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时间:2021-06-11 20:48来源:世界先进制造技术论坛 作者:航空
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  航空发动机是装备制造领域的最高端产品,代表了装备制造业的最高技术水平,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,其重要性一向为人所强调,但成为航空发动机强国的道路之艰难却往往为人所低估。事实上,作为业内“第一梯队“领跑位置的美英俄三国,为了摘得这颗“皇冠上明珠”,也曾被摔得遍体鳞伤,在长达几十年的时间里,上演了一出又一出颇不平凡但又引人深思的磨砺记。


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以引进起家




  美国是公认的当今航空发动机技术最为先进的国家。但有趣的是,美国在喷气时代最初的起点却同样是“拿来主义”。二战爆发前,航空喷气推进研究最为积极的国家是德国和英国,而美国在这方面做的工作相当有限——J30和J34在进度上的拖沓说明了这一点。当时英国对离心式和轴流式喷气发动机都展开了研究,而德国的轴流式喷气发动机则取得了突破进展,在二战中就达到了实用水平。
  战争中凭借与英国的同盟地位,美国政府从英国直接拿到了惠特尔离心式喷气发动机的相关技术,凭借这种新的动力系统,美国贝尔公司开发了XP-59喷气式飞机,并于1942年10月进行了试飞。但试飞表明,使用早期离心式喷气发动机的XP-59性能平平,无法和当时最先进的螺旋桨飞机相比。
  当时美国通用电气仿制的GE1-A发动机推力仅为1250磅,后来改进的GE1-16推力达到了1650磅,但仍显不足。后来美国又从英国获得了轴流式的Goblin发动机,推力达到了2700磅,在此基础上开发出了XP-80“流星”喷气式飞机。战后,当美国航空兵将领和科学技术人员检查德国航空研发机构时,许多人都对德国已经掌握的先进喷气技术感到震惊。从那时起美国比以往更加坚决地决定开发先进的喷气式军用飞机,而要开发优秀的喷气机,先进的喷气发动机技术是关键要素。
  美国较早认识到航空发动机是航空产业的原动力,从而把发动机产业作为重要战略方向,为后来的喷气发动机技术大发展做了最初的思想准备。

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摆脱仿制自主突破


  美国航空发动机发展的另一个经验是,较早摆脱了仿制生产和改良发展的模式,以技术突破为导向全力发展自己的先进技术,在发动机技术领域奠定了自己的知识技术基础。今天美国最为著名的喷气发动机制造商普惠公司在战争时期几乎没有任何独立研发喷气发动机的经验,战后普惠决定许可制造英国罗罗公司的尼恩发动机——由于德国喷气发动机制造企业遭到严重损毁,因此战后初期,罗罗公司被认为是世界上最先进的喷气发动机制造商。
  战后初期所有的喷气发动机都有4个重大缺陷:高油耗、低推力、加速缓慢,噪音较大。由于这些问题,开发海军航母舰载机、远程陆基战斗机、远程战略轰炸机以及商用客机等都十分困难。经过研究,普惠公司认为自己在喷气发动机研发方面落后其他主要制造厂商至少5年,在战后环境中要保持竞争力,必须实现技术上的重大跨越。
  继续许可生产罗罗发动机是一条没有前途的死路,于是从1946年开始,普惠做出重大战略决策,投入巨资建设新的研发机构和相应测试设施,其目的就是追赶竞争对手。



  普惠把研发重点放在了解决低推力和高油耗两大问题上,当时最好的喷气发动机推力约为4000~5000磅。普惠决心把发动机的推力提高一倍,达到10000磅,并实现更好的燃油效率。经过近5年的艰苦努力,普惠工程师发展出先进的双转子发送机J57,把推力提高到10000磅,后续型号更是达到了18000磅推力,耗油率也大大降低。随着J57的成功,美军拥有了第一种远程战略喷气轰炸机B-52。
  1953年5月,使用J57的北美YF-100战斗机成为有史以来第一种完成持续超音速平飞的战斗机。除了B-52和F-100,J57还成为美国空军许多飞机的动力:麦道F-101战斗机、通用动力康维尔F-102战斗机、波音KC-135空中加油机。海军沃特F8U,道格拉斯F4D、F5D和A3D等不少战术飞机也选择了J57。
  在J57基础上的改进型J75采用了更为性能更好的耐高温材料,推力更大,成为共和F-105和通用动力康维尔F-106以及其他军用飞机的动力装置。最后,J57的商用型JT3还成为波音707的动力,直接促成了远程军用/商用运输的大发展。J57奠定了美国在喷气发动机领域领先地位的第一块基石,这其中主要应该归功于坚持从基础研究着手,而这绝非是一朝一夕之功。

 

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“心脏病”的问题



  “心脏病“的问题,在航空工业的发展过程中是普遍存在的,即便是美国这个当今世界的头号航空强国也曾一再为此所困扰,远非是一帆风顺的。比如,继J57的初步成功后,上世纪五六十年代通用电气J79是世界上最为重要也最具革命性的一种喷气发动机。最初是应美国空军2倍音速大推力节油发动机要求开发的。在当时来说,J79是一种相当先进的发动机,选取了在当时较先进的设计参数,如涡轮进口温度930℃,加力温度1800℃,压气机压比高于12。
  J79在世界上首先采用压气机静子调节技术,使发动机气动性能得到改进。此外还采用了双身叶片结构,消除叶片共振。同时各主要机匣、封严装置的承力件及轴均采用刚性好、重量轻的锥形结构。由于推重比较高,迎风面积小,耗油率较低(以J79-GE-17为例,单台加力推力 79.6 千牛(8,120 公斤),耗油率0.2千克/牛顿·小时(0.84 千克/公斤·小时)),因此先是被选中作为F-104的首选动力,其改进型后来在F-104后期型、F-4、以色列“幼狮”战斗机甚至F-16的出口简化型F-16/79上都得到应用。
  J79揭示了现代喷气发动机巨大的推力和速度潜力,证明了美国喷气发动机工业的全球领先地位。然而,后来获得巨大成功的J79在启步阶段却是步履为艰,由于研制进度大幅滞后,XF-104仍不得不装备无瑞特公司研制的加力燃烧室的J65-B-3涡喷发动机,为此XF-104的后机身和进气口进行了重大修改,以适应这种推力较小的发动机。由于推力限制,XF-104最初的速度远未达到设计指标——其平飞速度甚至未能突破音障,只能在小角度俯冲时达到马赫数1,几乎沦为了一个笑柄。


 
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