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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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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。+ f. k. ~+ e2 a' @: B5 f
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A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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6 v2 a) v3 H* k2 e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。6 Y- I( p/ P& `1 y- X

* T" D" E/ J# _+ i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。
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F-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。- R, g/ F5 M) u# r; u: d1 n
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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。3 k2 I4 R' Q+ w# T- o
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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。% D) c4 b7 K2 T# q9 v+ ?) {
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这不是唯一的遗憾。8 Z( [7 ?4 b3 v& y, R$ W; X2 m0 u, \

: T% i2 B  W/ F) B: Y) M$ J; F! tF-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。3 G8 D% b5 n5 U1 D3 O& o/ [
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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。
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F135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。" V% v# a& W4 O0 q+ k" D
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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。* e1 p) ?; Q7 O# J/ D
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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。% d3 h+ @' d. I' C

$ \' H) k; X9 K0 B9 ]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。. W) V5 ^5 M& [" Y; b& [* K) q
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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。
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+ F, R! N3 R1 x9 T$ ^) ?" @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。  k# ^$ D% b7 A! h. r+ `- C# i6 Z
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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。
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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。9 R* ^7 t' F% y: l& W) k5 m0 C

( h1 M8 p: f" q! ?+ p) s4 `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。2 B7 k4 _! v' C! e; p* o

4 q! Q. d! w) U0 ]+ UF-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。, p0 ]. L4 X% W6 _7 J% O8 Q/ P
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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。2 U6 m2 D) i- T6 D, \
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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。
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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。
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+ e8 K" l4 i6 v( ?' M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。& d  ~8 p# t( j& ?9 K

5 j0 {8 r& R+ ?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。
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NGAP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。) Q& w3 L8 E: F5 |1 y, x6 f/ 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。) u- J4 u) q6 T
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F-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)。
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# l2 O8 f# r3 c) L% O- u+ H4 m7 K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。' B$ A) u1 l8 r

, v2 `7 ]& f1 l% \0 K3 l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。) m' w, ~8 [$ q  g& O4 A

9 s& _4 Z  m3 F4 u9 B( a5 R6 B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”。$ ]( B1 Z  v% \' A1 [/ l

9 ]3 I1 ^& K9 z* j, s  R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?
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F-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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& F4 I; z! u- u- B5 t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。( m5 f" C7 _; v' i: h/ N

2 |% J( P* K* d: o" I8 L9 D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。$ W' N5 J6 d: _4 R2 C

" ?! c7 J1 t6 u9 e$ B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。
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对美国空军就不是那么好的消息。
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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。
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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。/ Z5 W* T0 o9 h9 g$ }! h
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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。
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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。, D% f& A2 n  |) Q0 D
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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。' A- P9 \, P2 z

- B0 i0 I1 ?8 v/ d4 N* Y& c$ Q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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F-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。$ \* c( N5 n2 n* ~7 A1 x7 ?3 c
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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。
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  B. E  j- w5 i+ x4 t9 H4 f+ ?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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