
因此，这样一台被寄予厚望的涡扇发动机，其采用的技术细分下来将源自于一个结构合理、门类齐全的工业体系中数百乃至上千个领域的最高科技成就，可以这样说，只要现在在大学里开设的所有带“工科”字样的专业，或多或少都可以在一台发动机中找到自己的位置，一台高水平航空发动机的技术集成度，在迄今为止人类的工业项目中绝对是顶尖水平。

如果说上面的叙述有点抽象，那么从发动机的工作原理上讲，航空发动机在进行工作时，每秒钟将有数十千克的空气横贯发动机的内部（熟悉空气动力学的可以换算一下流速），而且在如此高的空气流动中，发动机内部温度可达上千摄氏度的火焰（这超过了绝大多数金属的熔点）保持既不熄灭，还要保持着良好的可控状态，而且在如此高的温度下，发动机内部的涡轮和风扇还要能进行每秒上千的旋转，自身的结构从里到外也不能发生任何不可控改变。试想一下这将是一个多么壮观而又可怕的情形？而为了这一切，又该使用什么样的合成金属、什么样的机械结构、什么样的控制原理才能够得以精确实现？

举个栗子，某型发动机的前风扇叶片，在进行加工的过程中，需要将重达数吨的毛坯进行上千次进退刀，数百次入火退火等等复杂工序最终加工成的叶片外形曲面结构需要用上千个数学函数才能够空间坐标体系进行准确描述，而这其中又将蕴含有多少科技成果？又会有多少科学工作者将为其一生皓首穷经？
还记得有一部电视剧《少年包青天》里关于一种毒药是这样描述的：”这种毒药由18种草药炼制而成，而解毒药也原料恰好是这18种草药，但是炼就的过程中放入草药的过程却不一样，要想获得解毒药，就必须知道炼制毒药时18种草药的放入顺序，然后见招拆招以另外一种顺序炼制解药，反之则无药可解“，发动机的制造其实和这种说法异曲同工，设计或制造过程中一个微小的变化就可能产生连锁效应，导致出现结果的极大不同，为什么我国五十年代在苏联的帮助下就学会了发动机的完整制造过程，但是（原）却（地）耗（踏）费（步）了三十年才掌握发动机整体的设计流程？”魔鬼往往产生于细节中“这句西方的谚语在此形容真是恰如其分，所以如果现在谁要是还在YY有一天我兔拿到F119、F135发动机之后发动我兔满级山寨技能进行国产化的话，请单击屏幕右上角的“X”按钮退出本帖。
所以今天，连朝鲜这样的小国家都能制造核弹的情况下，世界上能够完整设计并制造涡扇发动机的国家依旧只有美俄中英法五个安理会大流氓，而且从目前的情形看，很可能也不会有第六个国家能跻身这个贵族俱乐部，其中就包括一些传统工业强国，诸如被某些别有用心的人捧上神坛的德国、日本，这其中的原因，请大家自行脑补，在此省略数万字。

三.当今世界发动机的主要行业代表
目前蓝星上能够制造高性能航空发动机的国家只有安理会的五大流氓，能够进行设计制造的公司也只有如下几家：
1.美国普拉特惠特尼公司
2.美国通用电气公司
3.英国罗尔斯罗伊斯公司
4.法国斯奈克玛公司
5.俄罗斯留里卡-土星科研生产联合体
6.俄罗斯克里莫夫设计局
7.中国一航
但是，即便是这样一个小众的精英俱乐部中，也可以根据水平高低划分出两个集团，水平最高的第一集团则是上表中的前三家，普拉特惠特尼、通用电气、罗尔斯罗伊斯。

1.美国普拉特惠特尼公司

普拉特惠特尼公司（以下简称普惠公司），是美国的老牌航空发动机制造企业，也是首先从涡喷时代迈入涡扇时代的先行者之一，而要谈及普惠公司，就不得不说其成功的代表作——F100-PW-220涡扇发动机

F100-PW-220发动机是当年配备美国空军新锐F-15战斗机的唯一发动机，因为它是世界上最早投入使用的推重比达8一级军用发动机，它的诞生不仅标志着一个新时代的到来，也为后世的发动机发展产生了及其深远的影响。

F100发动机的主要装机对象便是美国空军的主力，F-15和F-16战斗机，为这两种型号飞机高超的技战术平做出了极大的贡献，而且为满足F-15、F-16战斗机新改进型号不断增加的体重，F100发动机也展现出了很高的发展潜力，目前为止依旧占据着美国空军发动机的绝对主力位置，在波音公司为适应隐身时代推出的F-15最新改进型号F-15SE“沉默鹰”战斗机上，依旧是两台F100发动机为这只志在千里的老鹰提供着澎湃的动力。

说到这里楼主稍微歪一下楼，在F-15SE出现之后，曾经在众多军事爱好者中争论不休的SU-27家族和F-15家族谁优谁劣的问题似乎淡化了很多。的确我们不得不承认，F-15战斗机虽然已经问世了40年，但是其依旧是美国空军制空战斗机的主力，而且F-15SE的出现，让人们不得不赞叹F-15战斗机初始设计的前瞻性和成熟性，通过使用一系列新技术，如V型垂尾、保形油箱弹仓、主动相控阵雷达等，F-15这种稍显老旧的战斗机一下子具备了与EF-2000、SU-35甚至F-35这样的新生代一较高下的能力。在这一点上，曾经与之不相上下的“侧卫”家族则被甩开了距离。而且不光如此，在波音公司的一项计划中，F-15的深度改进型还将使用与F-22相同的CART进气道，进一步增强机动性及隐身能力。

我们书归正传。。。

前面我们提到了第五代发动机隐身、超机动、超音速巡航和超信息优势的4S标准，其中前三项都与这台变态的F119有关，特别是得益于F119强大的推力和矢量喷口，F-22战斗机在美国空军的著名的“红旗”军演中独孤求败，驾驶F-15等第四代战斗机与F-22对抗的一些飞行员曾经这样描述到：
“我们根本跟不上它的节奏，每次它都能以极快的速度向我们发起攻击或者逃逸，而我们只能够开启加力才能勉强维持一阵，然后一句”Bingo“（燃油不足），我们就得退出演习到加油机那里去加油，如果它不是速度的王者，那我反而不是它的支持者。
由此可见，被誉为当代“空战女皇”的F-22，其强势不仅仅在于其优异的隐身能力，还来源于其近乎无解的超音速巡航及超音速机动能力，如果说一些第四代战斗机可以通过隐身修形、控制外挂等方式接近F-22的隐身能力，但是在超音速巡航和超音速机动能力的短板上，发动机型号、气动外形不可能经受大规模改进的第四代战斗机几乎没有翻盘的可能，以前在一些军坛上有些人敢YY出什么SU-35大战F-22、歼-10枪挑F-22的神话，楼主我也不知道是该悲哀你们的无知还是笑话你们的无脑。

F-22和F-15两代空战女皇比翼齐飞，现如今美国空军独孤求败的状况随着这两者配合的逐渐默契依旧在持续。

当然，普惠公司F119的故事还未结束，在美国空军、海军、海军陆战队共同参与的”联合打击战斗机“项目中，即现在的F-35战斗机也采用了衍生自F119的F135发动机，而为了驱动F-35那肥硕的身躯，F135爆发出了史无前例般18吨级别的推力，当之无愧地成为了目前为止人类历史上最为强大的发动机（没有之一）。虽然现如今F-35项目目前被众多难以解决的问题所困扰，但这并不能妨碍F135发动机的王者地位。

说到这里楼主发现自己犯了个错，如果在提及F100、F119以及F135时不提及普惠公司和通用电气公司历史上的两次”发动机大战”，似乎好多问题都说不清楚。所以在介绍完通用电气公司之后，楼主打算出一篇番外，专门介绍一下这两次对美国乃至全世界航发产业都产生深远影响的“发动机大战“

2.美国通用电气公司

首先希望大家搞清一点，这次介绍的”通用电气”（General “和同为美国公司的”通用汽车“（General Motors，简称GM）以及”通用动力“（General Dynamics，简称GD）可不是一回事，虽然它们三个的称谓中都带一个”General“，但是这三者专攻的领域可是不尽相同。以后谁要是在众人面前搞混了这三家公司出了丑，楼主将发动右上方斜视45度技能表示绝不负责。
通用电气公司是与前面介绍的普惠公司一起并称为美国航空动力的双雄，两者各有所长，通用电气在技术理念上比高出普惠一筹而在技术成熟度稍逊，擅长利用一些新技术、新概念抢占技术的制高点。而普惠公司正好相反，经常利用熟练地系统组成能力将一些实而不华的技术高效融合形成高水平的产品。这样两家公司在航空发动机这样的超高端领域进行竞争的场面，在世界上目前也仅有美帝一家。这样的竞争机制为美国航空业的发展提供了很大的便利条件，使得美国的飞机设计师们在设计飞机时能闲庭信步般的”选用“发动机。

通用电气公司目前的扛鼎之作之一便是与普惠公司F100处于同一水准的F110系列发动机，这台脱胎于F101（用于B-1B轰炸机），涅槃于第一次发动机大战的第三代大推力发动机也是F-15、F-16战斗机的备选发动机，美国销往韩国、新加坡的外销型F-15E型战斗机（对应的型号分别称为F-15S和F-15K）就是F-15家族中唯一选用F110发动机家族的型号（我们中出了一个叛徒），而F-16战斗机作为美国的外销主力战斗机，也有不少型号采用了F110发动机，当然也包括美国和日本XXOO之后的那个私生子F-2。

F404/414发动机则是通用电气公司另一个代表作，它属于第三代中等推力发动机，与F100和F110、AL-31等第三代大推力发动机相比它的推力是8吨级别，但是推重比也能保持在8左右，一般用于采用双发结构的中型战斗机，例如F/A-18“大黄蜂”、早期型号的EF2000“台风”，或者单发的轻型战斗机，例如瑞典的“鹰狮”、印度的LCA“光辉”，中国的“枭龙”（巴巴羊肯定有这个心思，甚至连EF2000的标配EJ200他都敢想，但是估计这事从目前来看成不了）。

应该说，晚于F100、F110出世的F404/414发动机的技术水准比起前两者的确是高出一筹，目前该系列最新改进型号F414的加力推力已经接近10吨级别，具备了一些第四代发动机的水准，配备了该型号发动机的F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗力相比于F/A-18C/D经典型的“大黄蜂”有了极大的提高（看我塞亚人超级大变身）。美国海军在目前F-35C战斗机受累于较差的空战能力，而且潜在对手的歼-15、苏-30等新锐战斗机装备渐成规模的情况下，一方面开始独立着手推进名为F/A-XX的第六代战斗机计划，同时依旧将F/A-18E/F作为今后二十年内美海军航母战斗群的主要防空力量，可见“超级大黄蜂”其强大的技战术水准。

在这里楼主忍不住又得自己歪下楼，现在对于美国海军、空军、海军陆战队，恐怕最让这三大军种头疼的就是F-35这个号称史上最大（坑）战斗机项目的半吊子工程了。为了让F-35实现计划中的三军通用，这架堆砌了大量高新技术的战斗机反而因为这个“通用”所拖累，而这样的结果最大的元凶就是海军陆战队，要不是海军陆战队坚持F-35要有垂直短距起降能力，从而有的F-35B子项目，现在的美国海军和空军也不会看着手里这个烫手的山芋骑虎难下，美国空军还倒好说，反正老子有F-22镇宅子，就算F-35再不济，那也是大户人家的丫鬟能拿的出手。但是美国海军可就有点羞涩了，F-35那低劣的翼载设计带来的笨拙机动性以及单发设计，怎么看都不像是能在未来几十年内撑起美国海军航母编队空中大伞的当家花旦。但是失之桑榆，收之东隅，还好现在波音的F/A-18E/F超级大黄蜂让美国海军非常满意，而且后续还会有更加强悍的EA-18G、隐身化大黄蜂的出现，给美国海军吃下了一颗定心丸。

“咆哮者”EA-18G，曾经在著名的红旗军演中击落号称空战女皇的F-22

使用隐身武器茧包的隐身化超级大黄蜂，在原先超级大黄蜂的基础上进一步降低了雷达信号特征
但是就在这个时候，在某个东方毒菜不冥煮国家的腹地，两架与F-22形似神似的战斗机分别在2011年和2012年腾空而起，这可让美国海军有些不淡定了，用深度改进的第四代战斗机踹一个拥有第五代战斗机国家的大门？美国海军想想都头疼。
于是，在美国海军的授意下，一些美国航空企业开始了对第六代战斗机的前期设想和验证，比如说这个：

如此具有科幻感和冥煮范儿的战斗机什么时候能面世呢？嗯，我们还是先去关注一下美国的财政悬崖吧

继续把楼正回来：
当然，代表通用电气最高水准的发动机远不止F414、F110-GE-129所能概括，在F-22战斗机还处于ATF的概型性阶段，通用电气便已经开始推出了自己的第四代发动机YF120与普惠的YF119进行竞争。

YF120相比于F119（当时称YF119）最大的优势在于它采用了当时非常新兴的变循环技术，简单的说就是发动机会进行自适应调整，在高空高速时显示为涡喷发动机的特征，反之则显示为涡扇发动机的特征（这项概念不光是在当时，就是在二十年后的今天也算得上是天顶星科技了！！！），而且与YF120进行搭配的，恰恰也是新颖科幻的诺斯罗普格鲁门YF-23，这样的梦幻组合简直就是外星科技般的华丽与超前，但是“成也萧何，败也萧何”，正是由于技术太过于超前，被当年F-15A“机库皇后”吓怕的美国空军最终还是选择了更加稳妥的YF-22+YF119组合。

更加妖艳科幻的YF-23，很多航空迷心目中的王者，可惜这两架飞机再也没有机会升上蓝天了。
但是这样的失败并没有令通用电气放弃YF120，在随后的JSF项目中（现在的F-35），通用电气与同为世界航空发动机制造巨头的罗尔斯罗伊斯公司强强联合，推出了基于YF120的F136发动机，并依旧将变循环技术作为该款发动机的卖点，而且美国国会出于抑制垄断的考量，也一度同意将F136作为F-35战斗机的备选动力，但是最终出于种种原因（在番外篇的发动机大战介绍），最终美国国会还是放弃了技术先进的F136，通用电气和罗尔斯罗伊斯公司也于2011年12月2日发表联合声明，终止F136发动机的研制工作，彻底判处了YF120的死刑。
但是这并不代表这变循环技术的终止，毕竟这项技术已经是航空发动机行业公认的未来发展方向，在美国海军F/A-XX第六代战斗机项目中，连失两城的通用电气会不会倚靠着这项日趋成熟的技术打一个漂亮的翻身仗，我们拭目以待。

二：http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=1806175
三：http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=1806181
四：http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=1806187

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