国外航空发动机发展及管理理念演变

20 世纪40年代初，美国从英国引进怀特和尼恩离心式涡喷发动机，开始进行仿制和改进改型，研制出了J31、J33 等发动机。在此期间，美国通过实施一系列的航空发动机发展计划研究新技术、新材料和新工艺，并大力兴建相应的试验设施，开始自行研制航空涡轮发动机。1944年，美国研制出带轴流式压气机的涡喷发动机J35，并在F－84（“雷电喷气”）战斗轰炸机上试飞成功，然后在此基础上通过进一步吸收轴流式涡喷发动机的设计技术和经验，研制出J47 涡喷发动机，装于F－86D（“佩刀”）飞机上，创造了当时1 145 km/h 的世界飞行纪录。至此，原来喷气发动机技术落后5年的美国迅速跨入喷气飞机的先进国家行列。

进入20 世纪50年代，美国已经有了自行研制航空涡轮发动机的经验，于是率先研制出用于Ma2 以上飞机的涡喷发动机J75、J79。到20 世纪50年代后期，美国又开始研制用于Ma3 以上飞机的涡喷发动机J58、J93，使涡喷发动机进入迅速发展和广泛应用的时期。这个时期，美国采取一种拼部件的“武库法”研制策略，即把研究得到的部件成果直接应用到型号研制中。这是一种高风险、低水平的管理方法，但由于当时飞机对发动机的要求相对简单，主要以性能为主，对可靠性、耐久性和维修性要求并不高，因此，这样的策略当时还可以被接受。

20 世纪60年代，由于飞机对发动机的要求变得多样化，同时加力式涡扇发动机的出现，使得发动机内部各部件之间、飞机与发动机的匹配问题变得非常突出。为减少发动机型号研制风险，并保证发动机发展相对于飞机的提前量，美国在发动机研制管理上进行了一次重大改革，即在部件研究与型号研制之间增加了一个预先发展阶段，在将部件研究成果应用到型号研制之前先放到尽可能接近发动机真实环境中，研究部件之间的相互影响并验证其匹配性和适应性，称为预先发展的“配套发展法”。为此，实施了一系列预先发展计划。预先发展又可分为两类：一类是不针对特定型号但明确应用背景的计划，目的在于研究和验证发动机技术，如先进涡轮发动机燃气发生器（ATEGG）计划、飞机推进分系统综合（APSI）计划和综合技术验证机（JTDE）计划；第二类是针对特定型号的计划，目的在于验证全台发动机设计的可行性，以减小发动机进入工程研制阶段的风险，如各种各样的型号验证机计划。这样，美国经过不断探索，开始走上一条基础研究→部件技术研究→核心机→技术验证机→型号验证机→工程原型机的发动机研究和发展道路，从而降低了型号研制风险、缩短了研制周期、降低了研制成本。

20 世纪70年代初是片面追求发动机高性能的时期，而最具有代表性的是F100 发动机。P＆W 公司仅用5年时间就研制出推重比8 一级的F100 发动机并投入使用，但在投入使用后的5年内出现了大量的可靠性、耐久性和维修性问题，严重影响了飞行安全和战备完好率，并大大增加了改进和维修费用，使得军方不堪重负。1976年，美国国防部在《飞机燃气涡轮发动机采办和后勤保障的管理评论》中指出：“发动机的决策主要是针对解决当前的或近期的问题。由于缺乏衡量发动机品质的共同准则，加之没有完整的、精确的寿命期费用数据，结果决策不是根据整个系统的费用作出的，也不是最佳的。”

此后，美国政府和军方在发动机研发管理体系、设计权衡、研制程序和方法上采取了一系列改革措施：一是建立统一的研究、发展、采购及后勤保障管理体系和信息系统，对发动机进行全寿命管理；二是建立寿命期费用模型，并将其作为发动机设计权衡的主要品质因素；三是制定发动机寿命期管理条例，修订发动机型号研制程序和规范，采用新的研制方法。美国空军于1980年颁布了AFR800－30《航空涡轮发动机寿命期管理条例》，协调各部门对发动机的方案探索、验证、全面研制、生产和使用各阶段实施统一的管理。条例规定，在型号规范中，除性能指标外，还应该包括可靠性、耐久性和维修性指标。同时，美国军方对1973年颁布的航空涡喷涡扇发动机通用规范MIL－E－5007D 进行修改，在1985年颁布的美军标 MIL－STD－87231 中，将原来规定的只进行飞行前规定试验和设计定型试验两个阶段，改为初始飞行许可、全面飞行许可、初始使用许可和工作能力许可四个阶段，型号研制周期从4～5年延长到8～9年，总试验时数从8 000 h 增加到11 000 h。其目的是在大批量发动机交付使用后，使得再进行费用昂贵的结构改进的风险降到最低。(www.xing528.com)

进入20 世纪80年代以后，美国的航空涡轮发动机技术已经取得了巨大的进步，战斗机发动机推重比从早期的1～2 提高到8 左右。美国为了在21 世纪的燃气涡轮发动机技术方面继续保持全面领先地位，1988年，在美国国防部的推动下，制订并实施了一项国家级预研计划——综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划。其总目标是分三个阶段大幅度提高推重比，降低耗油率及生产和维护费用，但使用寿命不能减少，到2002年使美国航空涡轮发动机的技术基础能力大幅度提高——推重比提高1 倍，耗油率降低30%～40%，成本降低35%。IHPTET 计划目标已经实现，在计划实施过程中，其研究成果不断用于新机研制和现役机种的改进，如F119、F135 新机研制，F404、F414、F100、F110 发动机改进等。继IHPTET 计划之后，美国还实施新的预研计划——多用途、经济可承受先进涡轮发动机（VAATE 计划，2006—2017年），耗资 37 亿美元，目标是到2017年使发动机的能力/成本比是F119 的10 倍^[1]。自适应变循环发动机研究就在此计划框架内安排，目前已经实现工程研制。

美国第四代发动机的研究和发展是完全按照全寿命管理理念和方法进行的。第四代发动机部件技术研究始于20 世纪70年代中期，1980年开始核心机研制，1983年开始技术验证机研制，1986年开始型号验证机研制。F119 发动机型号工程研制从1991年开始，1999年实现设计定型，2002年7月获得初步使用批准，2005年12月配装 F－22 飞机并具备初始作战能力。F119 发动机研究和发展全周期长达30年，其中型号工程研制周期也有15年之久。为满足第四代飞机的超声速巡航、隐身、超机动性、短距起降和高保障性等要求，F119 发动机采用了许多新技术。但综合起来看，F119 发动机的性能指标（推重比、涡轮前温度和中间状态耗油率）发展速度远远低于F110 投入使用前30 多年美国军用发动机的平均发展速度，主要原因除发动机技术难度不断提高以外，就是从过去片面追求高性能，转变为性能与适用性、可靠性、耐久性和维修性并重的作法，而且发动机试验的内容和时间大大增加，试验苛刻程度大大提高。例如，F119 发动机到2005年批准具备初始作战能力时，整机累计试验时数达到8 677 h；到2002年7月批准初步使用时，飞行时数超过4 000 h，没有发生过发动机空中停车和失速事件；到2007年10月，飞行时数达到50 000 h。

总之，美国航空涡轮发动机经过80 多年的发展，在发动机技术水平不断提高的同时，不断总结研制经验和教训，在发动机发展策略和研制管理上，从强调性能的拼部件“武库法”，到重视适用性的预先发展“配套发展法”，再转变到性能与适用性、可靠性、耐久性和维修性并重的全寿命管理方法，走出了一条较为成熟的发动机发展道路，使美国在航空燃气涡轮发动机技术方面持续保持世界领先的地位。方昌德［1］、刘永泉［2］等对航空发动机发展道路有更详细的论述。