相较于陆基飞机,舰载机的发展与海军舰艇的建设发展密切相关,而舰载机的发动机除需考虑电磁兼容、油料和防腐等特点外,还需要考虑更大的推力/功率和更好的加速性,同时还要做好质量、耗油率、结构尺寸与上述因素之间的平衡。
选取或研制舰载机发动机时,除了考虑与陆基飞机发动机共有的因素外,还须针对舰载机的使用需求和使用环境等因素进行综合考虑。舰载机对发动机的需求通常包括更大的推力/功率和更好的加速性(以获得更好的起飞性能),同时还要做好质量、耗油率、结构尺寸与上述因素之间的平衡。另外,在舰载使用条件下,发动机对电磁兼容、油料和维护保障资源的要求更为严格,海洋环境下的腐蚀防护工作也尤为重要。
美国舰载机配套发动机现状
固定翼飞机发动机
美国海军现役的固定翼舰载机主要包括AV-8B舰载攻击机、F/A-18E/F舰载战斗攻击机、F-35B/C舰载机和T-45舰载教练机等。
AV-8B舰载攻击机是在AV-8攻击机基础上改进而来,是一型可在舰上垂直起飞/短距降落的舰载
攻击机,配套动力沿用罗罗公司的“飞马”推力换向涡扇发动机(编号为F402涡扇发动机)。推进系统是垂直起飞/短距降落飞机的核心,其原理、构型决定了飞机的特点。AV-8飞机的发展史在某种程度上就是“飞马”发动机的发展史,甚至可以说,飞机机体就是为了“包住”“飞马”发动机而设计的。“飞马”发动机于1957年开始研制,1968年完成,只配装于AV-8系列飞机。AV-8B舰载攻击机早期配装F402-RR-406涡扇发动机,后期换装了性能更好的F402-RR-408涡扇发动机。
F/A-18E/F舰载战斗攻击机的配套动力为两台GE航空集团的F414涡扇发动机。F414涡扇发动机是针对飞机使用需求,以F404和F412涡扇发动机为基础,采用经验证的技术改型研制的一型发动机,主要配装于F/A-18E/F舰载战斗攻击机。在研制过程中,美国海军要求F414涡扇发动机的长度和喷管直径与F404发动机(F/A-18A/B/C/D舰载攻击机配套动力)保持一致,以满足将F414涡扇发动机装入F404涡扇发动机舱的要求,并要求F414涡扇发动机的性能、可靠性、维修性和环境适应性等必须等于或优于F404涡扇发动机。F414涡扇发动机研制成功后,GE航空集团采用新的策略不断对发动机进行改进升级,进而发展出两种型号,即延长使用寿命的F414-EDE和提高性能的F414-EPE,两型发动机的硬件完全相同,只是控制系统软件不同。F414-EDE的推力不变,显著提高了耐久性和维修间隔,热端部件寿命提
高3倍,耗油率降低3%~4%;F414-EPE寿命不变,推力提高20%以上,耗油率降低1%~2%,推重比达到了10∶1。
F404涡扇发动机
F414涡扇发动机
表1 F404涡扇发动机和F414涡扇发动机主要参数
F-35B/C舰载机属于F-35战斗机系列(包括空军的F-35A、海军陆战队的F-35B和海军的F-35C)。为满足飞机多种功能要求,推进系统采用“主发动机+升力系统”的组合推进方案。主发动机为F135涡扇发动机,由普惠公司研制;升力风扇由罗罗公司研制,目前只配装于F-35系列飞机。针对飞机使用需求,为降低研制难度和风险,F135涡扇发动机由F119涡扇发动机(F-22战斗机配套动力)改进而来,采用了F119涡扇发动机核心机,重新设计了风扇和低压涡轮,改进了加力燃烧室、喷管和控制系统。在推进系统研制之初,就强调不再遵循性能驱动原则,而是将经济可承受性作为重要设计指标。据报道,与现役的F110和F100涡扇发动机相比,研制F135推进系统的费用节省35%,硬件和软件的可靠性提高2倍,维护人员数量减少30%~50%,故障判断和修理的时间减少94%。此后,美国海军又安排普惠公司开展了F135发动机的压气机改进,使F135发动机的耗油率降低5%~7%,推力提高10%。
快艇发动机T-45“苍鹰”舰载教练机是BAE系统公司在陆基“鹰”高级教练机基础上的改型。T-45配装1台英国和法国联合研制的MK871涡扇发动机。MK系列涡扇发动机于1965年开始研制,1972年完成,后经不断改进,衍生发展多个型号,配装多型陆基飞机。为满足T-45舰载教练机的使用需求,MK871发动机采用了防腐措施,增加了备份控制系统,并提高抗电磁干扰能力。此外,为解决T-45舰载教练机着舰过程中发动机响应慢的问题,对燃油控制系统也做了相应调整。
旋翼机发动机
CH-53E舰载直升机是在双发构型的CH-53D舰载直升机基础上改进研制的,配套动力沿用了3台T64涡轴发动机。T64涡轴发动机是GE航空集团根据美国海军要求,为地面支援和战术飞机设计的涡轴/涡桨发动机,军用型为T64,民用型为CT64。T64涡轴发动机于1955年开始研制,1963年定型,主要配装于CH-53系列直升机。该型发动机不断改型,衍生发展,功率等性能大幅提升。CH-53K是该系列直升机的最新发展型号,目前正在研制中。CH-53K舰载直升机配装3台T408涡轴发动机,该型发动机为GE航空集团针对飞机使用需求,在CFE73B民用涡扇发动机和T407涡桨发动机基础上改进研制,相比T64涡轴发动机,其功率提高57%,油耗降低18%,从而使CH-53K的有效载荷是CH-53E的3倍。
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