没有输家！——美国发动机大战（Engine War）的回顾

万磁王

作者：MAYA

　　二十年前的美国航空发动机业界，一出精彩“大战”正在如火如荼的上演，对阵双方是久负盛名的普拉特.惠特尼 Pratt&Whiney 和通用电气 General Electric 公司。“心脏”之战的起因是源于美军实施了一项名为“可替换战斗机发动机（Alternate Fighter Engine-AFE）”的计划，该计划打破了普.惠公司在第三代发动机市场中的垄断地位。双方使出了浑身解数、争夺更多的订单，大战程度之激烈可想而知！作为“战争的发动者”——美国军方使出了拿手的平衡策略，最大限度地鼓励竞争，成为了此役最大的赢家。“战争”的结果使得发动机寿命期成本降低，（F100 和 F110）两系列的可靠性、耐久性大幅提高，发动机货源又有了“双保险”，可谓一举多得。时至今日，这场大战仍在继续……本文根据公开资料编译而成，提供大家参考。

F100-PW-100 发动机在 F-15 服役后，尾喷管整流片被全数拆除以简化维护

通用电气的 F110 发动机

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缘起

　　追溯 AFE 的起源还得从两超激烈争霸的六〇年代讲起。1967 年 12 月，美国空军和海军决定联合开展一项发动机研制项目（Joint Engine Project-JEP），即采用同一台核心机 [注 1] 分别发展两型发动机，用来装配 F-X（1968 年后正式编号 F-15；1969 年 12 月 23 日麦道公司获得了研制合同）和 F-14B 飞机。该计划的最终目标是研制一台高性能的加力式涡扇发动机，其推重比指标要求较上代发动机提高近一倍，而当时美军主力战机 F-4 的 J-79 涡喷发动机仅有 4.7 左右。
　　[注 1] 核心机：又称燃气发生器，是产生高温高压燃气的核心部件。她是燃气涡轮发动机中工作条件最恶劣（高温、高压、高转速）、技术问题最复杂、对发动机性能、可靠性影响最大的关键部分。其主要组成部分有三大高压部件（高压压气机、主燃烧室、高压涡轮）和传动等系统，此外为核心机试验运行的需要还与之匹配相应的附件系统，所构成的相当于一台单转子涡轮喷气发动机。
　　1968 年 4 月 12 日，初始工程发展计划的征求建议书（RFP）分别下发通用汽车 Allison 分公司、GE 和 P&W 三家公司，同年八月底，国防部 OSD 选定 GE 和 P&W，与其分别签订了一项为期 18 个月的验证机研制合同，要求双方各自生产两台技术验证机（海、空型号各一台）。为此 P&W 公司研制了 JTF22 验证机进行投标，GE 公司则以 GE1/10 来竞争，最终结果实力雄厚的 P&W 击败了竞争对手，于 1970 年 3 月 27 日正式获得了总价达 4.482 亿美元的大合同，研制、制造、试验约 90 台发动机。然而此时春风得意的 P&W 公司却没有感到丝毫的轻松，由于空军迫切要求 F-15 能够尽速服役，以应对苏联 МиГ-25 及新型战机的威胁，所以发动机厂商务必在短时间内提供一台满足性能要求的发动机。根据计划 P&W 公司必须坚守两个关键节点：1972 年 2 月完成飞行前规定试验 PFRT 和 1973 年 2 月前通过定型考核试验 QT [注 2]。从 P&W 赢得合同之日算起，留给研制者仅有短短的三年，而通常研制这样一台发动机至少需要 5 到 10 年的时间！
　　[注 2] 当时美国军用发动机研制标准是 MIL-E-5007C《航空涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机通用规范》（简称通用规范；1973 年将 A、B、C 三本标准合并为一本 MIL-E-5007D，我国于 1987 年 2 月 17 日颁布的 GJB241-87 通用规范就是以 5007D 为参照蓝本。）通用规范是美军在多年来型号研制经验总结的基础上所编制的指导发动机研制工作的标准文件。规范规定，在研制过程中发动机须进行如下两项持久试车考核项目：飞行前规定试验 PFRT 中的 60h 持久试车和定型试验 QT 中的 150h 试车。发动机在装机试飞前需进行 60h[10h×6] 的持久试车，6h 阶段的后半段要经过 156min 的加温加压试车，该项试验是验证发动机在实验飞机/原型机上进行飞行试验的适应性；定型考核阶段则要求必须用两台发动机做两个 150h 持久试车 [25h×6]，即 QT150 试验。试验的目的是验证发动机取得合格证并作为生产型发动机的可能性。
　　F100 的设计工作开始于 1968 年 9 月（循环参数选取在 1967 年就已开始），P&W 设计者们结合多年积累的研制经验、在先进燃气发生器（ATEGG）[注3] JTF16 的基础上发展出一台 JTF22（XF100）验证机，1969 年试车达到了预期目标。在赢得研制合同后，随即展开 F100 全尺寸工程（FSD）研制工作，同年 12 月就进行了首次台架试车，1972 年 2 月 YF100 顺利通过 PFRT 考核。7 月 27 日上午八时二十一分，首架装配两台 YF100 发动机的 F-15A 原型机在爱德华兹空军基地首飞蓝天，这标志着发动机研制取得了重大的阶段性胜利！

涡扇发动机的典型结构图

　　从 1968 年到 PFRT 前的不到四年间，F100 累计进行了约 3,000 小时的发展试验，总的看这时期的研制工作还是比较顺利的。
　　[注 3] 为了缩短燃气涡轮发动机的研制周期，降低研制经费，对未来发动机要求尚不明确的背景下保持技术的先进性，美国自五十年代末起执行了一项名为先进涡轮燃气发生器的计划（ATEGG），由军方与厂商签订研制合同，在基础性研究、先进部件预研的基础上，将高压部件组成一台核心机进行各项试验，考核核心机的性能、部件匹配等，为今后型号的研制提供关键技术储备。1964 年 P&W 推出了该公司在这项计划下发展的首台 STF200 核心机，GE 则研制了 GE-1 技术核心机。
　　然而作为“一核双型”的代表在研制之初就面临了“跛脚”的危险。1970 年的 11 月，海军由于 F-14 的预算遭大幅削减，原来 179 台订单减少到 69 台，如此大幅度删减使原本紧张的研制预算雪上加霜。
　　1971 年海军订单再次削减到58台，如此一来单机价格势必突破原先的定价。另一方面 P&W 也向空军表示，为了确保推重比指标的实现，在研制过程中应用了大量的先进技术、需进行大规模的试验工作，因此研制成本居高不下，并提醒空军相应的维护费用肯定会大幅增加，对此空军仍坚持原先的要求。
　　1971 年 6 月 P&W 突然宣布，F100 发动机 1973 财年的费用将上涨，整个研制经费比原先预计高出 $6,300 万。对于超支的解释，P&W 称是由于海军型号遇到技术问题、增加了试验项目、通胀以及公司收益下滑等多种因素造成。根据双方所签订的“费用加奖励”合同，若费用超过合同规定，则超支部分由合同双方按照 90：10 的比例进行分摊，即 P&W 承担超额的 10%，余下部分由海空军平均分担。
　　在这种情况下，海军于 1971 年 6 月 22 日决定取消余下的 58 台 F401 发动机合同，不过海军型号的研制计划仍然继续，直到 1975 年才终止。同年八月空军与 P&W 重新签订了一份修改合同，追加 1.22 亿美元。新合同规定，对用于飞行试验和生产型的发动机按“固定价格加奖励”的办法，空军和公司间以 75：25 的比例分摊。
　　1975 年，P&W 又赢得为空军“轻型战斗机”（LWF）——F-16 提供配套发动机的合同。至此 F100 统一了空军第三代战斗机的动力市场！军方打的如意算盘是，由 P&W 一家包揽既可统一后勤保障、方便维护，又扩大了发动机的采购量、分摊研发费用从而降低采购成本。不过这一切都有赖于发动机安全可靠作前提，尤其是像 F-16 这种单发战机对此更为敏感，此时的 F100 存在一些可靠性问题，而且当时还根本找不到同类型的替代方案，因此空军此举是相当冒险的。

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艰苦的定型之路
　　1972/2~1974/11 的试飞期间，一共使用了 4 批 87 台发动机，累计飞行时间 5,750 小时（2,700 次起降），平均每月飞行 130 次。试飞过程中发动机遇到不少技术故障，主要有慢车加速试飞时发生压气机失速、加力点火试飞时出现压力脉冲引起风扇失速、全加力时发生振荡燃烧等，为解决上述问题，设计师们做了大量的改进、试验工作，基本解决了上述问题。

首架 F-15A 71-0280于 1972 年 6 月 26 日在圣路易斯下线，全机采用了空优蓝涂装

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　　与此同时在 P&W 公司，正为迎接另一项极其关键的考核试验——QT150h 做着忙碌的准备。由于要求发动机赶在 1973 年 2 月定型，因此从 1973 年 1 月起 P&W 就开始了 QT150h 试车的考核。然而事与愿违，在 1973 年 2 月的试车中一片风扇叶片飞出打坏了发动机，试车失败。事后查明原来是由于发动机制造加工上的某些缺陷以及一些未被发现的锈蚀物，在试车过程中从试验舱壁上掉落下来，吸入发动机后造成了事故。眼看原定的节点目标已无法达到，发动机进度的拖后已成为F-15战斗机不能按计划服役的主因。此时空军别无他法，不得不同意 QT150h 延后至 5 月份完成。Maj Gen Benjamin N. Bellis,（F-15 项目负责人）甚至还同意推迟高空、高马赫数条件下的试验部分，希望以此加快发动机的试验进度，P&W确实在规定时间内完成了经修改的试车程序。却不料此事会在国会内引起了轩然大波，对 F-15 项目的批评、指责之声不绝于耳，甚至威胁要取消整个工程！面对严峻的局面，生产厂商还是顶住了压力，终于在 1973 年 10 月 12 日完成了完整的定型考核试车。

第四架 F-15A 71-0283 在 1973 年 5 月 16 日的爱德华兹空军基地公开日中进行展示。该机在空优蓝涂装上加上了红色条纹便于目视识别

　　F100 发动机在工程发展中仅用四年零八个月的时间完成了 110 多台发动机的研制生产。1974 年 11 月正式交付空军使用，此时发动机在厂内的整机试车达 35,000 小时，其中高空台[注 4] 试车 6,150 小时。
　　[注 4] 模拟高空试验设备（the simulated altitude test facility）或高空试验设备（the altitude test facility），我国俗称高空台或高空模拟试车台。通常是指在地面上能够模拟飞机在空中飞行环境条件下进行航空发动机试验的大型试验设备。它是航空发动机研制过程中不可或缺、功能强大的试验设备，是衡量一国能否独立发展航空动力的重要标志之一，名副其实的国家战略性大型试验设施！

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推比八的开山之作
　　F100-PW-100 是世界上最早投入使用的推重比 8 一级小涵道比加力式涡扇发动机，并首次采用了单元体结构的设计，各单元体都可以单独更换，方便维修与部件升级。主要有五个单元组成——进气道（可变弯度进口导叶）/三级跨声速风扇，核心机（十级高压压气机、短环形主燃烧室、两级高压涡轮），低压涡轮（两级），加力燃烧室/尾喷管和附件齿轮箱，发动机性能简介参见表 2。

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　　海军型号 F401-PW-400 使用了与 F100 相同的核心机，只是由于舰载机需要有更大的起飞与应急推力，以适应在航母上起降的要求，因此他和空军型的主要区别就在于加大了风扇（有更大的空气流量）、外涵道及加力燃烧室的尺寸并加装了半级风扇。

1973 年的 F-14B 原型机，安装两具 F401-P-400 发动机

注意尾喷管外形，与 F100 相同

　　设计师们考虑用户极为强调发动机的高性能要求（大推力、高推比），以满足 F-15 高机动性的设计指标，为此大量采用当时先进的技术，F100 选取了典型的“2 高 1 低”热力循环参数，即高增压比（总增压比 πΣ=23）、高涡轮前温度（Τ4=1399℃）、低涵道比（Β=0.6），大量应用新材料、新工艺以及新型结构，比如钛合金材料用量已达发动机总重的 25% 以上；率先采用 IN100 粉末高温合金制造大直径涡轮盘、压气机盘等 11 个部件，PWA1422 定向凝固高温合金制造的涡轮叶片；在加工工艺方面采用了诸如精铸、热等静压（HIP）、电子束焊（EBW）等先进工艺……由于高新技术的大量使用，造就了 F100 高性能、高推比的显著特色，即使是在今天，这台发动机的性能指标在同类型号中仍处于较高水平，就这方面成绩看 P&W 公司确实做得非常出色！

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服役初期多磨多难
　　F-15 战斗机在美国各界殷切的期盼下交付空军使用了，然而在随后的使用过程中发现 F100 存在许多影响可靠性的严重问题，直接危及飞行安全，这令使用者和设计者们伤透脑筋！据统计从 F100-PW-100 正式投入使用到 1979 年 4 月，空军共使用 1,100 余台发动机，累计工作时间超过 25 万飞行小时，综合故障率为 2.688/1000EFH（发动机飞行小时），造成 1979 年缺少 90~100 台发动机，而 P&W 公司零备件供应不足更使得 F-15 不能处于战备状态，导致大批飞机 “趴窝”，成为当时美军最棘手的问题之一。

1974 年 2 月2日，YF-16（装一台 F100-PW-100 发动机）在 Edwards AFB 进行了首次飞行

　　F100 服役初期所发生的问题主要有悬挂失速，燃油泵、涡轮转子、静子多次出现可靠性问题（如涡轮叶片超温、烧伤、断裂）等。造成F100发动机可靠性、耐久性不高的原因是多方面的，但有一点可以肯定，当初在设计时单纯追求推重比指标而忽视发动机可靠性、耐久性、维护性的指导思想应该是主要根源。
　　Raymond.M.Standahar（时任 Government Exec. Dept. of Defense ）在 F100 发动机设计要求中指出，由于前代发动机的局限，往往成为飞机设计过程中的主要障碍，因而要求 F100 的性能指标必须有大幅度的提高。军方也曾公开表示，如果必须有所取舍，那么（发动机指标）优先顺序就是：“推力、重量和其他”。
　　从表 2 的数据可以看出， F100 的性能指标较上代有了质的飞跃，尤其是在跨/超音速条件下的性能。所装配第三代空中优势战斗机的推重比都超过了 1，因此具备很强的机动性能，飞行包线也相当宽广。正是由于飞机的高机动性特点，在使用中要求能快速来回推、拉油门杆，这就使发动机转速、温度发生急剧的变化，从而导致主要部件承受多变的应力循环，像这样的应力循环变化相当频繁。然而在设计 F100 发动机时，设计师们没能预料到发动机在新的工作条件下所承受的大负荷，还是根据过去的经验以简单的飞行时数作为设计基础，而且当时也没有一个计算模型能准确预测发动机的无故障周期。
　　由于发动机的研制时间极为紧张，P&W 不得不将某些试验安排在原型机科研试飞阶段去完成了，因此在部件可靠性、维护性等试验方面存在“明显的没吃饱”现象。其实早在 1970 年 6 月 P&W 就曾在一份写给 JEPO 的信件中提出，请求批准利用 B-45 飞行台进行发动机的试验试飞工作，但 JEPO 在回信中以费用昂贵为由予以拒绝。令人感慨的是当时提出的试飞科目恰恰就包括了 F100 “阿喀琉斯脚踝”所发生的包线区域。
　　此外 5007 通用规范中考核试车项目比较适合于寿命较短、工作工况变化少且并不十分剧烈的发动机，比如 QT150h 主要是考核发动机在“最长稳态时间内的高温工作能力，而不是考核多次循环下的工作能力”。
　　F100 性能指标的跨度大，而研制时间又大幅压缩，这也就难怪会在服役初期发生这么多问题了。
　　然而当新机面临诸多问题急待解决之际，P&W 公司却使出了一个大昏招！面对军方焦急的心情，P&W 公司却表示他们已经满足了当初设定的型号规范要求，反而进一步向空军提出了发动机维护费用昂贵的问题。他们表示公司准备帮助军方解决这些问题，但前提必须是政府答应全额“买单”！
　　P&W 此举彻底激怒了原已十分窝火的空军将领们，他们感到 P&W 公司非常的“傲慢和不负责”、“只重视合同条款的法律解释以及最大程度地获取收益”。
　　不过当空军开始另觅解决方案时，发现几乎没有可行的选项，而 F-15、16 定下的服役时间表却无法更改，到头来空军还是得依赖 F100。P&W 深知这点，因此抱定一个拖字诀、静待对方做出让步。到了 1979 年，情况更为严重。当时 P&W 的两家主要转包商发生了罢工事件，导致发动机产量无法满足需要，新出厂的 F-15 空优机在交付时却成了“空心机”！在这样的背景下，空军下定决心尽快改变三代机动力由 P&W 一家“通吃”的局面了。

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来自 GE 的挑战
　　当老冤家 P&W 志得意满之际，GE 却在军用发动机的竞赛中屡尝败绩，相继丢失了空军三代机动力的合同后，当时仅有的大型发动机研制项目就是为 B-1 战略轰炸机配套的 F101 工程。然而当 F101 准备投入批量生产之际，厄运再次降临——1977 年 6 月卡特政府决定取消 B-1A 项目。所幸的是军方在后续工程发展计划的名义下继续支持发动机项目的进行，保住了来之不易的型号（三十年后再回顾这段历史，仍旧为 F101 感到庆幸、更叹服美国空军的远见！）后续试验的主要目的是加速发动机的成熟、延长零部件的使用寿命并降低生产和后勤保障费用。F101 在研制过程中全面贯彻了美军于 1969 年制定的“发动机结构完整性大纲”（ENSIP）[注 5]，截至 1981 年发动机地面试验累计达 40,000 小时以上，飞行试验 7,600 小时，因此发动机的“三性”（可靠性、耐久性、维护性）有了充分的保证。

装备 B-1B 轰炸机的 F101-GE-102 发动机结构图

　　[注 5] 据美空军统计，上世纪 60~70 年代发生的飞行事故中，由于发动机疲劳、蠕变、耐久性等原因造成的约占四分之一。在这种背景下 1969 年空军提出发动机完整性大纲（ENSIP），当时是 F101 发动机投标要求中的是一份结构大纲，1972 年这份大纲的准则被 MIL-E-5007D 通用规范采纳，1984 年又颁布了更新的大纲——MIL-STD-1783。ENSIP 是对发动机设计、分析、研制、生产及寿命管理的有组织、有步骤的改进措施，其目的在于通过显著减少发动机在使用过程中发生的结构耐久性问题，确保发动机安全，延长使用期限降低寿命期成本。

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　　早在 1975 年 GE 公司自筹资金 2,000 多万美元，以 F101 核心机为基础、利用比例放大的 F404 低压部分组装一台热力循环参数与 F100 相近的验证机——F101X，她与 F101 相比降低了涵道比、提高了增压比。不过当时这台发动机的主要目标是竞争海军的 F-14 换发项目，然而由于海军担心整个换发工作代价太大（全部费用可能高达 10 亿美元），因此即便在有部分预算拨款支持的情况下，仍不愿从其他被认为更重要的项目中抽调资金以支持该计划。
　　有道是有心栽花花不开、无心插柳柳成行，后来的“剧情”发展恰好印证了这句老话。F101X 的诞生立即引起了空军极大关注，尤为吸引他们的 F101X 在可靠性、耐久性方面的良好表现，更没有发生困扰 F100 的滞止失速问题。
　　到 1979 年初，已经有足够的空军官员同意接收原海军 F-14 换发的预算拨款来支持 F101X。不过想要启动这个项目还必须在国会举行的听证会上进行说明、备询，在会上空军将领不得不面对那些支持 P&W 的议员们疾风暴雨般地质询，他们向空军司令提出了一系列诸如后勤保障、零配件供应、发动机性能等尖刻却现实的问题。不过尽管有这些反对意见，最终国会还是批准了该项目，当空军官员们获悉与 GE 的合同将在两周内签订的消息后，都感到异常的兴奋（wirebrushed）！
　　1979 年 2 月，根据美军实施的“发动机型号衍生计划”EMDP，GE 和军方签订了一份研制周期 30 个月“固定价格”的有限合同，总金额 7,970 万美元研制 F101DFE（衍生型战斗机发动机），并要求在 F-16、F-14 飞机上进行飞行试验。这项计划的主要目标是：
　　1、鉴定飞机/发动机的匹配能力、包括性能和作战适用性。
　　2、通过 AMT [注 6] 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。
　　由于有了一台经过严苛考验的 F101 核心机，通过 F101X 证明其改型方案也可行，因此这台核心机不需要做大的改动。1979 年 F101DFE 首次台架试车，之后两年里发动机进行了广泛的试验，经历了 1,000 多小时的地面试车，达到或超过了预期目标。根据合同 GE 只提供三台发动机，但后来又增加了两台，其中一台用于结构、损伤容限和耐久性试验，另一台则被用来验证新设计的发动机附件系统，以适应 F-15 发动机舱的安装要求。
　　[注 6] AMT——Accelerated Mission Testing 加速任务试车，是按典型的飞行任务剖面归纳出发动机任务剖面图，然后按油门杆位置变化情况进行加速模拟试车。AMT 基于损伤线性叠加原理，采用短时间大功率状态或加大载荷并删除无损伤或损伤较小状态的方法，因而试车时间大为缩短。AMT关键在于直接反映发动机外场的实际用法，这种试验方法与传统试车程序比较，能够更真实地反映发动机在使用中所受的损伤，通过较短时间的试验便能预先暴露发动机在外场实际使用条件下可能出现的问题，以便及早采取改进措施、防患于未然。
　　70 年代初美国首先在 TF41 发动机研制中应用了 AMT 技术，如今该技术已纳入美国的军用标准中，并广泛用于新机研制定型过程、发动机寿命抽检以及局部结构改进的效果考核。

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　　试飞工作进行的也比较顺利，1980 年 12 月 19 日首架装配 F101DFE 发动机的 F-16A（75-0745）试飞成功。几个月之前 F101DFE 已通过 PFRT 考核，值得注意的是试车采用了 AMT 技术。F-16/101 共飞行 58 次 75 个小时，完成了所有的飞行项目，试验表明 F101DFE 无需做重大改进即可装在 F-16 上使用，在飞行过程中工作稳定、表现出了良好的性能。不过试验期间也发生了一些故障，最严重的一次是第五次飞行中由于一个铝制燃油接头断裂造成停车，为此 GE 公司对发动机相关部件做了改进，排除了故障。
　　1981 年和 1982 这两年里，F101DFE 还在格鲁曼的 F-14B 原型机上进行了科研试飞，用了 4 台发动机，共飞行 44 次 70 小时。有意思的是试验用机正是当年测试 F401 的那架编号 157986 机。然而好事多磨，海军在 1982 年“故伎重演”取消了换发项目， F-14 的“心脏移植手术”被迫再次推迟。

正在进行 F101DEF 发动机测试的 F-14B 原型机，注意尾喷口

　　与此同时，并不甘心的 P&W 公司，不断地做着游说工作，力图阻止 F101DEF 项目的进行。他们一改先前“生硬”的态度，主动提出了几项“特惠措施”：只要取消这场发动机竞争，军方就能够以难以置信的低价采购所有的发动机。但这一切为时已晚，如今的空军是吃秤砣——铁了心了！