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第26章 战斗机发动机与大型双发飞机发动机大赛(2)

该项目在系统研制和验证阶段与所有这样的项目一样都会有起伏。飞机重量增加,发动机工作温度有点高,软件语言不一定一致,技术转让破坏了关系,国会对成本和预算不满等,但工作仍然继续。在10多年之后的2006年12月16日,F-35首飞,并开始其试飞计划时,所有这一切达到顶点。

普惠人值得骄傲,但是他们要警惕。在20世纪80年代的“发动机大战”硝烟之后,五角大楼决定对JSF两边押注,并对通用电气公司/罗·罗公司的替代发动机F136提供资金。随着普惠发动机显示自己的能力,JSF计划决定不想或不需要替代发动机,并从预算建议书中砍掉替代发动机计划。但国会做出相反表决,继续为替代发动机提供资金。截至本书撰写之日,这一问题仍在辩论之中。但随着普惠公司设计、研制并生产出一系列高性能先进战斗机发动机,这些发动机将服役几十年,这已不是问题。

真正的大秀场

长程宽体商用航空建立在四发和三发飞机之上,如波音707、DC-8、波音747、DC-10和L-1011等。双发飞机用于短程国内航线。但是随后空客公司组建, A300——首款宽体双发飞机出现。不久,其姊妹机A310面世。波音公司以波音767相应对。双发飞机开始飞长程航线,特别是跨大西洋运营,这原本是波音747、L-1011和DC-10的天下。航空公司喜欢双发大飞机。使用两台发动机对采购、使用和维修来说都比较便宜,而新的双人驾驶舱也可节约成本。到20世纪80年代末,航空公司需要更大的双发飞机,而且这种飞机需要具有双发延程飞行(ETOPS)能力。[3] 大型双发飞机能够执飞优化的跨洋航线,使用双发比三发和四发飞机经济上更合算。航空公司曾经能够使用双发飞机在一台发动机停车的情况下飞行90min到达最近的备降机场。但是ETOPS取证只有在发动机/飞机组合运营几个月甚至几年后才能进行。飞机必须证明其空中停车率(IFSD)达到严格的规定标准。空客公司和波音公司试图对双发大飞机提出全新的要求:“开箱就有ETOPS”,即,从投入运营的第一天就具有ETOPS取证。而发动机对实现这一目标是至关重要的设备。

空客首推双发A330和四发A340系列飞机概念。在国际航空发动机公司决定不为A340制造超级风扇发动机后,原选发动机方案受违约影响而转为CFM56。[4] 但是,普惠、罗·罗和通用电气公司都在宽体市场日益激烈的竞争中竞标A330。

普惠公司原来设想PW4000与JT9D大小几乎相同,但能轻松地达到60000lbf推力。A330需要大于60000lbf推力的发动机,因此普惠公司开始将发动机升级到68000lbf的推力。低压压气机和低压涡轮都各增加一级为发动机增压。但对于风扇的大小存在争议,研制小组选定了100in直径的风扇,比原型PW4000的94in风扇长6in。燃烧室是新型的,称作“先进低氮氧化物技术”(TALDN)燃烧室。在这种燃烧室中,空气和燃油的混合物以尽可能高的温度非常快地燃烧,然后快速冷却以控制氮氧化物的排放。按照美国和国际民用航空组织(ICAO)的规定,低排放和低噪声成为绝对的要求。但这会导致发动机尺寸和重量增加,它通常是人们关心的问题。普惠公司与当时洛克希德·马丁公司在马里兰州的航空结构业务单位合作,设计了全复合材料的发动机短舱,就其尺寸来看,是民航业最轻的发动机短舱。PW4168以完整的推进系统出售,这在普惠公司尚属首次。过去公司一般提供裸机,与飞机制造商一起提供发动机周边所需附件和短舱。当PW4168发动机1994年投入运营时,那是第一款投入运营第一天就达到90min ETOPS级别的商用发动机,很快又创造了杰出的可靠性纪录,获得当时最长的180min ETOPS能力。通用电气公司用CF680C2系列的衍生型发动机来进行竞争,而罗·罗公司推出新的大推力“湍达”发动机开展角逐。

随着PW4168研制的开展,另一个更大的发动机项目开始。波音公司准备用原来叫做波音767×的飞机应对A330。普惠公司商议提供96in风扇的PW4000,其原型发动机现在的推力达到62000lbf,或者100in风扇的PW4168。航空公司举行了盛大的记者会,他们需要的飞机应超过增强型加长波音767。显然波音公司必须提供全新的飞机,即波音777。波音公司深信,普惠公司和通用电气公司用于A330的衍生型发动机不适合波音777。罗·罗公司揭开了新型“湍达”发动机的面纱。

普惠工程师们怀疑PW4000能否达到80000lbf的推力。他们想用PW4168增推至70000lbf或更多些。波音公司否决了普惠公司的建议并告诉普惠公司领导,如果他们想参加竞争,他们应该有更好的东西。对普惠公司来说,问题是超大推力发动机轴承受的扭力。改变轴的直径不是一个好方法,因为这将抛弃全部衍生型发动机设计做法。最后期限很快到来,需要做决定“是慢条斯理还是快刀斩乱麻”,工程部门被告知赶快拿出方案。他们拿出来了,就是使用特殊合金和新制造技术使轴的设计具有所需的强度。普惠公司在波音777竞争中提出使用PW4084,这是当时从未制造过的最强大的航空发动机,用于从未制造过的最大双发客机。发动机的取证推力是84000lbf,并且最终增加到98000lbf,将配有112in风扇,低压压气机增加一级,低压涡轮增加两级以得到所需做功来达到这一推力等级。

大风扇带来一些特殊问题。用传统合金制造实心叶片不仅叶片非常大而且非常重。如果叶片相互之间装有传统的叶冠(英国人叫减振凸台)以增加强度,重量会增加更多。所有发动机风扇都应包容在风扇机匣内以防因鸟撞或外物损伤而发生灾难性叶片失效。工程师们如何制造出这种机匣,能包容转速在9000r/min的112in风扇,而且该机匣不会致使发动机前部非常重?凯夫拉如何?就是用来制造防弹背心的那种材料。于是,就想出了在薄的金属风扇机匣外面包上多层凯夫拉织物的办法。

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