【軍情聚焦】美國研製航空發動機也層爆出了一系列重大質量問題


【軍情聚焦】美國研製航空發動機也層爆出了一系列重大質量問題

眾所周知,航空發動機研製生產是一個高度複雜的系統工程,即使是實力最強大的美國公司,其研製的航空發動機也會經常發生重大故障。眾所周知,美國普拉特·惠特尼集團公司(簡稱普·惠公司)研製的F135發動機(F35戰鬥機動力)是目前世界上技術最先進,推力最大的戰鬥機用航空發動機之一,它在成熟的F119核心機(F22戰鬥機動力)基礎上開發而來,截至2019年10月,F135發動機產量已經突破500臺。

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2018年3月,F135最新增推版本的最大加力推力已達到了204kN(20.8噸),一臺發動機的推力已經超過我國“飛豹”重型戰鬥機(最大起飛重量達34.5噸)所用的兩臺“秦嶺”渦扇9發動機推力的總和(2X10噸),其性能遠遠領先於其他同類型的軍用戰鬥機發動機。然而,F135發動機在使用和測試過程中,也相繼曝出了一系列重大質量問題,某些故障甚至受到了美國軍方和政府方面的嚴厲指責。由於F135發動機的具體細節還處於高度保密之中,我們對F135發生的重大故障及相關處理情況作一總結。

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為了節省昂貴研發和使用經費,美國最新的F-35隱身戰鬥機採用了族系發展、單發佈局的方案,共包括常規地面起降型(CTOL)F-35A、海上固定翼航母艦載型(CV)F-35C和短距起飛/垂直降落型(STOVL)F-35B這3種不同子型號。與這三種戰鬥機型號相匹配,F135發動機也有3個不同的亞型號:F135-PW-100為F-35A空軍型的動力裝置;F135-PW-400為F-35C美國海軍航母艦載型的動力裝置;而由英國羅爾斯-羅伊斯公司和普·惠公司共同研製的F135-PW-600則為美國海軍陸戰隊擁有的F-35B這種短距起飛/垂直降落型提供動力。

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從公開披露的故障數量上看,短距起飛/垂直降落的F135-PW-600發生的重大故障最多。2004年6月,F135-PW-600試驗中發現第二級渦輪導向葉片發生了較為嚴重的腐蝕問題,為此重新更換了新型的耐高溫腐蝕塗層材料;2007年6 月,F135-PW-600型發動機在進行升力風扇極限試驗時發動機發生損壞,升力風扇傳動軸斷裂脫落並打傷了發動機葉片;2008年2月4日,F135-PW-600又發生了渦輪葉片高周疲勞破壞故障。2011財年,美國國防部披露F135-PW-600升力風扇的關鍵零部件:傳動軸存在重大問題,其重新設計的傳動軸沒有通過嚴格的試驗考核,仍然需要再次重新設計。升力風扇的離合器以及滾轉控制噴管在工作中也存在嚴重過熱問題。

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雖然美軍和普·惠公司最終都聲稱已解決上述問題,但2018 年9月28日, 一架F-35B型短距起飛/垂直降落戰鬥機在美國南卡羅來納州進行訓練飛行時墜毀,飛行員成功逃生,美軍不得不下令所有的F-35戰機暫時停飛以進行檢查。雖然美軍最終宣稱這一事故的原因歸咎於發動機燃油管制造缺陷,但從上面披露的這些故障現象上看,由於短距起飛/垂直降落型發動機工作環境極為苛刻,本來已工作在高溫、高熱、高轉速環境下的航空發動機熱端低壓渦輪部件還需要額外驅動大推力的升力風扇(懸停時主發動機提供向下推力約8.47噸,升力風扇提供向下推力約8.47噸,滾轉控制噴管提供向下推力約1.49噸),發動機熱端和升力風扇極易發生故障,即使是西方國家兩個最強的航空發動機廠商聯手進行“強強組合”,也無法避免重大故障一再發生,實際上美國研製航空發動機出現的問題比全世界加起來的總和都多。

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這是否意味著主發動機/升力風扇方案的發展路線是否有誤,而俄羅斯採用的主發動機和兩臺升力發動機相互獨立的方案才是正確選擇呢?雖然俄羅斯的短距起飛/垂直降落髮動機方案重量較重,但兩者發生故障時可互不影響,很值得我國的科研人員借鑑和思考。隨著短距起飛/垂直降落型(STOVL)F-35B即將大規模投入使用,其升力風扇構型的航空發動機短/垂方案實際使用效果值得讓人拭目以待。

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F135-PW-100和F135-PW-400由於沒有讓人煩惱的升力風扇問題,在研製和測試階段發生的重大故障較少,但在投入實際使用中也發生了一些重大故障。2013年2月,美國愛德華茲空軍基地一架F35A戰鬥機的F135-PW-100發動機渦輪葉片發現了約1.5釐米長的裂紋。由於航空發動機葉片斷裂破壞力驚人,甚至會引發發動機爆炸,一度引發了當時全部F-35戰鬥機的停飛。2014 年6月,美國恩格林空軍基地一架供空軍使用的F-35A常規起降型戰鬥機在準備起飛時艙尾突然起火,飛行員隨即關閉發動機從機艙逃出,造成飛機嚴重損毀。起火消息傳出後,美軍第二次決定停飛所有F-35型戰鬥機。

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事故調查結果表明,該起火事故由F135發動機整體葉盤第三級風扇葉片碰磨所致,3個星期前該飛機在一次機動飛行後中轉靜子發生故障,產生碰摩。碰摩產生的高溫導致轉子葉片出現了微裂紋,在三個星期後的飛機起飛時裂紋導致故障範圍繼續擴大,最終使發動機燃燒起火。從這些故障可知,即使是航空發動機技術最為領先的美、英等國,很多問題和故障也無法通過事先分析或仿真預料得到,只有在試驗以及實際使用中不斷暴露問題並逐步完善產品。我國的航空發動機技術與美、英兩國相比,顯得更為薄弱,一旦發生航空發動機故障更要堅定信心,別人也是從一次次失敗中走過來的,問題一個一個的解決,從失敗中不斷汲取經驗教訓,才能最終成為軍用發動機的“王者”,而且從實力、能力、向心力、財力等等方面考慮,我們也要對自己有信心,因為這個星球上只有我們可以追得上世界第一。

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