F100大戰F110,第4代戰機渦扇發動機,誰是史上最佳(上)

2021-02-14 空軍之翼

  1974年11月F100第四代戰鬥機渦扇發動機正式進入美國空軍軍服役,普惠嚴重低估了F-15A每架次飛行中的發動機動力循環次數,他們不了解「鷹」在戰鬥訓練的機動飛行中油門的劇烈變化程度。F100的性能配合F-15的設計,讓飛行員擁有大量剩餘能量來強化飛機的機動能力。當飛行員處於不停變化的空戰中,油門也頻繁的在低與開加力之間來回移動。F100的高性能與快速反應,使得油門變化的頻率遠高於以往的戰鬥機,發動機受到的壓力也遠高於設計時的預估,結果F100-PW-100出現了大量問題,也成就了F-15戰鬥機經常性的"趴窩"。


安裝F100-PW-100發動機的F-15A戰鬥機

  但該發動機的性能的確讓空軍飛行員讚不絕口,F-15的機動能力、加速性能與當時的主力戰鬥機F-4有天壤之別。F100除了提高美國空軍對於奪取制空權的信心外,也促成更多新戰術的研究與使用。

  F100發動機首先要滿足F-15「鷹」的需求,空軍希望等到F-16服役時F100已經成熟可靠了。但是F-15的F100發動機遭遇到了持續的可靠性問題,兩家主要分包商出現的勞工問題加重了事態的嚴重性。

  F100早期發生最主要的問題有三項,分別是:

  •壓氣機葉片失速。

  •渦輪段損毀

  •零件壽命遠低於預期。


F100-PW-100

壓氣機葉片失速

  壓氣機位於發動機的前部,負責將通過進氣道的氣流壓縮,提高壓力和燃燒效率。發動機的壓氣機葉片是翼型剖面,如果吸入的氣流迎角超過臨界值會引起壓氣機失速,從而阻斷了進入燃燒室的氣流導致發動機突然失去推力。機翼失速的時候無法繼續維持飛機穩定的飛行與控制,壓氣機葉片失速的時候會影響壓氣機與發動機運作的順暢性。一般性失速是短暫性的現象,影響有限,停滯性失速則是持續發生的,除非飛行員將發動機關閉並且重新啟動,否則無法消除。

  在進行大迎角機動時F100最容易出現停滯性失速,導致流經壓氣機的氣流突然中斷,使核心機降轉,渦輪過熱。如果不迅速解決,渦輪將會損壞或引發發動機起火。

  還有一種停滯性失速是由於「硬」加力引起的,是由於加力燃燒室內的一次小規模爆炸引發的。「硬」加力是因為加力點火失敗引起的,此時發動機後部充滿了大量未點燃的燃油,然後燃油被核心機的高溫燃氣引爆,壓力脈衝波向前傳播至風扇,先導致風扇失速,有時也會導致壓氣機前幾級失速。此類型的發動機失速通常是在高空高馬赫數情況下出現。


F-15E加力起飛時的發動機失速,飛行員立即終止起飛

  F100超過70%的停滯性失速是「硬」加力引起的,也就是說往往在飛行員最需要增加推力的時刻發動機卻失去了動力。為了降低發生的機率,美國空軍要求飛行員避免進入會產生停滯性失速的飛行狀態,降低開加力的頻率等。在遭遇停滯性失速時標準處置流程是先關閉發動機,讓發動機降轉,等渦輪溫度降到紅線以下就立即點火重啟動。

  YF-16首飛時並沒有受到停滯性失速的困擾,但隨著初始試飛的展開,安裝F100早期型的一架YF-16遭遇一次停滯性失速問題,發生在飛機正常性能包線之外。隨後又出現三次發動機停滯性失速,都發生在高空低速大迎角飛行中。生產型F-16首次遭遇類似事故的是比利時空軍的一架F-16,當時飛機已接近性能包線的邊界,幸運的是飛行員成功重啟發動機並安全降落。F-16安裝了一臺噴氣發動機燃油啟動器,在10668米高度的話飛行員有足夠的時間依靠衝壓空氣進行至少三次無輔助啟動。雖然停滯性失速在重新啟動發動機之後就會消失,只不過這個程序對於只有單臺F100的F-16來說相當的危險,使得早期F-16因為發動機出意外的比例偏高。


YF-16的首飛

  此外美國空軍要求地勤人員調低發動機的推力輸出以進一步減少危險發生的概率。這項規定只限於和平時期,當戰爭爆發的時候,還是需要恢復發動機該有的性能。這麼一來,F-15的地勤人員必須以手動方式調整每一具發動機,連新出廠的也不例外,造成額外的工作量與成本支出。令美國空軍相當不滿的是普惠的服務態度,普惠認為當初收到的設計規範與要求當中並未包含這個部分,而且停滯性失速也與飛行員的操作習慣有關係,不願意免費提供解決的方案。雙方的對峙鬧到了國會,最終使美國空軍後來與海軍達成協議,利用原先預備為F-14更換發動機的經費,提出替代戰鬥機發動機(AFE)招標。

渦輪葉片斷裂

  F100的渦輪葉片需要承受非常高的溫度與轉速,當葉片發生斷裂時,在每分鐘3萬轉的高速下,對於發動機與機體的殺傷力很大。這個問題產生與上述壓氣機停滯性失速有密切的關係。壓氣機失速時會中斷渦輪的冷卻氣流供應,渦輪葉片立即發生溫度分布不均勻和超溫的現象,加上渦輪高轉速施加的應力,部分葉片結構出現快速脆化與裂縫。等到葉片結構無法繼續維持時就會斷裂,高速飛出造成發動機或者是機身其他部分的損傷。


F100發動機的加力燃燒室與低壓渦輪

  渦輪葉片屬於發動機的熱端,需要定期檢查與更換有問題的部分。葉片斷裂並不是F100僅有的問題,許多發動機都出現過。為了防止斷裂的葉片衝出發動機殼,F100在發動機周圍別設計一層外襯來限制斷裂的葉片。地勤人員必須將發動機從飛機上拆卸下來才能檢查渦輪葉片,無形中增加了工作量與壓力。此外渦輪葉片的壽命縮短也意味著檢查與更換的間隔要縮短,發動機無法使用的時間與次數增加,零件儲存與購買的成本上升。即使美國空軍與普惠歷經多次談判商議,也無法形成共識讓普惠分攤成本與責任。


斷裂的高壓渦輪葉片

零件壽命遠低於預期

  F100的零件壽命短於預期,原因包含設計與操作等方面的因素。噴氣式發動機在設計上有一個重要的參數需要考慮,稱為熱機循環。一個熱機循環代表發動機從啟動之後到最大推力之後,執行完任務再回到最小推力降落的一個周期,計算一個周期需要參考的因子很多:任務型態,油門變化和飛行次數等等,發動機在設計階段就要預估熱機循環的數量與使用時數之間的關係,計算出適當的維修與檢查的周期。

  以F100之前的經驗來說,操作2000小時下累積的熱機循環次數大約為1765次,可是F100實際上累積次數高達10360次,這與頻繁的油門從低到開加力有很大的關聯。換句話說,F100並不是按這麼高的熱機循環周期設計的,所帶來的負面效應也是前所未見的,諸如許多熱端零件老化速率超過預期或者是出現上述的渦輪葉片斷裂現象,使得普惠與F100飽受批評。雖然一位美國空軍的工程師宣稱他在F100設計階段已經注意到這個問題,但沒有受到應有的重視,不過普惠的反應是美國空軍方面過度操作F100,並非他們的產品有問題。美國空軍於1979年被迫接收沒有發動機的F-15,連同當時問題重重的TF30發動機,美國海空軍三大新機種:F-14、F-15和F-16都面臨暫時停飛或沒有發動機可用的問題。


F100的早期可靠性問題讓美國空軍焦頭爛額

解決方案

  儘管美國空軍與普惠之間的關係相當緊張,軍方還是繼續提供經費讓普惠進行修改。

  最初設計F100發動機控制系統時,普惠工程師意識到發動機吸入飛彈燃氣後可能會導致失速。於是在控制系統裡增加了一個「火箭點火」功能來預防失速的發生。發射飛彈時,向發動機核心和加力燃燒室供油的統一燃料控制系統就收到一個電子信號,同時發動機的可變定子葉片也改變角度以預防失速的發生,燃料控制系統暫時減少發動機的供油流量,尾噴口張大以減小加力燃燒室內的壓力脈衝幅度。試飛表明「火箭點火」功能在發射飛彈時並不需要,反而可以有效防止停滯性失速。


F100尾噴管的收斂-擴散運動

  普惠提出使用數字式電子發動機控制系統取代原先的設計,不斷監測發動機軸轉速、渦輪溫度、壓氣機定子葉片的角度,並對發動機進行微調以確保處於最佳性能。通過監測和比較轉子轉速和風扇排氣溫度,該單元能夠感知到即將發生的停滯失速,並向燃油控制系統發送一個假「火箭點火」信號來啟動上述的抗失速措施。

  而「硬」加力引起的停滯性失速則使用不同方法來解決,為了防止壓力脈衝波向前傳導至風扇涵道,普惠研製了一個安裝在內涵機匣前段的「近端分離器」。F100發動機風扇的進氣一部分通過內涵機匣進入核心機,其餘的通過風扇涵道進入加力燃燒室。近端分離器可關閉風扇後面的外涵道入口,使加力燃燒室壓力脈衝波無法通過外涵道抵達風扇。安裝了近端分離器的發動機在F-15上進行了試飛,但最後F-15的發動機沒有採用這個設計,因為雙發機在一臺發動機失去推力時仍能保持飛行。單發的F-16都安裝了近端分離器。

  美國空軍同時也修改零件採購的方式和維修的細則,在兩方配合之下,F100逐漸成熟穩定,成為相當出色的發動機。F-16機隊每1000小時飛行遭遇0.15次停滯失速,大大優於F-15機隊。


F-16A早期型

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