在經(jīng)過(guò)13000多小時(shí)的性能測試之后，2010年年初普·惠公司向美國空軍交付了第一臺F135-PW-100第四代渦扇發(fā)動(dòng)機用于裝備F-35常規起降型(CTOL，后面都使用該簡(jiǎn)稱(chēng))作戰飛機。而根據美國《空中打擊》網(wǎng)站近日報道，普·惠公司日前交付了首臺短距起飛/垂直降落(STOVL，后面都使用該簡(jiǎn)稱(chēng))生產(chǎn)型F135發(fā)動(dòng)機，標志著(zhù)該型發(fā)動(dòng)機正式由研制階段進(jìn)入生產(chǎn)階段。

普·惠公司對這一里程碑事件高度評價(jià)，認為F135發(fā)動(dòng)機的成就是歷史性的，確保了公司在最先進(jìn)的軍用航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。目前普·惠公司已經(jīng)交付了全部11臺F135飛行試驗發(fā)動(dòng)機，其中也包括首臺STOVL型F135發(fā)動(dòng)機。2010年也因此成為F135發(fā)動(dòng)機項目極具紀念性意義的一年，標志著(zhù)整個(gè)項目研制工作即將完成。F135是繼F119-PW-100發(fā)動(dòng)機裝備隱身戰斗機F-22之后，世界上第二個(gè)推重比大于10的戰斗機動(dòng)力系統，也是人類(lèi)航空史上推力最大的軍用加力渦扇發(fā)動(dòng)機。

洛馬擊敗波音，F-35項目啟動(dòng)

1993年，美國國防部進(jìn)行了聯(lián)合打擊戰斗機項目論證，在國會(huì )的支持下，項目發(fā)展迅速，同年12月，根據美國防部的要求，波音公司和洛克希德·馬丁公司分別組織一個(gè)競爭團隊參與聯(lián)合打擊戰斗機項目的競標。美國的戰斗機研制過(guò)程分為：概念驗證階段、概念實(shí)證階段、工程制造與發(fā)展階段三個(gè)階段進(jìn)行。1995年、1997年和1998年美國發(fā)布了第一、第二和第三階段聯(lián)合暫時(shí)性需求文件制訂出聯(lián)合打擊戰斗機的概念設計。

此后，聯(lián)合打擊戰斗機項目進(jìn)入驗證機對比試飛階段，波音公司設計了大三角翼、一對傾斜式尾翼而無(wú)水平尾翼的X-32，洛克希德·馬丁公司設計了采用常規布局的X-35，兩個(gè)驗證機進(jìn)行了大約三年的對比試飛。在2001年10月26日，聯(lián)合作戰飛機的競標結果揭曉，洛克希德·馬丁競爭團隊的X-35擊敗波音競爭團隊的X-32，成為新一代美國海、空軍和陸戰隊的通用多用途五代機，并改稱(chēng)為F-35聯(lián)合打擊戰斗機。F-35戰斗機分為三個(gè)改型系列，分別為：常規起降的F-35A型、垂直起降的F-35B型和艦載機F-35C型。

F135發(fā)動(dòng)機因F-35的需求而啟動(dòng)

在聯(lián)合打擊戰斗機項目驗證機研制之時(shí)，世界上唯一可以滿(mǎn)足戰斗機性能要求的發(fā)動(dòng)機就是普·惠公司研制的F119-PW-100發(fā)動(dòng)機，F119-PW-100也是人類(lèi)歷史上第一型推重比超過(guò)10的航空動(dòng)力系統。由于兩家競爭公司對飛機的要求不同，從而要求普·惠公司研制2種略有不同的F-119改進(jìn)型以滿(mǎn)足每個(gè)競爭者各自的需要。波音型F-119發(fā)動(dòng)機的代號是JSF/119-SE614，洛克希德·馬丁型的代號是JSF/F119-SE611。

這兩種型別的發(fā)動(dòng)機之所以要存在這些差異，主要是因為兩個(gè)JSF機體制造商所采用的垂直升力系統方案有所不同。波音公司采用了類(lèi)似海鷂戰斗機的多個(gè)矢量噴管下偏垂直起飛方案，整體來(lái)看比較復雜。X-32使用多個(gè)引氣管道將發(fā)動(dòng)機燃燒室出口燃氣引出到位于飛機重心位置的向下噴管提供垂直起降的主要升力，另外由數個(gè)小引氣通道將發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇和加力燃燒室的氣流引出為飛機提供升力補充和姿態(tài)控制。

而洛克希德·馬丁公司的X-35采用了發(fā)動(dòng)機主軸驅動(dòng)的升力風(fēng)扇+發(fā)動(dòng)機噴管下偏來(lái)實(shí)現垂直起降。洛克希德·馬丁公司使用的發(fā)動(dòng)機JSF/F119-SE611采用了軸對稱(chēng)噴管，能夠垂直下偏提供主要升力。既然驗證機采用了以F119-PW-100發(fā)動(dòng)機為基礎的改進(jìn)型號，在F-35被確定贏(yíng)得聯(lián)合打擊戰斗機合同之后，動(dòng)力系統沿用原來(lái)的發(fā)展思路就成了水到渠成的事情，這就是F135發(fā)動(dòng)機項目的開(kāi)端。

F135發(fā)動(dòng)機是為洛克希德·馬丁公司F-35飛機研制的,有3種型別,即常規起落型F135-PW-100、艦載短距起落型F135-PW-400和STOVL型F135-PW-600。主合同商PW公司負責F135主發(fā)動(dòng)機的研制和系統集成。分合同商RR公司負責軸驅動(dòng)的升力風(fēng)扇、三軸承偏轉噴管和滾轉噴管的研制。Hamilton Sund-strand公司、挪威的VOLVO航空公司(VAN)、Ducommun Aero Structure(DAS)公司、Unison工業(yè)公司和丹麥IFADA/S公司也參與了F135發(fā)動(dòng)機的研制。

F135發(fā)動(dòng)機于2002年5月成功地通過(guò)了初步設計評審,2003年5月成功地通過(guò)了關(guān)鍵設計評審。2003年9月,第1臺F135生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機組裝工作完成。2003年10月,F135 CTOL型發(fā)動(dòng)機(FX631發(fā)動(dòng)機)開(kāi)始進(jìn)行地面試驗,檢查了發(fā)動(dòng)機是否有液體泄漏、從地面慢車(chē)到空中慢車(chē)間的油門(mén)特性。2003年11月8日,PW公司第1臺F135 FX631生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機首次進(jìn)行加力試驗。2008年11月25日，普·惠公司F135發(fā)動(dòng)機成功完成首次超聲速飛行，飛行的最高速度達馬赫數1.05。截止到2007年底，F135推進(jìn)系統完成了3600小時(shí)的方案驗證試驗、8500小時(shí)的系統驗證試驗，垂直起飛推進(jìn)系統試驗了4300小時(shí)和19次飛行試驗。此后常規起落型F135-PW-100于2010年年初正式定型，獲得服役許可。STOVL型F135-PW-600也在最近完成研制開(kāi)始投產(chǎn)。

先進(jìn)的設計與技術(shù)

F135發(fā)動(dòng)機是F119發(fā)動(dòng)機的衍生型。F119發(fā)動(dòng)機由3級風(fēng)扇,6級高壓壓氣機、帶氣動(dòng)噴嘴、浮壁式火焰筒的環(huán)形燃燒室、單級高壓渦輪、高壓渦輪轉向相反的單級低壓渦輪、加力燃燒室與二維矢量噴管等組成。整臺發(fā)動(dòng)機分為:風(fēng)扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管和附件傳動(dòng)機匣等6個(gè)單元體，另外還有附件、FADEC及發(fā)動(dòng)機監測系統。其加力推力155.7千牛，中間推力105.0千牛，總壓比35，涵道比0.3，渦輪前溫1850-1950K，最大直徑1.13米，長(cháng)度4.826米、重量1460千克。

F135發(fā)動(dòng)機采用與F119發(fā)動(dòng)機基本相同的核心機。為提高推力，增加了發(fā)動(dòng)機的空氣流量和涵道比，提高了發(fā)動(dòng)機的工作溫度;為了獲得短距起飛和垂直著(zhù)陸能力，垂直起降型增加了新穎的升力風(fēng)扇、三軸承旋轉噴管、滾轉控制噴管。其3級風(fēng)扇采用超中等展弦比、前掠葉片、線(xiàn)性摩擦焊的整體葉盤(pán)和失諧技術(shù),在保持原風(fēng)扇的高級壓比、高效率、大喘振裕度和輕質(zhì)量的同時(shí),將風(fēng)扇的截面面積增加了10%-20%。6級壓氣機與F119發(fā)動(dòng)機的基本相同。

燃燒室在F119發(fā)動(dòng)機三維高紊流度、高旋流結構的浮動(dòng)壁燃燒室的基礎上,采用了高燃油空氣比燃燒室技術(shù),在提供小的分布因子和所要求的徑向剖面的同時(shí),滿(mǎn)足了效率目標。高、低壓渦輪采用對轉結構,“超冷”高壓渦輪轉子葉片和導流葉片采用計算流體力學(xué)(CFD)方法設計,利用高溫材料(可能為CMSX-4鑄造合金)鑄造,已在改進(jìn)的F119發(fā)動(dòng)機上得到驗證,在提高耐久性的同時(shí),能夠明顯提高工作溫度(約為110℃)。低壓渦輪增加1級,變?yōu)?級,以適應增大的風(fēng)扇帶來(lái)的驅動(dòng)負荷。

STOVL型F135-PW-600采用了升力風(fēng)扇+發(fā)動(dòng)機噴管下偏+調姿噴管的垂直起降動(dòng)力方案。這種設計方案成功實(shí)現了垂直起降，俯仰，偏航和滾轉的功能。

F135發(fā)動(dòng)機推比10.5、加力推力18噸級別、軍推13噸級別、質(zhì)量1700千克，其18噸的加力推力目前沒(méi)有任何實(shí)際裝備戰斗機的加力式渦扇發(fā)動(dòng)機能夠企及。不過(guò)值得一提的是，F135相對于F119雖然推力大幅度提高，但是實(shí)際上是在同樣核心機基礎上用流量、高速性能換推力。F135雖然推力超群，但是其高速性能卻是下降的。

合理的垂直起降設計

STOVL型F135-PW-600為了滿(mǎn)足垂直起降要求，設計了升力風(fēng)扇+發(fā)動(dòng)機噴管下偏+調姿噴管的垂直起降動(dòng)力方案。升力風(fēng)扇由涵道、風(fēng)扇、D形噴管、聯(lián)軸器、作動(dòng)裝置和伺服系統組成，由主發(fā)動(dòng)機F135的2級低壓渦輪驅動(dòng)；升力風(fēng)扇直徑為1.27m，可以向前偏轉13°，向后偏轉30°，在STOVL工作狀態(tài)下使戰斗機上方的冷氣流以230kg/s的流量垂直向下噴出，產(chǎn)生90千牛的升力；3軸承偏轉噴管垂直向下偏轉（最多可偏轉95度，可左右各偏轉10度），產(chǎn)生71.1千牛的升力；該噴管可使發(fā)動(dòng)機的排氣從水平偏轉到垂直甚至向前，可以使推力從水平方向偏轉到垂直向后。

此外，每側翼根處的滾轉控制噴管利用發(fā)動(dòng)機壓氣機的引氣，也可提供16.7kN的推力；在控制桿端的噴管差動(dòng)地打開(kāi)和關(guān)閉，實(shí)現滾轉控制；通過(guò)偏轉噴管偏航實(shí)現偏航控制；通過(guò)升力風(fēng)扇和發(fā)動(dòng)機推力分離器實(shí)現俯仰控制。包括主發(fā)動(dòng)機在內的整個(gè)推進(jìn)系統的長(cháng)度為9.37m，懸?？偼屏?75.3千牛，短距起飛推力為169.5千牛。

 

歐洲和俄羅斯的新銳發(fā)動(dòng)機推重比均不到10

繼F119-PW-100發(fā)動(dòng)機之后，美國研制成功的F135系列大推力渦扇發(fā)動(dòng)機證明了美國依然是世界航空領(lǐng)域整體實(shí)力絕對第一的動(dòng)力強國。目前世界公認的推比10一級的渦扇發(fā)動(dòng)機有：歐洲合研羅羅公司的EJ200中推渦扇發(fā)動(dòng)機、法國M88系列中推渦扇發(fā)動(dòng)機、前蘇聯(lián)AL-41F大推力渦扇發(fā)動(dòng)機和美國的F119（包括F135系列）和F120系列發(fā)動(dòng)機（包括F136系列）。

雖然這些發(fā)動(dòng)機型號都號稱(chēng)推比達到了10一級，但是目前推比達到10的發(fā)動(dòng)機系列只有美國的F119和F120系列，而只有F119和F135系列完成研制正式投入使用。歐洲的EJ200和M88系列發(fā)動(dòng)機推比只能達到9左右，而俄羅斯號稱(chēng)推比過(guò)10、加力推力17噸的AL-41F發(fā)動(dòng)機僅僅完成30%就隨著(zhù)前蘇聯(lián)的解體而中斷，至今俄羅斯僅僅研制成功了推比8一級的117S發(fā)動(dòng)機。

F119系列發(fā)動(dòng)機(F135屬于F119發(fā)動(dòng)機衍生型號)能夠完勝世界上其他國家的航空發(fā)動(dòng)機，主要源于其先進(jìn)的總體設計、高循環(huán)參數和尖端的材料工藝水平。目前推比10一級發(fā)動(dòng)機中，F119-PW-100是唯一一個(gè)采用3611（三級風(fēng)扇+六級壓氣機+單級高壓渦輪+單級低壓渦輪）總體設計的渦扇發(fā)動(dòng)機，而EJ200和M88都比F119-PW-100增加了一級壓氣機，而且即便在葉片級數多于F119的情況下，壓比和喘振裕度也未見(jiàn)接近F119的氣動(dòng)設計水平。而F119采用的第三代單晶葉片和雙性能渦輪盤(pán)又賦予了F119發(fā)動(dòng)機極高的循環(huán)參數水平，達到了1900K以上甚至超過(guò)了2000K。極高的循環(huán)參數賦予F119烈焰洶涌的驅動(dòng)力和高燃燒效率，這樣就使得F119發(fā)動(dòng)機在性能提升的前提下，單位耗油率卻保持了較低的水平，為F-22戰斗機能夠超音速巡航做出了不可磨滅的貢獻。

美國雄厚的航空工業(yè)基礎

而為總體設計方案和高循環(huán)參數做基礎的是美國極為雄厚的航空材料和工藝水平。采用線(xiàn)性摩擦焊接技術(shù)的鈦合金寬弦空心葉片、六級鈦合金整體葉盤(pán)壓氣機、雙層浮壁高溫升短環(huán)型燃燒室、采用第三代單晶葉片和兩種熱處理技術(shù)的高低壓渦輪、采用兩種不同材料鍛造而成的雙性能粉末冶金渦輪盤(pán)以及第四代雙余度全權限數字電子控制系統無(wú)一沒(méi)有采用目前航空動(dòng)力領(lǐng)域最先進(jìn)的材料和工藝技術(shù)。

集大成的F119發(fā)動(dòng)機為F135發(fā)動(dòng)機提供了一個(gè)堅實(shí)的改進(jìn)基礎，F119為了保證高速性能從而采用了較小的涵道比，而F135為了追求大推力增加了涵道比、放大了流量，充分釋放了核心機的驅動(dòng)潛能。其軍推已經(jīng)達到13噸的級別，這已經(jīng)是YF119加力推力的水平（由于F-22戰斗機增重，曾經(jīng)導致F119發(fā)動(dòng)機推力從13噸級別增加到15噸），而18噸的加力推力足以讓同類(lèi)大推力渦扇發(fā)動(dòng)機汗顏。F-35戰斗機空重雖然達到了重型機標準的13噸，但洶涌澎湃的推力使得整機推比依然相當優(yōu)秀，避免其成為“笨拙的胖子”，也使F-35成為世界航空史上少見(jiàn)的單發(fā)重型機