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第25章 战斗机发动机与大型双发飞机发动机大赛(1)

普惠公司军用和商用发动机业务面临的市场环境与以往大不相同。20世纪50年代,随着美国空军进入喷气时代,公司能够为J57/J75系列发动机找到很多装机应用。经常有新的飞机项目推出,如果普惠公司错过一个,紧接着还有下一个。有14种军机使用J57/J75发动机。相同的基本发动机在商用世界的波音707和DC-8飞机上运行顺利。但是到下一个军用发动机TF30,总共只在3种飞机上使用。F100只在两种飞机F-15和F-16上使用。美国军方20世纪80年代初仅关注一种高性能战斗机,先进战术战斗机(ATF),即后来的F-22。军方每20年才有一次大变化,所以必须抓住机会,否则,下次机会要等很长时间。

1983年末,普惠公司开始了又一个征程,承担可能是历史上最关键的军事项目。美国空军航空系统部门为联合先进战斗机发动机交给普惠公司一个2.02亿美元的初始研制合同。当然,通用电气公司也得到类似合同。这又是一次“发动机大战”。

对发动机的要求很苛刻。发动机应能在不带加力情况下进行超声速巡航(超级巡航)。为了进行极端机动,发动机必须具有推力换向能力。发动机目标显示特征不能影响飞机的隐身设计。发动机应具备这些和更多的功能,同时全寿命期成本优异,而且维护要够简便。具有讽刺意义的是一架几百万美元的高性能飞机居然通常只由20来个机械员照看,而且这些人只有几年甚至几个月的经验。

该发动机在普惠公司内部名称是PW5000,通用电气公司登记的名称是GE37。经过F-16“发动机大战”的痛苦打击后,普惠公司决心拼死赢得这场1983年正式开始的竞争。“这是一场正面战争,每天都在进行。” 时任PW5000工程经理的弗兰克·吉勒特说道,“无论需要什么帮助,人们就以‘我们一定能赢’的态度团结起来。这就是为什么我绝对有把握一定能赢。”

军用发动机高管里克·席尔瓦多年后回忆西棕榈滩和整个普惠的人们在F100“发动机大战”失利后的感觉。“好吧,我们被打得像落水狗。但是我们发誓,整个公司发誓,不能再有第二次。”

托尼·皮齐当时在西棕榈滩领导研制工作,在1985年公司时讯中与同事说,组装PW5000是自20世纪60年代F100研制以来他们的记事板上最重要的事情。“我们必须‘三思而后行’,按成本按进度制造部件。”他告诫人们:“我们必须团结协作。这是整个工作的底线,是我们的竞争优势。我们将因此打败通用电气公司。”普惠人从如何研制PW2000和PW4000中吸取的教训在PW5000上派上用场。团队协作成为每个参与者的口头禅。工程与制造之间的藩篱开始消失。

PW5000项目有很多非常有意思的地方,其中之一是强调外场可保障性,它与更吸引人的发动机性能问题一样重要。超级巡航可能光彩夺目,但实际操作需要勇气。例如,普惠工程师们进行“蓝二访问”(“蓝二”是空军人员的绰号,即袖子上有两条黄杠的蓝军装)。60多名工程师去空军部队体验实际维护工作,这是设计所要求的。回到普惠公司后,工具将摆放在设计图上,以便查看是否能拿到这种工具,以及机械人员需要具备何种技能。

发动机外部的航线可更换单元(LRU)不能上下前后相互阻碍遮挡,这样,机械人员就能很快触及到LRU,使用常用工具在20min之内就可以拆下。各个航线可更换单元使用一种尺寸的扳手就可以拆卸。因此,发动机整个工具箱就只有11种扳手。所有紧固件都是“系留式”的,它们不能完全脱离发动机,这样就可避免丢失,也不至于掉落,以免在凌晨3:00到下着雨的空军基地停机坪上摸黑寻找。

普惠公司一步一步向前推进计划,从设计到组件台架试验,再到研制试验发动机、地面试验和飞行试验,等等。最后制成的是35000lbf推力的涡扇发动机,带有对转压气机和涡轮,装有三级无冠风扇。高压压气机使用整体叶片转子,压气机的盘和叶片都是从一块锻件上加工出来的。这比把叶片一片一片地单独安装固定到压气机轮盘上的传统设计更加坚固,转速更快。推力矢量喷口可上下偏离中心线20°,1s就可以完成上下一个循环。

回顾整个研制过程,里克·席尔瓦总结道:“我们制造了世界上第一台隐身超级巡航加力发动机,它与众不同。”

领导发动机系统的汤姆·法默说,超级巡航能力的关键是掌握如何更好地管理发动机的热负荷,新方案是采用冷却空气和先进涂层对涡轮转子叶片隔热:

涡轮转子叶片在超过2500℃高温下正常工作,而母体金属在2100℃就熔化。要延长寿命,工作温度就要降到1400~1500℃。我们只要提高涡轮的耐高温能力,以保持非常高的转速连续运转。

随着1990年即将过去,紧张气氛在整个普惠公司不断加剧,特别是军工业务总部所在地西棕榈滩。普惠人把能够做的都已经完成。12月28日诺斯罗普和洛克希德先进战术战斗机原型机进行了最后几次飞行。12月31日,普惠公司递交了发动机的最终建议书,共35万页,重8000lb,装了262箱。包机运到俄亥俄州代顿市莱特-帕特森空军基地。通用电气公司比较轻松。 他们仅用面包车就把一大堆建议书从俄亥俄州埃文戴尔通用电气公司总部运到莱特-帕特森空军基地。

国防部定于1991年4月23日宣布哪家公司赢得先进战术战斗机和发动机。“我们赢得了战斗机发动机大赛,”普惠公司总裁吉姆·奥康纳兴奋地对员工们说。奥康纳与前普惠总裁、全联合技术公司航空业务领导人阿特·韦格纳在一起,等待空军部长唐纳德·赖斯来电。16:15电话来了。原本计划将获胜消息传给西棕榈滩军事业务领导人约翰·巴拉古尔,先不对外宣布,等到全体员工大会再宣布。但是事情并没有按计划那样走。

“我听到从办公室传出大声喊叫,我知道我们赢了。”据巴拉古尔的秘书迪迪·哈德特-佩顿回忆:“一些人在楼道里大笑并相互祝贺。”待巴拉古尔和F119副总裁沃尔特·拜耳奇夫到达会场时,每个人都在庆祝。没有公司的官方记录,但那一晚对“高量酒吧”来说,一定棒极了。[1]

空军在洛克希德F-22和诺斯罗普F-23之间选择了F-22,在普惠F119和GE120之间选择了F119。当时,空军认为洛克希德/普惠组合提供了最佳成本和最低风险。通用电气公司发动机采用非常积极的变循环设计,在超声速时按涡喷发动机工作,而在亚声速时按涡扇发动机工作,大大提高了燃油效率。

在竞争后评估中,《航空周刊》推断,空军可能认为变循环技术难以企及:“复杂性的增加可能最终导致维护要求的提高,在发动机选型过程中可能伤及通用电气公司。”

普惠公司的沃尔特·拜耳奇夫对该杂志做出解释,他相信普惠公司更传统的路子能够胜任:“普惠研制J58(SR-71)发动机具有长期的变循环经验,我们的判断是没必要使用那种能力来满足ATF发动机的要求,那样会增加重量和复杂性。”

赢得竞争在某种意义上仅仅是开始。长期复杂的研制和试飞计划接踵而来。F-22“猛禽”于1997年9月7日首飞,2005年12月投入使用,2006年1月执行任务。F-22是世界上唯一的第五代隐身战斗机,其F119发动机是最先进的现役燃气涡轮发动机。

但是,其通向成功的道路可能并不像今天听起来那样一帆风顺。汤姆·法默回忆道,其中有很多惊心动魄的插曲。例如,1996年末和1997年初在阿诺德工程发展中心进行发动机试验时,飞机正在等待起飞许可,加力喷口工作不畅。工程师小组在办公室集合,关了门窗。“他们有时出来透透气,我们就把午餐送进去。他们一直待在房间里。最后找到了解决办法。”普惠的几十个人去阿诺德工程发展中心排除故障。“我永远不会忘记在那里看到的喷口。”法默回忆道,“几千个部件在水泥地面上散落一大片。这些人专心致志地进行设计更改,使飞机恢复正常。他们做到了。真了不起。”

当吉姆·奥康纳称F119赢得战斗机发动机“超级碗”竞赛时,他就像赢得了“世界大赛”、“世界杯”和高尔夫大赛,它们可以相提并论。显然,赢得为F-22提供发动机有助于赢得联合攻击战斗机项目。该项目按美元计算将是美国历史上最大的军事项目,超过2000亿美元。

一台发动机,三种用途

联合攻击战斗机(JSF)正式名称为F-35“雷电”Ⅱ,在21世纪对普惠公司极其重要。该飞机将替换美国空军、美国海军、海军陆战队和英国皇家海军使用的F-16、F/A-18、A-10和AV8“海鹞”飞机。毫无疑问,全世界很多其他武装力量也将购买这种飞机。这意味着几千台发动机的销售潜力,但这也是普惠公司参与过的最复杂的项目。

1996年末,普惠公司赢得为洛克希德·马丁和波音JSF样机研制发动机。通用电气公司被选中与麦道一起参加竞争,但麦道飞机没有进入下一阶段的竞争。普惠发动机在这个阶段叫做JSF119,是正在为F-22 试飞的F119的近亲。实际上这一台发动机相当于4台。洛克希德·马丁和波音公司将各自制造常规起降(CTOL)和短距起飞垂直降落(STOVL)两种飞机,每个公司需要两台发动机,因此是4台新发动机。为波音公司研制发动机的普惠小组和为洛克希德·马丁研制发动机的普惠小组之间必须有“防火墙”。[2] JSF计划也将有巨大的国际合作成分。罗·罗公司基于与“鹞”式飞机在STOVL上的经验将管理这一技术。普惠公司将必须在全球寻找其他伙伴和供应商,以鼓励未来将JSF纳入这些航空维修服务中去。

鉴于F119是35000lbf推力的发动机,JSF发动机将是40000lbf级,并且有可能需要增加推力而超过40000lbf,像所有发动机计划一样看来不可避免。得到多余功率的一个方法是普惠公司的试真法,即尽可能提高每一个发动机部件的效率,像早在活塞发动机时期一样挖出最后一盎司的性能和耐久性。工程师们提出他们称为F-22/F119“超级冷却”的概念,这样发动机就可以在更高的温度下工作。其想法是使用取自发动机核心机气流的冷却空气来降低高压涡轮转子叶片和静子叶片的温度。另一方面,是利用冷却方法使发动机燃烧室排出的高温燃气的温度非常均匀。普惠公司JSF计划领导人鲍勃·赛亚在2001年《航空周刊》文章中对该系统做了解释,他说,“超级冷却”允许发动机在超过涡轮转子叶片所用金属熔点约1000的温度下工作。

最大的挑战可能是研制STVOL型原型机。波音公司选择的方法是使用直接升力,或将发动机推力导入弯转朝下的喷口进行短距起降。洛克希德·马丁最后获胜,采用的是“升力风扇”。在这种发动机上,功率从发动机传导给驱动轴和离合器。当离合器齿合时,离合器轴带动升力风扇,升力风扇转动29000hp的轴产生约20000lbf推力。空气进入升力风扇,通过驾驶舱后面的一组格栅门向下吹入飞机下方的导向叶片箱。导向叶片箱可以改变气流方向,也可以改变喷口出口面积以控制升力。STVOL系统在机翼上还有横滚支柱,从发动机得到4000lbf左右的推力,以保持STOVL工作时飞机的平衡。STVOL型发动机在排气喷口处安装旋转模块,可以改变发动机排气方向。要使这一切在几秒内配合默契完美无瑕地工作可能是JSF研制工作的最大挑战。但是由于有了数字式发动机控制装置、电传操纵以及普惠公司和罗·罗公司的伟大工程工作(大量的汗水和心血),发动机能漂亮地工作,显然这种设计比直接升力设计高出一筹。

然而,前进的道路并不完全顺利。在研制试验中,升力风扇离合器不能很好地保持,升力风扇齿轮箱润滑系统漏油。普惠、罗·罗和洛克希德·马丁公司组成一个团队不辞辛劳日夜加班找到离合器齿合的新方法,并排除了漏油问题。

JSF发动机的核心一直是其近亲F119。高压压气机、燃烧室和高压涡轮都直接来自F119,这就是普惠公司JSF计划像过去一样进行的如此顺利的原因之一。“我们非常小心谨慎地保持核心发动机的优势,” 该发动机计划领导人汤姆·法默在2001年《航空周刊》访谈时表示:“我们将对发动机的那些部分做非常少的改动。”这种发动机共4台,在波音公司和洛克希德·马丁公司的飞机上的试飞都表现不俗。2001年10月26日,普惠员工集合在东哈特福德伦奇勒机场的老机库内观看竞争胜利的电视报道。这好像有点虎头蛇尾。无论是波音公司还是洛克希德·马丁公司,普惠公司都将得到发动机合同,而现在则正式确认了。洛克希德·马丁公司制造飞机, 普惠得到48亿美元为F-35“雷电”Ⅱ联合攻击战斗机研制发动机。这是普惠公司历史上最大的一笔交易。

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