高性能军用发动机：美利坚大国地位基石如何奠定
核心提示：C-5“银河”运输机、“阿利·伯克”级驱逐舰、UH-1“休伊”直升机和M1“艾布拉姆斯”主战坦克和之间到底有什么关系？如果一定要找，那么请记住，它们之间最为重要的关系便是，都有一颗“飞翔的心”。“阿利·伯克”使用的通用电气LM2500船用燃气轮机，先祖便是“银河”的TF39高涵道比涡扇发动机；而驱动“艾布拉姆斯”的霍尼韦尔AGT1500燃气轮机，其原型则是“休伊”的涡轴发动机T-53。这样的例子在航空强国不胜枚举。如果调查一下美国军用航空喷气技术在民航、车辆以及船舶制造等诸多领域的扩散效应，不难得出这样的结论——先进喷气发动机技术是构成美国航空技术优势乃至其大国地位的一块重要的基石。
很难想象，没有先进航空发动机的美国空军会是怎样的面貌。图为美军C-17“环球霸王”机群，该机使用的普惠F117-PW-100是普惠PW2000的军用型，PW2000最初是为波音757设计的，和罗罗RB211是竞争对手。
本文来源：新华网军事，作者：司古，原题：《高性能军用发动机——美利坚大国地位的动力基石》
C-5“银河”运输机、“阿利·伯克”级驱逐舰、UH-1“休伊”直升机和M1“艾布拉姆斯”主战坦克和之间到底有什么关系？如果一定要找，那么请记住，它们之间最为重要的关系便是，都有一颗“飞翔的心”。“阿利·伯克”使用的通用电气LM2500船用燃气轮机，先祖便是“银河”的TF39高涵道比涡扇发动机；而驱动“艾布拉姆斯”的霍尼韦尔AGT1500燃气轮机，其原型则是“休伊”的涡轴发动机T-53。这样的例子在航空强国不胜枚举。如果调查一下美国军用航空喷气技术在民航、车辆以及船舶制造等诸多领域的扩散效应，不难得出这样的结论——先进喷气发动机技术是构成美国航空技术优势乃至其大国地位的一块重要的基石。
这块基石是怎样修筑起来的？美国的航空喷气推进技术是怎样走到的今天？期间又有哪些值得总结和注意的经验？希望本文能够找到一些线索。
美利坚的喷气曙光
喷气推进技术第一缕曙光初露的时候，美国并没有给予太多的重视，但也并非没有任何行动，通用电气、普惠、洛克希德和诺斯罗普公司等公司都进行过相关研究，但面对二战的紧张军需生产现状，美国政府甚至强制要求各军工企业放缓喷气推进研究，全力生产现有军备。即便如此，美国军方仍然有人在密切关注航空喷气发动机，这就是美国陆军航空队司令亨利·阿诺德上将。1941年初，阿诺德和部分通用电气公司负责人获悉英国正在从事喷气推进研究，而且已经开发出了惠特尔发动机，于是通过美国政府斡旋，最终从英国获得了惠特尔的技术成果，并交由通用电气涡轮增压器分部制造，以协助美国尽快开发喷气式战斗机。与此同时，贝尔飞机公司接到政府订单，要求与通用电气制造的惠特尔发动机（GE 1-A）相匹配的喷气式飞机，即后来的XP-59。在喷气发动机研发中，包括通用电气、普惠、威斯汀豪斯、洛克希德、诺斯罗普等许多美国公司都获得过政府的经费支持。但后来的事实证明，被寄予厚望的XP-59在测试中和英国“流星”一样，性能平平，其中的原因并不复杂——当时的惠特尔发动机离心压气机存在不少问题。
1942年10月首飞的XP-59使用两台GE 1-A，单台推力1250磅，后来的改进型使用了推力1600磅的GE 1-16，但其推力仍然无法让喷气式飞机全面超越当时顶尖的活塞式飞机。凭借和英国的盟友关系，美国很快又拿到了英国德·哈维兰公司推力2700磅的“妖精”（Goblin）轴流式涡喷发动机，依靠这种动力系统，洛克希德公司开发出XP-80“流星”。 试飞中XP-80最大平飞时速突破了800千米，算是为喷气动力争回了些面子。美国原本指定由艾利斯-查尔莫斯公司许可制造“妖精”，并定名为J36，但由于仿制工作存在诸多问题而一再拖延，军方遂转而寻求替代品。通用电气抓住机会着手改进，在原有GE 1-A基础上发展出I-14、I-16（J31）和I-18，推力分别达到1400磅、1600磅和1800磅，到后来的I-40（J33），推力已经提升到4000磅。为了使用J33，XP-80的机体进行了重新设计，改进后的原型机直到1944年夏方才首飞。装备J33的P-80（后改称F-80）是非常成功的第一代喷气战斗机，但该机服役太晚，没能赶上二战的尾巴。
许多学者认为，二战结束前，德国的喷气推进技术研究至少领先美国5年。这一结论不是空穴来风，而是根据战后许多美军技术人员参观纳粹德国喷气推进研究机构后的体会得出的。正是因为喷气推进技术的领先优势，德国才成为二战中唯一真正较为成功地装备和使用喷气式战斗机的国家。早期喷气发动机问题多多，德国虽然占据先机，战争中也只有两种喷气发动机研发项目取得了成功——推力2000磅的容克尤莫 004和推力1800磅的宝马BMW 003。依靠这些先进动力，德国先后研制成功Me 262、Ar 234以及He 162等先进作战飞机。看到德国超前的喷气推进技术研究和相关资料时，美军许多将领感到震惊。这种震动，直接促动了美军高层。他们认识到，先进航空装备的基础是航空动力系统，从那时起美国比以往更加坚决地支持发展先进军用喷气发动机，并以此为基础抢占航空装备的技术制高点。
美国人的认识不算晚，因为即使在1945/1946年间，仍然是喷气发动机的发展初期。
竞争·公司的力量
处于自由竞争环境下的公司，有时候比政府还有闯劲。虽然美国人认识到发展喷气动力的重要意义，但在大战业已结束的背景下，没有什么竞争能比商战来得更加激烈和刺激，由此带来的技术激励，也是前所未有的，而处于商战前线的，便是美国的公司。
战争结束的最初几年，英国罗罗在喷气动力研究领域占据绝对的统治地位，美国通用电气、威斯汀豪斯（又译作西屋）、普惠、通用汽车的艾利逊分部以及柯蒂斯-莱特等公司屈居第二阵营。和英国相比，美国喷气发动机研发企业面临的环境与英国完全不同。战争期间英国政府要求工业企业之间展开密切合作，在开发喷气发动机方面分享研究成果。与之相对，美国政府鼓励公司之间自由竞争，不提倡成果共享。这种方式促进了多种技术途径的发展。通用电气最初从惠特尔技术起步，并对其不断改进，最终开发出了完全国产化的喷气发动机J33和J35。
通用电气的喷气发动机开发很大程度上得到了军方支持，其喷气发动机广泛用于美军第一代喷气式战斗机和轰炸机。威斯汀豪斯有着悠久的蒸汽轮机开发经验，战争期间该公司的喷气发动机研发工作主要支持者是海军，海军第一代战斗机大多采用威斯汀豪斯的产品。艾利逊最初主要生产通用电气设计的喷气发动机，产品提供给美国空军，作为对通用电气产能不足的补充。而后来崛起成为美国航空喷气发动机头号巨头的普惠，在战争时期几乎没有什么独立研发喷气发动机的经验，战后普惠决定许可制造罗罗的尼恩（Nene）发动机——惠特尔W.2B的后继改进型。但没过多久，普惠就发现，自己的产品根本无法摆脱战后最初所有喷气发动机的重大缺陷：高油耗、低推力、噪音大、加速缓慢。在许可生产罗罗产品的同时，普惠也继承了这些产品的既有缺陷。对比同行业其他竞争对手，普惠认为大大落后，要保持和提高竞争力，必须实现技术上的重大跨越，继续许可生产罗罗发动机是一条没有前途的死路。从1946年开始，普惠做出重大战略决策，投入巨资建设新的研发机构和相应测试设施，正是这一决策奠定了普惠成功的基石。
普惠把突破的重点放在了解决低推力和高油耗两个问题上。当时的喷气发动机推力约为4000～5000磅，普惠给自己制定了相当有难度的目标，把发动机的推力提高一倍，达到10000磅，并实现更好的燃油经济性。在瞄准军用喷气发动机市场的同时，普惠高层也意识到喷气发动机技术将逐步扩散应用到民用领域。经过大量基础工作，普惠在同行业中率先提出，通过大幅度提高压缩比解决推力和耗油率问题，工程师们开发出了超前的双转子技术，双转子设计能显著提高压气机效能，改善发动机加速响应速度，在提高推力的同时降低耗油率。根据这一先进理论，普惠成功设计出J57轴流涡喷发动机，1950年进行了首次台架试验，试验中J57推力达到了10000磅，是历史上第一种推力达到10000磅的喷气发动机，后续型号推力进一步提高到了18000磅，其单位推力油耗也比二战时期最好的德国喷气发动机Jumo 004降低了近一半。
伴随J57的成功，美军拥有了第一种远程战略喷气轰炸机B-52；1953年5月，使用J57的北美YF-100战斗机成为有史以来第一种能持续超音速平飞的战斗机。J57让普惠的订单纷至沓来：空军的麦道F-101“巫毒”、康维尔F-102“三角剑”、波音KC-135，以及海军的沃特F8U、道格拉斯F4D、F5D和A3D等不少战术飞机都相继选择J57作为动力。普惠乘胜前进，在J57基础上开发出改进型J75，成为共和F-105“雷公”和康维尔F-106“三角标枪”等军机的动力。J57的商用型JT3在民用航空领域也获得了重大成功，成为波音B707的动力，直接促成了远程军用/商用运输的大发展。
在普惠冒着巨大技术风险开发J57的同一时期，其他一些公司却相继沉沦：威斯汀豪斯这家在1945年即成立航空燃气涡轮分部，并开发成功美国自行设计的第一种涡喷发动机J30，接着又研制成功J34的资深发动机企业，却在海军满怀希望的J40项目上载倒。威斯汀豪斯原本希望加力型J40-WE-8推力达到15000磅，但苦于自身研发底子太薄，一直未能通过150小时认可测试。原定配备J40的海军F3H、F4D、A3D等作战飞机处于“无动力状态”，最后只能改用普惠J57等其他产品，由此造成的机身修改耗资2亿美元，让海军七窍生烟，于1955年取消了J40项目。丢掉J40这个金子般的机会后，威斯汀豪斯曾放手一搏，在1953年联手罗罗希望以“埃文”为基础开发新型军用喷气发动机，但再次倒在了糟糕的研发水平上。自此威斯汀豪斯彻底被淘汰出军用发动机领域。
柯蒂斯-莱特公司的命运也在这一时期发生转变。战后柯蒂斯-莱特先是通过军方协议获得了并不先进的威斯汀豪斯J34技术，并许可制造通用电气J47发动机。通过引进英国“蓝宝石”喷气发动机，柯蒂斯-莱特制造了J65，装备了A-4“天鹰”、“堪培拉”以及XF-104等飞机，但始终没能锻造出自己的研发实力。后来美国空军选择柯蒂斯-莱特开发大推力涡喷发动机J67——即许可制造的英国“奥林匹斯”的改进型，用于装备康维尔F-102，但由于研制过程中技术问题太多，进度一再拖延，最终归于失败，F-102的动力项目也成了普惠J57的口中肥肉。柯蒂斯-莱特从此一蹶不振，在50年代末淡出了喷气发动机制造领域。
上世纪50年代初英国人提出了低涵道比涡扇发动机概念，并应用于“康威”发动机。普惠原本并没有太多关注这一技术，但1957年通用电气在J79基础上融合该技术发展出了CJ805-23桨扇发动机，且赢得了波音公司的注意，也引起了普惠的警惕。普惠迅速把低涵道比涡扇概念应用到JT3上，推出了JT3D。JT3D很快取得了竞争优势——首先JT3D的原型J57在可靠性和性能方面口碑相当不错，另一方面JT3D相对J57的改动量并不很大，与之相比，通用电气的CJ805-23只是一个试验型号，无法取得用户的完全信赖。空军很快对普惠JT3D产生了兴趣，将该发动机的军用型TF33作为KC-135等飞机的动力。除了波音B707，JT3D还先后成为道格拉斯DC-8和波音B720的动力。到上世纪80年代停产，J57/JT3系列发动机总产量超过了21000台。
低涵道比涡扇发动机打开了通往高/超高涵道比涡扇发动机的道路。1965年，通用电气开发成功世界上第一台高涵道比涡扇发动机TF39，成为C-5“银河”的动力装置。TF39涡轮前温度提高到1370度，推力高达43000磅，燃油经济性有了“革命性提高”，为通用电气带来大笔收入。以TF39核心机发展出的CF6高涵道比民用航空发动机相继装别了诸多民航飞机，CF6进而又演化出LM2500系列船用燃气轮机，先后成为美国海军“斯普鲁恩斯”、“基德”、“佩里”、“提康德罗加”和“阿利·伯克”等多级主战舰艇的动力，到2004年已经售出1000台，使用国家多达29个。中国也曾进口LM2500，装备“哈尔滨”号导弹驱逐舰。
普惠的对手通用电气并不是弱者。在进一步提高压气机压缩比的过程中，工程师们遇到了新问题。为实现巡航条件下的最佳燃油消耗率而提高压气机压缩比，压气机在低速特别是加速过程中无法总是有效工作。此时流经压气机叶片的气流与初始设计条件会有很大不同，会产生许多小的紊流，常常导致造成压气机失速。通用电气率先在这一问题上取得了突破，成功开发出可调定子系统，这些可调定子可以根据气流情况的不同改变其迎角，能有效解决压气机失速问题。这一技术突破导致了著名的J79涡喷发动机的出现，可调定子的采用使得单转子的J79性能相当可观，让两倍声速飞行成为可能。J79是通用电气为美国军用航空发动机产业奉献的又一经典，F-104“星”、B-58“盗贼”、F-4“鬼怪”II、A-5“民团团员”和以色列“幼师”都采用了J79，其生产跨度超过30年。除美国外，比利时、加拿大、德国、以色列、意大利和日本都许可生产过该发动机，总产量超过17000台。可以这么说，上世纪五六十年代普惠J57和通用电气J79是世界上最为重要也最具革命性的两种喷气发动机。J57/JT3D最初是出于工业企业自身的目的并自行投资开发的，但它为后来所有现代喷气发动机奠定了基础，让持续超音速飞行不再是幻想，同时引领了涡扇发动机的概念，最终促成了更先进的战斗机和商用发动机的出现。通用电气J79最初是应美国空军2倍声速大推力节油发动机要求开发的，它揭示了现代喷气发动机巨大的推力和速度潜力，证明了美国喷气发动机工业的全球领先地位。
核心提示：C-5“银河”运输机、“阿利·伯克”级驱逐舰、UH-1“休伊”直升机和M1“艾布拉姆斯”主战坦克和之间到底有什么关系？如果一定要找，那么请记住，它们之间最为重要的关系便是，都有一颗“飞翔的心”。“阿利·伯克”使用的通用电气LM2500船用燃气轮机，先祖便是“银河”的TF39高涵道比涡扇发动机；而驱动“艾布拉姆斯”的霍尼韦尔AGT1500燃气轮机，其原型则是“休伊”的涡轴发动机T-53。这样的例子在航空强国不胜枚举。如果调查一下美国军用航空喷气技术在民航、车辆以及船舶制造等诸多领域的扩散效应，不难得出这样的结论——先进喷气发动机技术是构成美国航空技术优势乃至其大国地位的一块重要的基石。
很难想象，没有先进航空发动机的美国空军会是怎样的面貌。图为美军C-17“环球霸王”机群，该机使用的普惠F117-PW-100是普惠PW2000的军用型，PW2000最初是为波音757设计的，和罗罗RB211是竞争对手。
本文来源：新华网军事，作者：司古，原题：《高性能军用发动机——美利坚大国地位的动力基石》
C-5“银河”运输机、“阿利·伯克”级驱逐舰、UH-1“休伊”直升机和M1“艾布拉姆斯”主战坦克和之间到底有什么关系？如果一定要找，那么请记住，它们之间最为重要的关系便是，都有一颗“飞翔的心”。“阿利·伯克”使用的通用电气LM2500船用燃气轮机，先祖便是“银河”的TF39高涵道比涡扇发动机；而驱动“艾布拉姆斯”的霍尼韦尔AGT1500燃气轮机，其原型则是“休伊”的涡轴发动机T-53。这样的例子在航空强国不胜枚举。如果调查一下美国军用航空喷气技术在民航、车辆以及船舶制造等诸多领域的扩散效应，不难得出这样的结论——先进喷气发动机技术是构成美国航空技术优势乃至其大国地位的一块重要的基石。
这块基石是怎样修筑起来的？美国的航空喷气推进技术是怎样走到的今天？期间又有哪些值得总结和注意的经验？希望本文能够找到一些线索。
美利坚的喷气曙光
喷气推进技术第一缕曙光初露的时候，美国并没有给予太多的重视，但也并非没有任何行动，通用电气、普惠、洛克希德和诺斯罗普公司等公司都进行过相关研究，但面对二战的紧张军需生产现状，美国政府甚至强制要求各军工企业放缓喷气推进研究，全力生产现有军备。即便如此，美国军方仍然有人在密切关注航空喷气发动机，这就是美国陆军航空队司令亨利·阿诺德上将。1941年初，阿诺德和部分通用电气公司负责人获悉英国正在从事喷气推进研究，而且已经开发出了惠特尔发动机，于是通过美国政府斡旋，最终从英国获得了惠特尔的技术成果，并交由通用电气涡轮增压器分部制造，以协助美国尽快开发喷气式战斗机。与此同时，贝尔飞机公司接到政府订单，要求与通用电气制造的惠特尔发动机（GE 1-A）相匹配的喷气式飞机，即后来的XP-59。在喷气发动机研发中，包括通用电气、普惠、威斯汀豪斯、洛克希德、诺斯罗普等许多美国公司都获得过政府的经费支持。但后来的事实证明，被寄予厚望的XP-59在测试中和英国“流星”一样，性能平平，其中的原因并不复杂——当时的惠特尔发动机离心压气机存在不少问题。
1942年10月首飞的XP-59使用两台GE 1-A，单台推力1250磅，后来的改进型使用了推力1600磅的GE 1-16，但其推力仍然无法让喷气式飞机全面超越当时顶尖的活塞式飞机。凭借和英国的盟友关系，美国很快又拿到了英国德·哈维兰公司推力2700磅的“妖精”（Goblin）轴流式涡喷发动机，依靠这种动力系统，洛克希德公司开发出XP-80“流星”。 试飞中XP-80最大平飞时速突破了800千米，算是为喷气动力争回了些面子。美国原本指定由艾利斯-查尔莫斯公司许可制造“妖精”，并定名为J36，但由于仿制工作存在诸多问题而一再拖延，军方遂转而寻求替代品。通用电气抓住机会着手改进，在原有GE 1-A基础上发展出I-14、I-16（J31）和I-18，推力分别达到1400磅、1600磅和1800磅，到后来的I-40（J33），推力已经提升到4000磅。为了使用J33，XP-80的机体进行了重新设计，改进后的原型机直到1944年夏方才首飞。装备J33的P-80（后改称F-80）是非常成功的第一代喷气战斗机，但该机服役太晚，没能赶上二战的尾巴。
许多学者认为，二战结束前，德国的喷气推进技术研究至少领先美国5年。这一结论不是空穴来风，而是根据战后许多美军技术人员参观纳粹德国喷气推进研究机构后的体会得出的。正是因为喷气推进技术的领先优势，德国才成为二战中唯一真正较为成功地装备和使用喷气式战斗机的国家。早期喷气发动机问题多多，德国虽然占据先机，战争中也只有两种喷气发动机研发项目取得了成功——推力2000磅的容克尤莫 004和推力1800磅的宝马BMW 003。依靠这些先进动力，德国先后研制成功Me 262、Ar 234以及He 162等先进作战飞机。看到德国超前的喷气推进技术研究和相关资料时，美军许多将领感到震惊。这种震动，直接促动了美军高层。他们认识到，先进航空装备的基础是航空动力系统，从那时起美国比以往更加坚决地支持发展先进军用喷气发动机，并以此为基础抢占航空装备的技术制高点。
美国人的认识不算晚，因为即使在1945/1946年间，仍然是喷气发动机的发展初期。
