全球軍武大賞 世界最強戰機發動機，F-35的心臟，普惠135推力到底有多強？

2022年美國國防部宣佈啟動F35自適應發動機更換計劃 預計要到2028年 將為全部F35更換新的發動機 然而僅僅過去了一年 在2023年3月份發佈的關於2024財年預算的簡報上 軍方宣佈取消了為F35尋找新發動機的計劃 為什麼僅一年時間美軍態度會發生如此大的轉變 今天我們就來聊一聊 閃電心臟 普惠F135發動機 到底有多強 20世紀90年代初美國國防部計劃研製一款新型戰機用以取代當時服役的 所有戰鬥機和攻擊機 由此便提出了GSF聯合打擊戰鬥機項目 並且向各大飛機製造商發出了招標請求 隨後麥康納道格拉斯公司 諾斯羅普格魯曼公司 洛克希德馬丁公司以及波音公司 紛紛給出了自己的設計方案 在經過一輪激烈的淘汰賽後 最終波音和諾馬的方案 成功脫穎而出 進入了最後的決賽階段 其中的波音公司根據項目要求 設計了採用大三角翼 無水平尾翼的X-32方案 突出一個膽大心細 劍走偏鋒 然而與之相對的諾馬公司因為有之前F22的設計經驗 便顯得十分穩健 其推出的X-35方案則採用了常規佈局 在GSF戰機計劃驗證機研製之時 唯一可以滿足這兩款戰機性能要求的發動機 就只有普惠F119PW-100發動機了 這就是後來F22所使用的發動機 但是由於波音和諾馬公司設計的方案不同 對飛機發動機的性能需求以及側重點也有所不同 以雙方的垂直起降系統為例 波音公司採用了一種類似鑰匙戰機的施量推力方法 在機翼上設置了推力噴口來提高垂直起降時的可控性和穩定性 不過這樣的設計也導致X-32噴出的熱空氣 會被再次吸入到進氣口 大大削弱了戰機的推力 造成了發動機過熱的問題 整體來看也比較複雜 而諾馬公司的X-35則採用了發動機主軸驅動的升力風扇 加發動機噴管下偏來實現垂直起降 並且X-35使用的F119-SE611發動機採用了軸對稱噴管 能夠垂直下偏提供主要升力 因此普惠公司對F119發動機進行了針對性的改進 研製出了兩種不同的F119改進型 從而滿足兩家公司各自的需要 波音型F119發動機的代號是GSF119-SE614 諾馬的代號是GSF-F119-SE611 在經過最後的角逐後諾馬公司的X-35方案在美空軍的測試中 已經無限接近量產機型了 所以在2001年10月26號 GSF戰機計劃的競標結果揭曉時 諾馬公司的X-35是成功擊敗了波音的X-32 成為了新一代美國海空軍陸戰隊的多用途五代機 並且改稱為F-35聯合打擊戰鬥機 因此F-35也有了三個改型系列 分別是常規起降的F-35A型垂直起降的F-35B型以及艦載機F-35C型 而在發動機的選擇上 既然驗證機採用了以F119PW-100發動機為基礎的改進型號 所以在F-35確定贏得聯合打擊戰鬥機合同之後 動力系統沿用了原來的發展思路 就成了水到渠成的事情 這就是F-135發動機項目的開端 作為F-119的升級改進型 F-135的整體結構和前者大致相同 由於F-35採用單發發動機設計 因此單臺F-135需要產生高達19.5噸的推力 纔能有效的發揮出F-35戰機的性能 而當時的F-119的推力只有15.8噸 所以新款發動機需要擁有比F-119更大的進氣量 因此F-135將進氣口和風扇的直徑增大了15%左右 如此一來發動機達到了9.37米 對比F-119的5.16米增大了將近一半 這導致了F-35戰機比其他戰機看起來更胖了 不過與F-119相同的是 F-135也採用了三級風扇 這裡大兵簡單介紹一下什麼是三級風扇 在軍用渦扇發動機上風扇指的是 整個低壓壓縮機組件 每級風扇都會有一個單片式的葉片轉子 簡稱為葉盤 而這兩款發動機採用的三級風扇其實就是三個葉盤 通過焊接結合的一個整體 採用三級風扇的好處是在發動機運行時風扇吸入的加速氣流 在經過第三級風扇後會被一分為二 57% 會進入到風扇寒道成為旁通氣流 剩餘的53%則進入高壓壓縮機與燃油混合 配合形成強大的動力 由於氣流經過每一級的壓縮後都會變得更熱 F-35在常規飛行時 壓縮進入燃焦室的氣流壓力是剛進入風扇時的28倍 在F-35B懸停飛行時這個比值上升到了29倍 所以後面一級或者多級葉盤 普惠公司採用了耐熱性極強的鎳基核心 使得葉盤承受更高的溫度 並且F-119和F-135都採用了單級高壓渦輪 只不過F-135的低壓渦輪是兩級而不是F-119的一級 之所以要這麼改動主要原因還是為了妥協F-35B短距起飛垂直降落型 所以F-35B發動機的低壓渦輪 所在的低壓轉子不僅要驅動進氣風扇 還要驅動飛行員座艙後面的生力風扇 而這個生力風扇又是生力系統的三大組件之一 主要為F-35B提供垂直的生力 所以不得不為此做出妥協 不明白的朋友可能會有疑惑 把F-35B使用的發動機單獨拎出來 採用原先的單級高壓渦輪不就行了嗎 道理是這樣沒錯 但咱們上面提到過F-135發動機 從項目一開始就被要求實現三型兼容 因此也有了各自的編號 F-35A是F-135 PW100 F-35C是F-135 PW400 F-35B是F-135 PW600 其中F-35B作為海軍陸戰隊使用的垂直起降型 需要一級額外的低壓渦輪 來驅動生力風扇的傳動軸 而為了保持通用性 F-35C採用的發動機也保留了這個第二級低壓渦輪 能應對F-35的潛在重量增長 為日後的重大升級提前做好了準備 值得一提的是F-135的加力燃燒室和加力系統也很有特色 儘管普惠公司對此閉口不談 但大兵從各種資料中分析 F-135很有可能採用了三驅燃油噴射技術 那麼三驅燃油噴射有什麼好處呢 簡單來說F-35在飛行員的控制下 燃油噴嘴可以單驅噴射或者多驅噴射 可以靈活調節加力燃燒室的加力幅度 不再是要麼全有要麼全無的工作方式 不僅能提供一個平穩的加力推力 同時又能節省一定的燃料 進一步增加了F-35的續航能力 總的來說F-135這款發動機最大推力高達19.5噸的水平 目前任何戰機的加力式渦扇發動機都無法達到 即便是F-135的基礎F-119都不能 由此可見F-135性能之強悍 更值得一提的是F-135相對於F-119的推力雖然大幅度增強 但耗油卻並沒有多大提高 目前世界公認的推重比10級的渦扇發動機 有歐洲各國聯合研製的 EJ200中推渦扇發動機 法國M88系列中推渦扇發動機 蘇聯AL-41F大推力渦扇發動機 以及美國的F-119和F-120系列發動機 這裏大兵要提一點 雖然F-135是一款新型的發動機 但還是屬於F-119系列的 以上提到的這些發動機都號稱推比達到了10級 但目前推重比真正達到10的發動機 只有美國的F-119和F-120系列 而且只有F-119和F-135系列 完成研製並正式投入使用 歐洲的EJ200和M88系列發動機推重比只能達到9左右 而俄羅斯號稱推重比過10了 加力推力17噸的AL-41F發動機 僅僅完成了30% 就隨著前蘇聯的解體而中斷了 因此F-119系列發動機 能夠完勝世界上其他國家的航空發動機 其19噸的推力 足以把同類的大推力渦扇發動機甩在身後 即使EJ200和M88都比F-135增加了一級壓氣機 在葉片級數多於F-135的情況下 壓縮比和共振也沒有達到F-135的設計水平 很難想像這系列發動機居然起源於20多年前 卻依舊保持著世界性能最強現役發動機的頭銜 但有趣的是美軍在公佈了F-135這種絕密航空發動機 竟然從來不打碼 甚至還默許記者攝影師拍攝發動機葉片等核心部件 因此現在互聯網上可以找到很多F-135的高清圖片 之所以美軍敢如此大膽的展示 也是吃定了其他國家在發動機領域不如自己 目前美軍用於下一代戰鬥機的變頻發動機 也基本完成了測試工作 未來設計6代機服役時 就不需要考慮發動機推力問題了 而普惠公司除了研發新發動機外 還順手給了F-135發動機增推了一下 增推後的F-135由原來19噸的最大推力增加到20噸級以上 可以肯定的說 未來20年內 將沒有任何國家能夠超越甚至達到美國的水平 第五代發動機是比目前發動機更優越的新一代噴氣式發動機 與前四代發動機相比呢第五代發動機將呈現出以下五大突出的特點 一耗油少效率高 具有更優秀的內部結構 以及更大的進氣流量 從而實現更低的耗油量 與目前最新的四代發動機F-135相比 耗油率將降低25% 而耗油率的降低呢可以增加戰機的續航時間代機時間 使亞音速戰機的航程增加30%代機時間增加70% 使超音速飛機航程增加40%代機時間增加80% 由於使用了變循環發動機技術 從而拓寬了發動機的工作範圍 在戰機不同的飛行狀態下提高了發動機的工作效率 使五代機既能亞音速巡航飛行又能進行3-6馬赫的超音速巡航 二推力大重量輕 與第四代發動機相比 第五代發動機的功率將會得到大幅度提高 其中間推力將增大5%最大推力增大10% 進一步提高戰機的飛行速度和高速衝刺能力 使五代機在不開加力的條件下保持超音速巡航飛行並縮短飛機起降距離 根據瞭解五代發動機將綜合運用單晶材料 特種合金材料等大量新型材料 使發動機的重量大大減輕 其推重比可以達到15到20 而目前最先進飛機的推重比僅為10 三兼容性強成本低 第五代發動機採用的自適應通用發動機技術和高效嵌入式技術 以滿足不同任務飛機的需求 按照美軍設想五代發動機能夠滿足未來全系空中平臺能力的需要 既可以裝配在空軍第五代飛機上 也可以裝配在海軍的FAXX上 還可以供無人轟炸機使用 而且F35 F22此類五代機只需要經過簡單的改裝 也就能夠換裝第五代發動機 由於通用性很強 研發成本和裝備價格也大大降低 性價比也會隨之提高 根據美軍公佈的消息 五代發動機的性價比將會是2000年發動機的10倍 四零件少易維護 當今航空發動機內部設計極其複雜 葉片管路各種零件幾乎貼在一起了 導致發動機溢出故障而且維修困難 由於五代發動機應用了變循環發動機等新技術 所以能夠充分利用衝壓效果使發動機零件減少40% 可以大大降低發動機的安裝時間 維護難度 而五代發動機除了用於提供動力外還可以用於飛機的方向控制 以戰機的垂直尾翼為例 垂尾是保證飛行和起降時飛機方向安定與方向操縱的重要部件 但垂直豎立的巨型垂尾則是隱身的噩夢 由於五代發動機將利用發動機的推力施量 氣動控制面和壓氣機引氣方式等實現飛機的方向控制 未來戰鬥機的垂尾很有可能會消失 再加上五代發動機的排放溫度低 不僅提高了戰機的可靠性 還提高了隱身性能 因此未來裝備五代發動機的戰機 可探測性也會更低 5.壽命長對飛行環境要求低 五代自適應發動機能夠根據不同的飛行環境 調節優化發動機工作提高其性能 因此能使戰機適應多種不同環境下飛行的需要 而對於環境適應能力的增強 也相應的增加了發動機的使用壽命 所以美軍五代發動機的設計壽命 將會比上一代增加50%以上 總的來說美國在航空發動機領域之所以能夠保持 世界第一的位置 主要是得益於美軍和政府在所有武器裝備上 預言計劃合理而且長遠的規劃 從上世紀50年代開始 航空發動機的預言計劃 如今第六代發動機已經取得了關鍵進展 而第七代的研製也已經提上日程了 所以美軍在自家發動機上的自信也是有原因的 美軍高官曾直言不諱的表示 給你們F-135的全套圖紙 你們都仿製不出來 這話雖然講出來有些嘲諷 但卻是對絕對技術領先的自信 我是大斌我們下期再見