講武談兵｜美國「發動機大戰」的可靠性PK，帶來哪些啟示？
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F100-PW-100 發動機在 F-15 服役後，尾噴管整流片被全數拆除以簡化維護。 本文圖片均來自網路
上期文章刊登後，有讀者希望講一講國外航空發動機可靠性是如何改進和完善的。那麼，筆者本期就從美國「發動機大戰」談起，希望對中國航空發動機工業的未來發展做一探討。
有這樣一種說法：航空工業是製造業皇冠上的明珠，以此類推，航空發動機則應是航空工業這顆明珠上最為璀璨的部分。從武器平台的角度來看，戰車的發動機出問題了，可以由其他戰車或裝甲搶救車拖曳撤離戰場；艦船的汽輪機出問題可以啟用備用發動機可用；軍用發動機一旦出問題，後果多半是機毀人亡的一等事故。因此，航空發動機對可靠性要求最高。
持續近半世紀的「發動機大戰」
通用電氣的 F110 發動機。
上世紀70年代，圍繞第三代戰鬥機的動力裝置，普惠（普拉特尼惠特尼）公司和GE（通用電氣）公司展開了「第一次發動機大戰」。之後，這兩大巨頭又在第四代戰鬥機動力裝置的採購上爆發了第二次「發動機大戰」。由於第五代戰鬥機和第二代隱身戰略轟炸機已被美國軍方列入發展規劃，毫無疑問，未來還會看到兩家公司的「第三次發動機大戰」。
而「第一次發動機大戰」之所以會發生，其核心就是可靠性問題。
渦扇發動機的典型結構圖。
二代機時代，GE公司的J79和J85兩大系列渦噴發動機佔據絕對統治地位，成為美國空/海軍戰鬥機的核心動力裝置。尤其是J79系列所創造的輝煌迄今「後無來者」。但光環背後，GE過分沉迷於J79的後續發展，未能將研發重心及時轉到更為先進的加力渦扇發動機。因此，當美國軍方為TF-X項目選擇第一代軍用渦扇發動機時，GE公司匆匆推出的MF295不敵普惠在美國海軍資助下研發的TF30，在第四代戰鬥機動力裝置的競爭中失去先機。儘管TF30在裝備F-111之後問題不斷，但佔據先機的普惠並乘勝追擊，在F-15和 F-14的動力裝置競爭中再次擊敗GE公司。
拿下這筆大單的普惠公司並不輕鬆。按照美國空軍和海軍組成的「發動機選型聯合管理委員會」的要求，普惠公司需要同時研發空軍F-15使用的F100發動機和海軍F-14的F401發動機（替代性能有缺陷的TF30），兩者的核心機都源自該公司競標成功的JTF22。
F100-PW-100 是世界上最早投入使用的推重比 8 一級小涵道比加力式渦扇發動機。
空軍和海軍對發動機性能要求的側重點不同，雖然採用相同的核心機，其實等於同時研發兩種發動機。短時間內完成兩種當時最先進渦扇發動機的研製，即便在今天也沒有哪家公司能做到。於是，普惠公司也開始不斷找「變通」的辦法。
普惠公司首先要求推遲F401發動機的研製節點（畢竟F-14的採購數量比F-15少），隨後要求減少兩種發動機的部件試驗小時數。由於發動機採購經費削減、F-14研發成本上升等諸多原因，美國海軍被迫取消了F401的研製計劃。美國空軍以為如此一來普惠公司會集中力量把F100發動機搞好，卻不想後者先打的是自己的小算盤，以「採購數量減少、成本上漲」為理由要求提高採購單價。美國空軍為保證F-15的研發進度，只得「忍氣吞聲」，甚至給予普惠公司多次考核與試驗的機會。1973年10月，F100勉強通過了150小時定型試驗和全部部件考核試驗。普惠公司對F100發動機在考核試驗中暴露出的風扇葉片斷裂以及與靜子摩擦起火等多項可靠性問題進行改進和補救，卻未能徹底解決問題。直到1974年11月F-15A量產型交付美國空軍之際，F100的初始型號F100-PW-100依然是「百病纏身」。但美國空軍已是「騎虎難下」，為確保F-16與F-15的通用性，選擇了F100家族的第二個型號——F100-PW-200作為單發的F-16的發動機。
F100系列發動機服役後，最大的可靠性問題就是「喘振」和「空中熄火停車」，且故障率越來越高。美國空軍從1974年開始每年都撥專款用於提升F100系列發動機的可靠性，但見效緩慢。為保障戰機的出勤率，美國空軍硬著頭皮繼續採購F100，並開始動了研製替代型號的念頭。就這樣，美國空軍與普惠公司間「友誼的小船說翻就翻了」，而把後者拉下水的正是GE。
一家獨大到兩強分庭抗禮
裝備B-1B轟炸機的F101-GE-102發動機結構圖。
就在普惠公司被F100和F401發動機搞得焦頭爛額的時候，GE公司另闢蹊徑拿下了B-1A戰略轟炸機發動機的訂單。GE公司以代號GE9的核心機為基礎，為B-1A研發了該公司第一種加力渦扇發動機——F101。由於美國空軍對B-1A的研發進度並不像F-15那麼急迫，因此GE公司有充分的時間來走完空軍在1969年制定的發動機結構完整性大綱。截至1977年卡特總統終止B-1A研發計劃時，GE已生產了46台F101的樣機，共完成超過12000小時的試驗小時數，包括400小時的空中試飛。B-1A雖然下馬，但F101-GE-100還是利用這個現成的空中實驗平台完成了1895小時的飛行試驗。F101-GE-100的出現堪稱GE公司具有里程碑意義的事件。以F101為起點，衍生出為B-1B配套研製的F101-GE-102和為B-2A配套研製的F118。F101的核心機部分後續成就了當今最為著名的兩大噴氣式發動機家族——CFM56和F110。
在1977年B-1A下馬時，GE公司就萌生了利用其核心機F101研發一款戰鬥機用加力渦扇發動機的念頭，並與美國軍方及時進行了溝通。1978年，GE公司以F101-GE-100核心機為基礎，結合F404的部分技術，向美國空軍和海軍推出了代號為F101X的加力渦扇發動機設計方案。次年，美國空軍與GE公司正式簽訂發動機研發合同，並賦予其F110的軍用編號。GE公司還經過不懈努力，說服美國海軍同意以F110替換F-14的TF30發動機。當初普惠公司未兌現的承諾，GE兌現了。
正在進行 F101DEF 發動機測試的 F-14B 原型機，注意尾噴口。
得知這一消息後，在震驚之餘，普惠連忙在華盛頓發動公關攻勢，試圖繼續將GE公司擋在門外。然而，美國軍方態度之堅決、理由之充分讓普惠公司無以辯駁，後者只能全力投入到F100的後續型號發展上，準備接GE公司的招。普惠與GE的「發動機大戰」進入白熱化階段。
1981年3月，美國空軍F-16戰機換裝GE的F110發動機首飛成功。4個月後，美國海軍F-14戰機也加入到「換心」行列，換裝後的F-14的飛行性能與裝備TF30時相比有了質的提升。與F100相比，F110不僅更可靠，主要技術性能有大幅提高。心中有底的美國空軍和海軍在1983年1月聯合與GE公司簽訂研發合同。美國空軍向普惠公司和GE公司發出正式合作建議徵詢書，對新一代發動機的可靠性做出了具體而嚴格的要求。1984年2月，美國空軍決定，按照一定的比例同時採購普惠公司的F100-PW-220和GE公司的F110-GE-100。
F100-PW-220是普惠公司痛定思痛之後拿出的誠意之作，其採用了部分重新設計，同時採用了大量提高可靠性的新技術，完成了空前的4000個循環的加速任務試驗（等於平時使用9年）。最終考慮到後勤保障的通用性和連續性，美國空軍依然大批量採購F100-PW-220及其後續發展型號。
F110-GE-400 發動機的改動之處。
F110系列的優勢則在於高可靠性、大推力和低成本。F110-GE-100的加力推力為12.46千牛F100-PW-220僅為10.572千牛。因此，F-16和F-15E的大部分後期型號多採用F110系列的F110-GE-129（加力推力12.9千牛）和F110-GE-132（加力推力14.30千牛），以便在起飛重量和飛行阻力不斷增加的情況下，儘可能保持原有的飛行性能。而就成本來說，F101、F110、F108和CFM56等不同類型的幾大系列發動機都採用相同技術源頭的核心機，這一點是F100難以企及的。
1986 年的 F-14B 原型機，安裝 F110-GE-400 發動機，測試結果是皆大歡喜。
從普惠公司一家獨大到GE公司搶食一杯羹，再到如今很多用戶點名要求採購的F-15和F-16戰機裝備F110發動機，這本身就是GE公司的勝利。除了F110系列大推力渦扇發動機，GE公司還有享譽世界的F404/F414中推力渦扇發動機系列、T700渦軸發動機系列、LM2500燃氣輪機系列以及大型飛機裝備的CFM56和CF6系列大涵道比渦扇發動機系列。這一切使得GE公司贏得「第一次發動機大戰」的勝利更像是一場錦上添花的意外之喜。
縱然GE公司研製的YF120發動機敗於普惠公司的YF119，輸掉了為F-22配套的「第二次發動機大戰」，甚至已經規劃好的F-35備用發動機F136被美國軍方砍掉，也未對GE傷筋動骨。GE公司發動機可靠性好、性價比高的印象已經樹立在眾多客戶心裡。GE還掌握著「變循環發動機」和「自適應循環發動機」這兩項當今世界最頂尖的噴氣式發動機技術，並已經接近實用階段。
由此，筆者認為，美國第五代軍機「發動機大戰」勝利者的桂冠很可能會戴在GE公司的頭上，他們一直在為贏得未來而努力。
對中國航空發動機工業的啟示
F100-PW-220 發動機的主要改進措施。
對於中國航空發動機工業來說，普惠公司與GE公司之間兩次「發動機大戰」的精彩對決幾乎是一個遙遠的神話，但其中的經驗仍值得中國借鑒。
在中國航空工業最初的規劃中，航空發動機生產和研製單位都是依附於飛機生產和研製單位存在的，前者的主要任務就是為後者配套。當時不要說航空發動機，連軍機項目也不存在競爭。只是到了改革開放之後，中國航空工業開始成立集團公司，原有的格局才逐漸被打破。但是，航空發動機工業依然是條塊分割、各司其職，比如戰鬥機用的大推力渦噴/渦扇發動機只有瀋陽的606所和黎明公司才有研製、生產能力。因此，為殲10配套的「太行」發動機才會交給這兩個單位負責，而原本為成飛配套的成發只能生產中推力渦噴/渦扇發動機。缺少了競爭，從設計、研發到生產就很難產生活力和動力。
F100-PW-100 的尾噴管。
事實上，今天為大家所熟知的殲10和殲20，其最初的設計方案就是通過不同研製單位之間的競爭脫穎而出的。尤其是殲10設計方案的誕生過程，在前不久緬懷故去總師宋文驄的回憶文章中提到過很多次。
從美國的經驗來看，提高航空發動機的第一步是引入高水平的競爭。如果說以前我國航空發動機工業基礎薄弱，無法形成相互競爭的規模，那麼到了今天已經具備了形成幾大航空動力集團競爭的局面。目前，國家已經有意將航空發動機工業從航空工業中獨立出來，從而使其獲得更為有力的支持。以此為契機，原本被割裂在全國各地的航空發動機科研院所和生產企業如果能夠實現根本上的資產重組、資源整合，其帶來的產業提升將無可限量。
筆者認為，美國有普惠公司和GE兩大發動機巨頭，那麼我國航空發動機工業也可以形成南北兩大動力集團。北方航空動力集團以606所和黎明為龍頭，南方航空動力集團以624所和011基地為龍頭，分別整合包括加力渦扇發動機、大涵道比渦扇發動機、渦軸發動機、渦槳發動機以及燃氣輪機等在內的科研、生產資源，從而形成良性有序的競爭環境，從根本上解決可靠性問題。
其次，航空發動機的研製周期長、風險高，國內用戶需要給國產航空發動機必要的成熟期。而一旦一款核心機成熟，其衍生型號足以滿足一代甚至是兩代軍用飛機的需要。這會進一步降低新型航空發動機研製的風險，也為全新的航空發動機研發爭取時間。
F110-GE-100 的尾噴管。
以F100-PW-100為例，儘管其讓美國空軍吃盡了苦頭，一度迫使F-15A/B全面停飛。但是，美國空軍還是堅持大批量裝備和使用該發動機，為的就是讓其儘快成熟起來，改善、提高可靠性。從1974年到1980年，美國空軍總共裝備了1200餘台F100-PW-100發動機、累計飛行超過42萬小時。到了1985年，服役的F100-PW-100發動機超過3500台，累計飛行小時近200萬。正是這種驚人的飛行小時數積累，才使得普惠公司找到了真正解決可靠性的途徑，並由此推出了「脫胎換骨」的F100-PW-220。
反觀國產「太行」發動機，從2005年12月設計定型到目前為止已經10年有餘，實際裝備部隊的數量仍然很有限，這一點並不利於發動機的儘快成熟和可靠性提高。雖然一型發動機通過設計定型意味著其達到了指標考核要求，但是很多問題還是要批量生產服役並且經過長時間、高強度使用後才能發現。
還是以F100-PW-200/220為例，直到其大批量服役的1999年發生一起F-16墜毀事故後，美軍對裝備改型發動機的戰鬥機全面停飛檢查才發現其壓氣機某一級靜子葉片出現裂紋。美國空軍耗資2600萬美元將所有F100-PW-200/220壓氣機的這一級靜子葉片進行更換，避免了更多類似事故的發生。這對於當今中國航空發動機工業及其用戶來說，應該有所啟示。
（「講武談兵」是由現代兵器雜誌社資深編輯黃國志為澎湃防務開設的個人專欄，以客觀嚴謹的態度，輔以活潑精鍊的語言，力圖「破除防務迷霧」，為讀者更好地認識我國與國外在裝備技術上的差距提供參考和借鑒。每周一或二傾情奉獻。）
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