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缺錢的美國,F-35的發動機之謎
送交者: 三把刀 2024年11月22日19:32:40 於 [軍事天地] 發送悄悄話

洛克希德F-35戰鬥機的發動機是普拉特-惠特尼F135渦扇,這沒什麼好迷的。但現在F135的“下一步”成迷了。


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美國戰鬥機研發傳統是首先推出A/B型,幾年後推出貌合神離但大大升級的C/D型,其中A型和C型是單座戰鬥機,B型和D型是同型的雙座戰鬥教練機。F-15A在1972年投產,F-15C在1979年投產;F-16的間隔稍長,F-16A在1979年投產,F-16C在1993年投產;F-18的間隔短得多,F-18A在1983年投產,F-18C在1987年就投產了。除非專家,這些戰鬥機的A/B型和C/D型在外觀上很難分辨。

A型實際上是IOC標準。早年美國IOC的要求很高,真是能打仗的。由於美國戰鬥機強調跨代發展、領先發展,A型代表的是對上一代戰鬥機階躍性的提高,相對於對手形成跨代優勢,所以搶先投產以迅速形成壓倒性的戰鬥力。但C型才是完全型,將A型在研製中因為及早凍結設計而來不及充分採用的新技術都用起來,並在A型的實用經驗基礎上打補丁和改進,將基本設計的潛力最大限度地發揮出來。C/D型的技術天花板撐到頂後,生產時間一般也更長。F-15A在1972-79年裡生產,F-15C為1979-97年的18年。



一般說來,搶先投產的A/B型留有遺憾,退役較早不僅因為投入使用時間較早,也因為升級路線長、升級空間受限。“十系列”戰鬥機的A/B型在20年前就開始退出第一線使用了。精雕細琢的C/D型的服役時間要長得多,F-15C/D和F-16C/D依然是美國空軍的一線主力。美國海軍以“深度升級”為名,偷梁換柱地塞進實際上完全不同的F-18E/F,但F-18C/D依然在一線使用。

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與戰鬥機從A/B到C/D的升級同步,戰鬥機發動機也有這樣的升級。F-15最初的發動機是普拉特-惠特尼F100-100,F-16是F100-200,只有一些為單發而做的細節修改,與-100基本相同。戰鬥機升級到C/D時,美國空軍對F100-100/200的不滿也最終得到解決,普拉特-惠特尼推出F100-220,並再接再厲,進一步升級到-229;F-16C/D還有安裝通用電氣F110-100的選項,以後F110-升級到-129、-139。

F-35A首飛至今已經17年了,這也是邊設計邊試飛邊投產的,所以投產也至少17年,IOC距今也7年了。

F-35的A/B/C命名也與歷史上不同,A型是空軍的跑道起落型,B型是海軍陸戰隊的短距起飛-垂直降落型,C型是彈射起飛-攔阻索降落型。現有F-35A/B/C算IOC版的話,完全版是命名為D/E/F,還是別的全新命名體系,就不知道了。反正沒有雙座型,所以B/D的麻煩倒是沒有了。但這不重要,按照歷史慣例,時間到了,該琢磨完全版了。


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隱身和三軍通用設計限制了諸多設計,F35b如果還雙座,那航程可以稱呼為新能源隱身戰鬥轟炸機了(英國伊麗莎白的35報告稱航程只有450公里)


不管F-35的擁躉們如何讚美,現有F-35是留有遺憾的。3月12日,負責軍購的美國國防部副部長勒普蘭特簽署了F-35的“里程碑C”文件,F-35獲准開始全速生產。但美國空軍的每一架新F-35A一下線就立刻封存,因為現在交付的F-35A都還是Block 3F軟件標準,只是達到20年前制定的IOC標準,Block 4軟件才“與時俱進”,滿足當下的要求。

這不是唯一的遺憾。

F-35在研製早期飽受超重的困擾。洛克希德一面被迫“鬆開褲腰帶”,一面逼迫普拉特-惠特尼增加F135的推力。“里程碑C”意味着所有主要設計要求都試飛通過而且達標,但戰鬥機在不斷改進中增重是必然趨勢。

更多的機載設備和結構增強都導致更大的重量。F-15A空重為11734公斤,F-15C增加到12701公斤;F-16A空重為6613公斤,F-16C Block 52增加到8573公斤。更大的攜彈量和燃油量則增加最大起飛重量。

F135是西方推力最大的戰鬥機發動機,但F-35由於重量太大,推重比只有0.87,與以笨重著稱的F-4“鬼怪”式相當,美國空軍早就不滿意了。F-35的最大速度也只有M1.6,但發動機增推未必能提高最大速度,這是受到氣動設計和結構限制的。但更大的推力意味着更強勁的加速和爬升,這對戰鬥機有大用。

即使沒有“正式”的完全版,美國空軍也希望發動機得到增推。

正好,美國空軍在大力推動下一代戰鬥機(NGAD)的研發,與此配套的是下一代自適應推進(NGAP)技術,也就是三涵道渦扇。涵道比等於外涵道與內涵道的空氣流量之比,也等於產生的推力之比。新增的第三涵道在需要大推力的時候提供輔助流量,大大增加涵道比,提高推力;也可以在推力要求較低的巡航狀態下,將第三涵道的冷空氣流量作為機上空調冷源,幫助系統散熱。NGAP還將大大增加發電能力,為設備供電和激光武器做準備。

隱身戰鬥機要求減少表面開口,同時機載電子設備持續增加,發熱量增加,設備散熱成了難題。F-35用機內燃油作為冷源,但這要求留出不低於40%的燃油才能有效地換熱,否則F-35就成了飛行的板磚了。用三涵道解決系統冷卻問題迫在眉睫。

NGAP計劃從自適應發動機過渡計劃(AETP)計劃發展而來,最初由通用電氣和羅爾斯-羅伊斯參加,普拉特-惠特尼堅持F135的深度升級改進能達到AETP同樣的性能要求,但雙涵道結構簡單、技術成熟。在美國空軍的強烈要求下,普拉特-惠特尼最後參加AETP,同時羅爾斯-羅伊斯被排除,即使對親兄弟英國,美國也是留一手的,畢竟不是一家人嘛。

通用電氣在ATF競標時代就用變循環發動機投標,複雜的閥門-旁通系統在渦噴和渦扇狀態之間無縫轉換,充分發揮渦噴的高空高速特性和渦扇的在中低速度下大推力、低油耗的特性。但因為技術超前意外的代價比較大,普拉特-惠特尼的保守可靠的常規渦扇設計勝出,成為F-22戰鬥機的F119發動機。

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通用電氣不死心,利用相關技術改進F414渦扇(用於F-18E/F),並拉上羅爾斯-羅伊斯,自費研製F136發動機,試圖作為F-35的備選發動機。

在F-16C/D時代,通用電氣F110和普拉特-惠特尼F100都是備選發動機,兩家展開“發動機大戰”,結果是價格、可靠性、潑辣性、單位油耗都得到顯著改善。通用電氣以此為理由,試圖說動美國軍方和國會,重開“發動機大戰”,並得到不少支持者。

但發動機大戰是要首先砸錢才能啟動的。F-16C/D的改進之一就是能夠適裝F100和F110,但還是需要有兩個亞型,F-16C/D Block 30/40/50用F110,Block 32/42/52用F100,並非可以直接原位互換。兩個亞型當然也需要分別試飛、認證,並建立相應的供應鏈、維修、備件和訓練體系,通用電氣自費研製F136並不解決這些問題。

F-35已經一波七八折,美國空軍和國會都沒有胃口再節外生枝,為F135和F136分別設計亞型,分別試飛認證更是不可承受之重,所以F136一再提出,一再被斃。

但現在不一樣,NGAD研製需要發動機先行,NGAP啟動較早,現在通用電氣和普拉特-惠特尼的工程樣機已經開始試運轉,NGAD則思路遇堵,發展遲緩。

從50年代“百系列”戰鬥機以來,美國空軍習慣了在攻態空軍的指略下,空戰思想和技術研發上領先一大步,基本上一直主導戰鬥機潮流的大方向。但中國殲-20在美國空軍還沒有想明白下一步往哪裡去的時候橫空出世,數量迅速增加,不僅打亂了美國空軍的隱身優勢,還把美國空軍思索應對的時間給剝奪了。

美國空軍沒有時間等待,小步快跑的快速迭代則燒不起這個錢,最大的問題是對未來空戰沒有想明白。NGAD有點舉棋不定。

在這樣的情況下,NGAP首先在F-35上使用,既解決眼前需要,又為NGAD的發動機早早成熟化,避免F-15服役初期成為“機庫王后”的尷尬,似乎順理成章。

然而,在最新的預算里,NGAP只有2.8億美元的維持性撥款,“以保持技術連貫性為主”,既沒有向量產推進的意思,更沒有為F-35適裝的意思。

NGAP原本設計要求可以為F135原位換裝。當然,說原位,是指只需小幅度改動。NGAD一般估計是雙發重戰,F135與F119尺寸相仿,重量稍大,可以為F135原位換裝的NGAP容易符合NGAD的尺寸和重量要求。

但NGAD推進放慢,NGAP的研發好像帆船突然開進無風海區。NGAP首先用於F-35是借東風,F-35發動機升級本身不足以成為NGAP的研發動力。三涵道比雙涵道複雜得多,考慮到美國近些年軍工前沿科研拉垮的記錄,NGAP攻關不力可能也是研發放慢的原因。

F-35的發動機升級還有方案B:F135的升級(ECU)和發電-熱量管理系統(PTMS)。

普拉特-惠特尼在F-35研發階段已經着手進一步增推。在熱工上能做到,但提高的溫度使得發動機可靠性和耐用性下降。投產十多年來,普拉特-惠特尼在逐步解決可靠性問題。增加的推力有助於增加發電能力,增加從壓氣機引流則緩解熱管理問題。ECU和PTMS預計在2030年投入使用。

但是洛克希德胃口更大。在2023年巴黎航展期間,洛克希德負責飛機的執行副總裁格里格·烏爾馬對媒體直陳:“我主張要,不,大力主張要(AETP)發動機,……我認為現在一些圈子裡的思路(對F-35)很短視,沒有考慮到長遠發展。”烏爾馬是指F-35還要生產和使用很多年,需要考慮發動機的增推和冷卻要求,現有F135的潛力已經挖盡了。

普拉特-惠特尼震怒,負責F135計劃的簡·萊特卡反駁到:ECU和PTMS一起,可以解決F-35的所有推力和冷卻問題,但AETP無法與F-35B的升力風扇相容,而且過於先進,在很長時間內都未必能出口。洛克希德想用過度升級的F-35達到似是而非的“准六代”性能,擠占NGAD的軍費和發展空間,極大延長F-35的生產年限,這是自私。

最後是洛克希德CEO吉姆·泰克萊特打圓場,指出F-35用什麼發動機是美國空軍的決定,與洛克希德無關。事實上在美國空軍的訂購中,F-35和F135是分別直接訂購的,F135並不通過洛克希德代購。所以洛克希德“也就是這麼一說”。

兩家當然都有道理。AETP/NGAP的發展空間肯定比ECU/PTMS更大,洛克希德有私心也是肯定的。但普拉特-惠特尼何嘗沒有私心?

F-35是“贏者通吃”的故事,近二十年來,美國軍方吃夠了店大欺客的苦頭,對洛克希德進度遲緩、成本高企、性能不達標不滿,又無可奈何。這是單一供應商的本質問題。洛克希德其實吃的是一樣的苦頭,只是這裡的“店”是普拉特-惠特尼。

洛克希德想長期獨占美國戰鬥機市場,普拉特-惠特尼何嘗不想長期獨占美國戰鬥機發動機市場?普拉特-惠特尼早就反對AETP,被美國空軍“下令”才不得不加入,就是不想讓通用電氣有可乘之機,分走美國戰鬥機發動機市場的蛋糕。

現在普拉特-惠特尼如願以償,甚至ECU/PTMS都放慢進度,在新預算里沒有投產時間表,在可預見的將來,F-35家族繼續使用基本F135發動機。

這對普拉特-惠特尼是好消息,產品線延長,生產線和工裝得到更加長期的使用,有利於降低成本、提高盈利。

對美國空軍就不是那麼好的消息。

美國空軍對F-35的隱身、態勢感知和先進武器依然有信心,但長期依賴F-35也意味着美國空軍要準備“吃軟飯”,而不能像歷來那樣軟硬通吃了。

F-35依然是出色的戰鬥轟炸機,但作為空戰主力,並非美國空軍的初衷。空戰中能通過隱身、態勢感知和先進武器一擊奪命固然好,但未必可靠。反隱身也在發展,對空空導彈的反制也從干擾發展到激光/微波壓制和微型反導彈,一擊奪命不成的話,敵機很可能逼上來,那時就被動了。

戰鬥機最好軟硬通吃,偷襲不成還能硬吃。由於推重比不高,翼載太大,F-35的速度、加速、盤旋、爬升性能都不突出,再先進的飛控軟件也不可能重寫物理定律。

美國空軍戰鬥機曾經是軟硬通吃的。F-15A是第一種在設計時就強調態勢感知的戰鬥機,但這也是第一種推重比超過1.0的戰鬥機,曾創造8項紀錄,至今依然是西方速度最快的戰鬥機。F-15可達“M2.5以上”,F-22隻有M2.2。

在F-15A時代,美國空軍也新舊兩手都硬。一方面F-15A加速形成戰鬥力,另一方面不放鬆F-4,最新的F-4E不僅安裝機內航炮,雷達和航電深度升級,發動機推力增加,在保持超視距空戰優勢的同時,在格鬥空戰中也不輸輕巧靈活的米格-21。

現在,如果美國空軍還是“不差錢”的話,會一面加緊研製第六代戰鬥機,一面用升級F-22擔任空戰主力,F-35則回歸戰鬥轟炸機的本色,但這不可能了。

F-22在20年前投入使用,飛行性能依然強悍,但航電架構早已過時。早期下線的40架飛機已經沒有升級價值了,所以美國空軍屢次試圖將其退役,但美國國會拒絕批准。


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在理想情況下,F-22的生產沒有早早停止,現在數量更大,而且按照F-22C的升級標準生產,技術基線更高,升級空間更大,便於利用F-35 Block 4甚至更高標準的航電和軟件。

但美國現在差錢,F-22早早停產有低估中國發展的原因,最主要還是因為反恐戰爭太費錢了。至於現在,F-35儘管滿足“里程碑C”而獲准全速生產,美國空軍實際上在削減訂購量,依然是因為差錢。

美國空軍也要過一段緊日子了。至於F135的“下一步”,不用迷了,一切照舊,在可預見的將來,F-35還是只有基本F135可用。

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