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[武器展望] F-35的发动机之谜

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 楼主| 发表于 2024-6-30 07:08:35 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
洛克希德F-35战斗机的发动机是普拉特-惠特尼F135涡扇,这没什么好迷的。但现在F135的“下一步”成迷了。
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' |, E9 {2 R& |# J美国战斗机研发传统是首先推出A/B型,几年后推出貌合神离但大大升级的C/D型,其中A型和C型是单座战斗机,B型和D型是同型的双座战斗教练机。F-15A在1972年投产,F-15C在1979年投产;F-16的间隔稍长,F-16A在1979年投产,F-16C在1993年投产;F-18的间隔短得多,F-18A在1983年投产,F-18C在1987年就投产了。除非专家,这些战斗机的A/B型和C/D型在外观上很难分辨。6 W0 E1 }0 g5 k2 |

( j5 G3 Q3 ]* Z  tA型实际上是IOC标准。早年美国IOC的要求很高,真是能打仗的。由于美国战斗机强调跨代发展、领先发展,A型代表的是对上一代战斗机阶跃性的提高,相对于对手形成跨代优势,所以抢先投产以迅速形成压倒性的战斗力。但C型才是完全型,将A型在研制中因为及早冻结设计而来不及充分采用的新技术都用起来,并在A型的实用经验基础上打补丁和改进,将基本设计的潜力最大限度地发挥出来。C/D型的技术天花板撑到顶后,生产时间一般也更长。F-15A在1972-79年里生产,F-15C为1979-97年的18年。
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+ o) i4 V; S" H% O! \# o+ F一般说来,抢先投产的A/B型留有遗憾,退役较早不仅因为投入使用时间较早,也因为升级路线长、升级空间受限。“十系列”战斗机的A/B型在20年前就开始退出第一线使用了。精雕细琢的C/D型的服役时间要长得多,F-15C/D和F-16C/D依然是美国空军的一线主力。美国海军以“深度升级”为名,偷梁换柱地塞进实际上完全不同的F-18E/F,但F-18C/D依然在一线使用。
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+ l6 {% P+ m/ ?' O6 C3 I& k; c与战斗机从A/B到C/D的升级同步,战斗机发动机也有这样的升级。F-15最初的发动机是普拉特-惠特尼F100-100,F-16是F100-200,只有一些为单发而做的细节修改,与-100基本相同。战斗机升级到C/D时,美国空军对F100-100/200的不满也最终得到解决,普拉特-惠特尼推出F100-220,并再接再厉,进一步升级到-229;F-16C/D还有安装通用电气F110-100的选项,以后F110-升级到-129、-139。$ e) e# K- ]/ Y

2 A* w/ P& X; z/ h, EF-35A首飞至今已经17年了,这也是边设计边试飞边投产的,所以投产也至少17年,IOC距今也7年了。
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F-35的A/B/C命名也与历史上不同,A型是空军的跑道起落型,B型是海军陆战队的短距起飞-垂直降落型,C型是弹射起飞-拦阻索降落型。现有F-35A/B/C算IOC版的话,完全版是命名为D/E/F,还是别的全新命名体系,就不知道了。反正没有双座型,所以B/D的麻烦倒是没有了。但这不重要,按照历史惯例,时间到了,该琢磨完全版了。  j  k5 m8 g! b9 w
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不管F-35的拥趸们如果赞美,现有F-35是留有遗憾的。3月12日,负责军购的美国国防部副部长勒普兰特签署了F-35的“里程碑C”文件,F-35获准开始全速生产。但美国空军的每一架新F-35A一下线就立刻封存,因为现在交付的F-35A都还是Block 3F软件标准,只是达到20年前制定的IOC标准,Block 4软件才“与时俱进”,满足当下的要求。4 {1 l% F0 G& Y. l
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这不是唯一的遗憾。, o3 p) i8 B! m4 v5 f4 ?$ M: o

, s6 J8 w7 D* w4 JF-35在研制早期饱受超重的困扰。洛克希德一面被迫“松开裤腰带”,一面逼迫普拉特-惠特尼增加F135的推力。“里程碑C”意味着所有主要设计要求都试飞通过而且达标,但战斗机在不断改进中增重是必然趋势。
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更多的机载设备和结构增强都导致更大的重量。F-15A空重为11734公斤,F-15C增加到12701公斤;F-16A空重为6613公斤,F-16C Block 52增加到8573公斤。更大的携弹量和燃油量则增加最大起飞重量。5 ?% J/ F' q& j2 Q: j" B

  G( `4 l2 z. u$ ?0 oF135是西方推力最大的战斗机发动机,但F-35由于重量太大,推重比只有0.87,与以笨重著称的F-4“鬼怪”式相当,美国空军早就不满意了。F-35的最大速度也只有M1.6,但发动机增推未必能提高最大速度,这是受到气动设计和结构限制的。但更大的推力意味着更强劲的加速和爬升,这对战斗机有大用。
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即使没有“正式”的完全版,美国空军也希望发动机得到增推。/ A' s  P3 E4 ?  q% Z

! g7 ]! j& I7 h. H& \6 E正好,美国空军在大力推动下一代战斗机(NGAD)的研发,与此配套的是下一代自适应推进(NGAP)技术,也就是三涵道涡扇。涵道比等于外涵道与内涵道产生的推力之比。新增的第三涵道在需要大推力的时候提供辅助流量,大大增加涵道比,提高推力;也可以在推力要求较低的巡航状态下,将第三涵道的冷空气流量作为机上空调冷源,帮助系统散热。NGAP还将大大增加发电能力,为设备供电和激光武器做准备。
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. ^/ {/ h1 P8 L8 f隐身战斗机要求减少表面开口,同时机载电子设备持续增加,发热量增加,设备散热成了难题。F-35用机内燃油作为冷源,但这要求留出不低于40%的燃油才能有效地换热,否则F-35就成了飞行的板砖了。用三涵道解决系统冷却问题迫在眉睫。
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! c* B9 d7 p+ t$ k+ i$ l" {NGAP计划从自适应发动机过渡计划(AETP)计划发展而来,最初由通用电气和罗尔斯-罗伊斯参加,普拉特-惠特尼坚持F135的深度升级改进能达到AETP同样的性能要求,但双涵道结构简单、技术成熟。在美国空军的强烈要求下,普拉特-惠特尼最后参加AETP,同时罗尔斯-罗伊斯被排除,即使对英国,美国也是留一手的。3 |. T+ h: @6 u8 v. v) m
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通用电气在ATF竞标时代就用变循环发动机投标,复杂的阀门-旁通系统在涡喷和涡扇状态之间无缝转换,充分发挥涡喷的高空高速特性和涡扇的在中低速度下大推力、低油耗的特性。但因为技术超前,普拉特-惠特尼的常规涡扇设计胜出,成为F-22战斗机的F119发动机。
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5 a% l( t' v7 x$ {通用电气不死心,利用相关技术改进F414涡扇(用于F-18E/F),并拉上罗尔斯-罗伊斯,自费研制F136发动机,试图作为F-35的备选发动机。( \3 L3 L6 |8 h/ I2 c
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在F-16C/D时代,通用电气F110和普拉特-惠特尼F100都是备选发动机,两家展开“发动机大战”,结果是价格、可靠性、泼辣性、单位油耗都得到显著改善。通用电气以此为理由,试图说动美国军方和国会,重开“发动机大战”,并得到不少支持者。0 D. `1 P. G: t0 l$ T
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但发动机大战是要首先砸钱才能启动的。F-16C/D的改进之一就是能够适装F100和F110,但还是需要有两个亚型,F-16C/D Block 30/40/50用F110,Block 32/42/52用F100,并非可以直接原位互换。两个亚型当然也需要分别试飞、认证,并建立相应的供应链、维修、备件和训练体系,通用电气自费研制F136并不解决这些问题。
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F-35已经一波七八折,美国空军和国会都没有胃口再节外生枝,为F135和F136分别设计亚型,分别试飞认证更是不可承受之重,所以F136一再提出,一再被毙。/ \" J) R9 @6 u, n, ~2 ^8 `# Q
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但现在不一样,NGAD研制需要发动机先行,NGAP启动较早,现在通用电气和普拉特-惠特尼的工程样机已经开始试运转,NGAD则思路遇堵,发展迟缓。; [5 u2 T( Z. A+ l

3 l0 i) F. c6 ]从50年代“百系列”战斗机以来,美国空军习惯了在空战思想和技术研发上领先一大步,基本上一直主导战斗机潮流的大方向。但中国歼-20在美国空军还没有想明白下一步往哪里去的时候横空出世,数量迅速增加,不仅打乱了美国空军的隐身优势,还把美国空军思索应对的时间给剥夺了。' v7 F5 ^+ Z$ T) d: q3 Z) _
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美国空军没有时间等待,小步快跑的快速迭代则烧不起这个钱,最大的问题是对未来空战没有想明白。NGAD有点举棋不定。9 D* A/ y, `: R+ O4 }! h
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在这样的情况下,NGAP首先在F-35上使用,既解决眼前需要,又为NGAD的发动机早早成熟化,避免F-15服役初期成为“机库王后”的尴尬,似乎顺理成章。
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* w. a" q! T0 ~& e然而,在最新的预算里,NGAP只有2.8亿美元的维持性拨款,“以保持技术连贯性为主”,既没有向量产推进的意思,更没有为F-35适装的意思。  }0 P# d- L4 [) u! k: ^

" n; ~" Z! j, a+ CNGAP原本设计要求可以为F135原位换装。当然,说原位,是指只需小幅度改动。NGAD一般估计是双发重战,F135与F119尺寸相仿,重量稍大,可以为F135原位换装的NGAP容易符合NGAD的尺寸和重量要求。6 k  k" e* P# i' s* c
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但NGAD推进放慢,NGAP的研发好像帆船突然开进无风海区。NGAP首先用于F-35是借东风,F-35发动机升级本身不足以成为NGAP的研发动力。三涵道比双涵道复杂得多,考虑到美国近些年军工前沿科研拉垮的记录,NGAP攻关不力可能也是研发放慢的原因。
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& m* j3 Z7 X0 L) M7 P0 P5 sF-35的发动机升级还有方案B:F135的升级(ECU)和发电-热量管理系统(PTMS)。5 t5 {9 X/ k7 x8 |. I1 b9 m# R' _
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普拉特-惠特尼在F-35研发阶段已经着手进一步增推。在热工上能做到,但提高的温度使得发动机可靠性和耐用性下降。投产十多年来,普拉特-惠特尼在逐步解决可靠性问题。增加的推力有助于增加发电能力,增加从压气机引流则缓解热管理问题。ECU和PTMS预计在2030年投入使用。
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' [' @/ m" q$ d! ?7 G4 R/ N但是洛克希德胃口更大。在2023年巴黎航展期间,洛克希德负责飞机的执行副总裁格里格·乌尔马对媒体直陈:“我主张要,不,大力主张要(AETP)发动机,……我认为现在一些圈子里的思路(对F-35)很短视,没有考虑到长远发展。”乌尔马是指F-35还要生产和使用很多年,需要考虑发动机的增推和冷却要求,现有F135的潜力已经挖尽了。) A' H1 a, t9 F1 [$ |# R5 k
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普拉特-惠特尼震怒,负责F135计划的简·莱特卡反驳到:ECU和PTMS一起,可以解决F-35的所有推力和冷却问题,但AETP无法与F-35B的升力风扇相容,而且过于先进,在很长时间内都未必能出口。洛克希德想用过度升级的F-35达到似是而非的“准六代”性能,挤占NGAD的军费和发展空间,极大延长F-35的生产年限,这是自私。
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最后是洛克希德CEO吉姆·泰克莱特打圆场,指出F-35用什么发动机是美国空军的决定,与洛克希德无关。事实上在美国空军的订购中,F-35和F135是分别直接订购的,F135并不通过洛克希德代购。所以洛克希德“也就是这么一说”。7 L9 P1 m$ ~1 K( [7 \- }

% _  p, {2 g7 \/ r5 ~两家当然都有道理。AETP/NGAP的发展空间肯定比ECU/PTMS更大,洛克希德有私心也是肯定的。但普拉特-惠特尼何尝没有私心?- Q( {' @5 n0 J  o/ ?0 t$ b

  l' |' l) j* d: AF-35是“赢者通吃”的故事,近二十年来,美国军方吃够了店大欺客的苦头,对洛克希德进度迟缓、成本高企、性能不达标不满,又无可奈何。这是单一供应商的本质问题。洛克希德其实吃的是一样的苦头,只是这里的“店”是普拉特-惠特尼。
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洛克希德想长期独占美国战斗机市场,普拉特-惠特尼何尝不想长期独占美国战斗机发动机市场?普拉特-惠特尼早就反对AETP,被美国空军“下令”才不得不加入,就是不想让通用电气有可乘之机,分走美国战斗机发动机市场的蛋糕。' ^$ K' z) W) {; o

  s  w& w7 ~* R' e: s现在普拉特-惠特尼如愿以偿,甚至ECU/PTMS都放慢进度,在新预算里没有投产时间表,在可预见的将来,F-35家族继续使用基本F135发动机。% I+ U+ k3 u1 N: B0 E2 u' l0 v
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这对普拉特-惠特尼是好消息,产品线延长,生产线和工装得到更加长期的使用,有利于降低成本、提高盈利。! x' U$ T9 B5 n9 k

0 J2 s: L& j6 F9 h- w& G  s: \# k* v对美国空军就不是那么好的消息。
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" M7 G5 X* a2 }0 L, H! r" w( B$ a美国空军对F-35的隐身、态势感知和先进武器依然有信心,但长期依赖F-35也意味着美国空军要准备“吃软饭”,而不能像历来那样软硬通吃了。' R' r3 u! r) I& S  {

+ N. \! q( ?* e$ m# T# ~F-35依然是出色的战斗轰炸机,但作为空战主力,并非美国空军的初衷。空战中能通过隐身、态势感知和先进武器一击夺命固然好,但未必可靠。反隐身也在发展,对空空导弹的反制也从干扰发展到激光/微波压制和微型反导弹,一击夺命不成的话,敌机很可能逼上来,那时就被动了。* \( O5 p! w- G$ C. y' }
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战斗机最好软硬通吃,偷袭不成还能硬吃。由于推重比不高,翼载太大,F-35的速度、加速、盘旋、爬升性能都不突出,再先进的飞控软件也不可能重写物理定律。2 k( x9 A" {5 ~; Y  i5 Z
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美国空军战斗机曾经是软硬通吃的。F-15A是第一种在设计时就强调态势感知的战斗机,但这也是第一种推重比超过1.0的战斗机,曾创造8项纪录,至今依然是西方速度最快的战斗机。F-15可达“M2.5以上”,F-22只有M2.2。
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$ ~4 V+ J% |  u0 j在F-15A时代,美国空军也新旧两手都硬。一方面F-15A加速形成战斗力,另一方面不放松F-4,最新的F-4E不仅安装机内航炮,雷达和航电深度升级,发动机推力增加,在保持超视距空战优势的同时,在格斗空战中也不输轻巧灵活的米格-21。. L) {" ]4 T* w, K  e, t
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现在,如果美国空军还是“不差钱”的话,会一面加紧研制第六代战斗机,一面用升级F-22担任空战主力,F-35则回归战斗轰炸机的本色,但这不可能了。
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# H+ O! Z; R& I7 y0 F1 oF-22在20年前投入使用,飞行性能依然强悍,但航电架构早已过时。早期下线的40架飞机已经没有升级价值了,所以美国空军屡次试图将其退役,但美国国会拒绝批准。
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在理想情况下,F-22的生产没有早早停止,现在数量更大,而且按照F-22C的升级标准生产,技术基线更高,升级空间更大,便于利用F-35 Block 4甚至更高标准的航电和软件。
* N+ t6 O( A) ~. h
' N0 L8 l( Z' I/ y# \但美国现在差钱,F-22早早停产有低估中国发展的原因,最主要还是因为反恐战争太费钱了。至于现在,F-35尽管满足“里程碑C”而获准全速生产,美国空军实际上在削减订购量,依然是因为差钱。
; R" [3 N6 s( w  s; J- i8 t8 \7 g
! ?. f: K4 Q6 n* [美国空军也要过一段紧日子了。至于F135的“下一步”,不用迷了,一切照旧,在可预见的将来,F-35还是只有基本F135可用。
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