文|两机动力控制
本文来自微信公众号：两机动力控制
作者：龙腾日月
导读：2011年2月16曰，美国众议院以233票对198票，裁掉了F-136大推力涡扇发动机所需的4.5亿美元预算案。此举宣告F-35战斗机动力选型竞争尘埃落定，通用公司研制的F-136涡扇发动机惨淡出局。
F-136的研制
美国在军机研制上一贯采用验证机对比试飞的发展途径，也就是选择多个团队先设计研制验证机，然后进行详尽的对比试飞工作，最终决定哪个团队的方案进入型号研制。而发动机的选型也采取同样的途径。为了给F-35提供发动机，普惠和通用电气两个航空发动机巨头之间展开了激烈竞争。
普惠公司参与竞争的是F-135发动机，通用电气公司参与竞争的就是F-136。为了控制技术风险和研制时间，两个公司都采用了在成熟型号上发展新型号的办法。F-135衍生自F119-PW-100，后者就是普惠公司为F/A-22研制的发动机。F-136衍生自YF120-GE-100，是通用电气公司参与F/A-22发动机竞争中落败的型号。
F-35对于动力的要求是划时代的，一方面需要满足高达180千牛级别的加力推力，从而让F-35这个“肥胖”的单发隐身战斗机具有优秀的空战推重比；另外一方面又必须满足F-35B在垂直起降方面的特殊需求，发动机必须安装和控制能够垂直偏转的矢量喷管，并且给升力风扇以及滚转控制喷管等辅助升力设备提供动力。
F-136在1995年正式参加F-35动力选型竞争，由通用电气和英国的罗-罗公司合作研制。通用电气承担了60%的研制经费，提供YF120-GE-100核心机并且负责高压压气机、高低压涡轮和加力燃烧室设计，还负责发动机的总装；罗-罗公司承担了40%的研制经费并且负责设计风扇、主燃烧室和第二、第三级低压涡轮。对应不同的F-35战斗机型号，F-136有三个型别：用于常规起降型F-35A的F136-GE-100、用于舰上常规起降型F-35C的F136-GE-400和用于垂直起降型F-35B的F136-GE-600。
1995-1997年，F-136完成了预先研究和系统的演示，确定了总体方案。1997-2001年，F-136完成了方案设计的验证和修改，并进行了核心机80小时试车和风扇试验。其中试车工作包括热力、应力谱、压气机和燃烧室试验，获得圆满成功。2002-2005年，F-136核心机预研完成，进入整机研制阶段；此阶段完成了整机详细设计、子系统测试、发动机系统相关试验、关键部件设计和修改。第一台整机验证机在2004年点火测试，在2005年进行了耐久性测试。第二台整机验证机在2005年进行了垂直起降演示。2005年至今，F-136处在发展和演示阶段。
2005年，F-136达到了预定性能并且积累了12000小时以上的试验时数。2009年它完成了首飞前测试。2011年首批生产型F-136下线。但就在这个成功在望的时刻，整个F-136计划被美国众议院投票终止。
美国通用电气公司在俄亥俄州埃弗代尔建立的F-136发动机试车台
F-136技术全解析
F-35作为与F/A-22A搭配的单发隐身机，既要求具备多用途、低成本特性，又要具备一定的空战性能，以适应海军唯一的主力隐身机型这个角色。为了实现隐身、多用途和大航程能力，F-35作为单发战斗机竟达到了13吨的空重（比作为双发重型战斗机F-15的空重还大）。因而F-35要求发动机不仅具备180千牛级别的加力推力，还要具有高功率裕度以便引出功率。
F-136在YF120-GE-100发动机的核心机基础上，增大涵道比和流量，适当提高发动机热力学循环参数，实现了至少182千牛的加力推力。
另外，F136-GE-600还安装了罗-罗公司研制的垂直偏转主喷管、升力风扇和滚转控制喷管。
◎风扇
YF120-GE-100发动机作为竞标F/A-22A的型号，为了实现飞机的超音速巡航，选取了0.3左右的小涵道比，増大了核心机流量这虽然增加了发动机的不加力最大推力，但一定程度上牺牲了流量，从而降低了加力推力。F-136的需求与YF120-GE-100有所不同，该发动机并不强调高速条件下的不加力推力，而是低速条件下的加力推力。根据该机的加力推力推算，F-136的涵道比应该增加到了0.5〜0.6，流量增加10%〜20%左右。这就要求其风扇能够消化更多的空气，也具有更大的直径。
F-136采用罗-罗公司设计生产的三级宽弦钛合金风扇。为了减轻风扇重量，直径最大的第一级风扇采用了空心设计，第二、三级风扇则是实心。风扇叶片采用三维气动算法优化设计。
第一级空心风扇叶片采用超塑成形-扩散连接工艺制造。某些材料在特定条件下具有极好的变形能力，超塑成形就是利用这一特性而发展起来的成形工艺。采用这种工艺能制造出常规工艺难以成形的复杂结构，而且没有回弹，能保证零部件的精度、加工重复性好。
如果使两个工件的表面接触在一起，施加不足以引起塑性变形的压力和低于材料熔点的温度条件，那么两种材料的接触面会通过原子间相互扩散而形成连接。中学物理课本上曾经专门介绍过这种试验。以此发展出来的工艺叫做扩散连接。
制造完毕的风扇叶片，将通过线性摩擦焊的方式焊接在风扇叶盘上，形成整体叶盘结构。线性摩擦焊是摩擦焊的一种。在焊接压力下，其中一个焊件相对另一个焊件沿直线方向以一定的振幅和频率作直线往复运动，利用摩擦生热加热待焊接部件的表面，当摩擦表面达到粘塑性状态时，迅速停止摩擦运动，并施加顶锻力，完成焊接。该工艺焊接的叶片和叶盘能够达到无焊缝、焊缝强度与材质强度一致，将叶片和叶盘变为整体。
◎高压压气机
F-136采用了通用电气的5级压气机。随着压气机对于进气做功的增加，空气压力和温度都直线上升，因此前2级压气机采用较轻的钛合金，后3级采用更耐高温的合金钢。5级压气机都是整体叶盘；都采用了三维气动算法设计；前2级和后3级都采用惯性焊，分别连接成两个整体；压气机转子叶片前掠，静子叶片后掠。
惯性焊也属于线性摩擦焊的一种，它的焊接能量不是由电机直接供给。而是利用飞轮所贮存起来的旋转动能。该种工艺性能与线性摩擦焊相当。惯性焊主要采用旋转摩擦，因而需要焊接的两个部件之一必须是圆形或者近似圆形。
◎燃烧室
F-136的燃烧室采用罗-罗公司设计的单头部双层壁环形燃烧室。燃烧室入口处的头部设计有旋流器，经过压气机压缩的空气在进入燃烧室之前经过旋流器，产生有利于与燃料充分混合的旋转流场。喷油嘴将燃料呈雾状喷入处于旋流状态的空气并且按照最佳比例充分掺混，然后点火燃烧。
在燃烧室入口到出口的20~30厘米左右的短短距离中，燃气温度能够上升上千摄氏度。如此猛烈的燃烧一方面能为F-136提供驱动力，另一方面要求燃烧室必须采取足够的冷却手段，才能保证自身强度不被高温的燃气所削弱。
F-136的双层壁环形燃烧室内层结构耐热、外层结构承力，中间采用压气机引出的冷空气降温。这样将高温高压下的耐热和承力问题分开处理，还提供了冷却空气的流道。这样，用同一种材料就能实现更高的燃烧室温度。航空发动机热力学循环参数中，燃烧室出口温度（即涡轮前温度）越高，核心机循环功越大，发动机的效率就越高。F-136的燃烧室出口温度达到了2000开尔文（1727摄氏度）左右。这样的“烈火内核”是F-136巨大推力的直接来源。
◎涡轮
F-136采用了战斗机发动机中少见的单级高压涡轮和三级低压涡轮设计。其中单级高压涡轮与一级低压涡轮构成高压转子部分，驱动高压压气机；余下两级低压涡轮构成低压转子部分，驱动风扇（F136-GE-600还要驱动升力风扇）；高压转子与低压转子采用对转设计（从后向前看，高压转子顺时针旋转，低压转子逆时针旋转），效率更高并且可以省掉一级涡轮导向叶片。
涡轮叶片采用第三代单晶材料精铸工艺制造，内部有复杂的冷却孔道。其外部还有冷却气孔，以便释放出内部的冷空气，实现气膜冷却。否则叶片被燃烧室出口燃气冲击，将导致耐久性降低（即寿命缩短），甚至被燃气烧蚀。
◎加力燃烧室
F-136的加力燃烧室由通用公司设计，采用径向火焰稳定器、无级推力调节设计。该燃烧室融合了通用电气在YF120-GE-100、F414-GE-100、F110-GE-129和F110-GE-132等发动机设计中的成功经验。核心机燃气推动涡轮做功之后，和外涵道的大流量冷空气在加力燃烧室掺混，并且再次喷入燃料进行燃烧，最终喷出喷管，产生巨大的推力。
进行地面全功率运行试验的F-136发动机。请注意上图及下图中尾喷口的区别，上图中的发动机未加装收敛片，而下图中則安装有收敛片，收敛片主要是保护里面的调节片和调节气流的流场，收敛片采用锯齿状设计应该是有雷达隐身和红外隐身的考虑，达到散射雷达波和加弦燃气与冷空气的混合的目的。
◎发动机控制系统
F-136采用了先进的故障诊断技术和双通道全功能数字式发动机控制系统。为了更好地控制矢量喷管和升力风扇，其采用了双通道双余度设计。F-136有两个完全独立的数字控制系统，每个系统都有独立的算法和数字信号处理器，并且各自是双余度的（两个通道只有一个工作，另外一个作为热备份，一旦工作通道出现问题立刻接替）。来自飞行员的控制指令分别由两个独立的系统解算，形成发动机控制信号。只有在两个独立运算出来的指令相同的情况下，执行机构才会动作。这样的设计可以提高发动机的控制可靠性，防止错误指令的执行。
F-136下马原因及影响
美国众议院之所以在F-136研制基本顺利的情况下否决该计划，主要存在政治和经济两大原因。
政治方面，罗-罗公司占F-136的40%份额。在研制的过程中通用电气和罗-罗公司共享了YF-120发动机的核心技术。在F-136启动之前的相当长时间内，美国战斗机用发动机的核心技术基本上没有国外公司参与。通用电气公司出于经济原因遨请英国罗-罗公司参与F-136研制，这虽然得到了美国法律以及军方的允许。但国会认为，不能让未来美国空军的两大主力之一，舰载航空兵和海军陆战队的唯一主力战斗机使用一种有外国公司参与研制生产的发动机。与其如此，不如直接选用完全立足本国的F-135发动机。F-135的基本性能与F-136相当，且进度更快。
经济方面，经济危机大潮过后，美国以及F-35的外国客户都面临着严峻的经济形势。此前由于F-35采购数量较大，而且英国也是F-35的大客户之一。在经济形势较好的情况下，大家自然可以共享航空技术发展带来的“红利”。一旦经济紧缩，美国不能容许在F-35采购数量下降、发动机需求减少的情况下，让国外公司分流本已有限的采购经费。何况经济危机下，军方的订货对于维持本国航空工业发展、就业以及人才维持方面很有好处。这样的好事，美国是不会对盟友“慷慨”的。
总的来说，F-136下马不是自身性能的“悲剧”，而是美国“牺牲他人，成全自己”的“喜剧”。由于早年F100-PW-100发动机（用于F-15和F-16）服役初期可靠性较差，美国空军从1971年开始采取了世界唯一的“战斗机发动机双生产商采购政策”。40年来，美国第三代战斗机同时采用普惠公司的F100系列发动机和通用电气公司的F110系列发动机，以防止某型发动机“召回”而导致全军“趴窝”的恶果。F-136的下马标志着这项政策戛然而止。由于通用电气已经输掉了F/A-22A动力选型之战，再次输掉F-35动力选型可谓雪上加霜。这将对美国军购政策、空军装备和航空工业发展造成长期影响。
来源：《武器》总143期，2011.04
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