变循环发动机的空中魔术（下）：F136输了现在赢在未来

F-136问世

冷战结束后，由于苏联威胁的消失，美国开始着手于削减军力，但同时，美国空军需要填补F-22采购量削减后战机数量的空缺，美国的盟国也需要更新自己的空军机队。为此，美国启动了联合攻击战斗机（JSF）计划，即F-35战斗机。

JSF计划的原型机，波音公司的X-32（左），洛马公司的X-35（右）

在JSF竞标过程中，洛马公司的X-35最终击败了波音公司的X-32。美国空军明白，为了托举起这个史上最重的中型战机，所需要的是一颗异常强劲的“心脏”。因此，国防部迅速向普拉特·惠特尼公司(PW)和通用电气公司(GE)下达了研制订单。其中，PW推出的F-135发动机直接沿用了F-22战机采用的F-119发动机的核心机，而GE公司则邀请了一家英国航发巨头罗尔斯·罗伊斯(RR)参与研发了F-136发动机，它沿用了一部分F-120发动机和F-110发动机的技术。PW,GE和RR被称为世界航空发动机的三驾马车，它们在民用发动机的市场份额总和超过了90%，军用发动机性能也大幅领先第二集团。它们的产品无疑令人期待。

在F-136项目中，GE持有60%的股份，而RR持有剩余的40%。GE打算结合变循环技术的深厚积累，再加上RR的外援，一举扭转在新一代军用发动机上的颓势。

最强推力

GE和RR在2003年完成了F-136的初始设计，在2005年8月获得了美国国防部24亿美元的拨款，研发步入了正轨。 GE和RR公司研制F-136有3种改型，包括为常规起落的F-35A研制的F136-GE-100，为短距离/垂直起降的F-35B研制F136-GE-600，以及为作为航母舰载机的F-35B研制的F136-GE-400。

GE和RR两公司的分工

通过长期变循环技术的研发，GE公司已经发展出了不同于前几代完全靠改变几何形状的变循环技术，即第四代变循环发动机——可控压比发动机（COPE），也就是后来的自适应循环（ADVENT计划）发动机。

传统的发动机大体来说是一种固定的几何结构，中篇讨论的F-120通过了活门手段实现了两种模式之间的转换，而第四代变循环发动机减少了上一代F-120发动机的活门数量（但F-136的涵道比是固定的，这点相对于F-120的设计来说较为保守），转而选择了通过调整风扇的转速、间距等参数来实现发动机内空气的压比可控。由于发动机的推力几乎与压比成正比，所以发动机通过这种方式提供了不同工况条件下的推力变化，不仅更省油，而且减少了机械结构重量，继续提高了推重比。不过这一切工作都是以GE公司对发动机压气机的充分研究（遥遥领先于其他任何公司）、先进的数控系统和两家公司对高温合金研究的积累为前提的。

F-136还有个巨大的亮点。在传统的发动机上，第一级低压涡轮和最后的高压涡轮有一个引导气流的导向器叶片，基于对数控系统和发动机内气流研究的积累，F-136上取消了这一部件，简化了机械结构和冷却结构，让发动机更紧凑，热损失更少。

通过这一系列的措施，F-136的最大推力达到了178千牛，超过了当时也处于试验阶段的F-135，成为了人类历史上推力最大的涡扇发动机，其推重比更是超过了11。

试车中的F-136发动机

遗憾落选

但GE和RR的前沿技术也成为了F-136项目的杀手。尽管两家技术积累已经非常深厚，但简化的结构产生了隐患，在试验过程中产生了气流不稳定的现象。美国军方认为F-136在正常条件下的性能无可比拟，但在恶劣工况下的安全性不佳，这对于单发战斗机来说是致命的。而且，由于F-135与F-119使用了相同的核心机，部分零件甚至可以互换，方便美军的维修和采购。因此，采用了保守技术的F-135最终战胜了F-136成为了JSF独家供货商。

另外，部分政治原因也对这一结果产生了影响。由于美国国会部分议员不太希望军品利润和技术流入其他国家（即便是铁杆盟友英国），故而对F-135更为青睐，以至于时任英国首相曾表示：“F136的落选将会影响英美伙伴关系！”

尽管经过了两个项目的失败，但是美国并没有放弃变循环发动机的研发。而且，业内普遍认为美国下一代战斗机的心脏必定是变循环发动机，美国空军研究实验室在2012年也分别与PW和GE签订了“自适应发动机技术发展”计划，并获得了拨款。GE公司近年来在陶瓷基复合材料（CMC）上取得的巨大成果（CMC的使用预计能使F-414的最大推力从9.8吨提升到12吨！），以及几十年来对于数控系统和变循环发动机的研究，使得GE迅速拿出了该计划的样机。从下图可以看出，该样机使用了F-110系列的尾喷管。

GE公司推出的新一代变循环发动机样机

启示

作为全球航空动力研究毋庸置疑的领导者，美国在传统发动机已经大幅领先于世界的情况下，仍然拨巨资进行变循环发动机的开发，试图追求新的突破，不仅进行了深厚的技术积累，还进一步扩充了本就非常雄厚的研制团队。尤其是，在传统发动机赢得大单之后，美国政府、军方以及相关公司依然没有放弃变循环发动机的研制计划，企业仍然自筹资金进行研发，政府随后也提供了财政支持。这种重视基础研究、鼓励技术创新的精神无疑值得我们学习！诚然，科学研究需要巨量的资金投入，但是应急式投入与研发是远远不够的，只有持续的巨量资金投入才能巩固基础研究与技术积累。有的时候，甚至还需要一些略显固执的执着。

不过，我们也不必因此妄自菲薄。我国近年在高超音速飞行器上使用的组合冲压发动机（将亚燃冲压和超燃冲压发动机组合）已处于世界第一梯队，从某种意义上说这也是一种变循环发动机。去年中航工业也传出了消息，我国已成功研制用于战斗机的、推重比达12-13、未来推力超过16吨的变循环核心机。虽然目前还不清楚该型机采取什么方式来实现热力循环的改变，但相信不久的未来能够见到我国的战机搭载自己的“可变心脏”在空中翱翔！