F404系列發(fā)動(dòng)機(jī)的高空性能為何如此垃圾?


都知道美國(guó)的軍用航空工業(yè)實(shí)力最強(qiáng)。而實(shí)力最強(qiáng)的根本原因,在于美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)近100年來,一直穩(wěn)居世界最高水平,特別是通用(GE)等航發(fā)公司,研發(fā)出多款經(jīng)典軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī),助推了美國(guó)軍機(jī)和民機(jī)的綜合性能優(yōu)勢(shì)在全球仍然暫時(shí)不可動(dòng)搖。
GE航發(fā)的實(shí)力主要體現(xiàn)在民用超級(jí)大推和軍用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。不過GE也搞過一種中等推力發(fā)動(dòng)機(jī),后來發(fā)展成為一個(gè)系列,這就是知名的F404發(fā)動(dòng)機(jī),最近20年又進(jìn)化出了F414發(fā)動(dòng)機(jī)。采用F404發(fā)動(dòng)機(jī)的典型戰(zhàn)機(jī),就是早期的F18大黃蜂。而采用F414發(fā)動(dòng)機(jī)的,是升級(jí)版的超級(jí)大黃蜂。這兩種艦載機(jī)都是雙發(fā)布局。目前還有一種“世界知名”的戰(zhàn)斗機(jī)仍采用單發(fā)F404做動(dòng)力,這就是三哥的光輝輕型戰(zhàn)機(jī)。基本型的F404是一種不開加力推力5噸、開后燃加力推力8.5噸級(jí)別的中推發(fā)動(dòng)機(jī)。

而進(jìn)化版本的F414是一種不開加力5.8噸級(jí)推力,開加力可以達(dá)到10噸級(jí)推力的新中推。F414的最新版本,已經(jīng)可以在海平面達(dá)到11.5噸級(jí)的最大推力,這距離三代大推12.5噸的起步推力,已經(jīng)差距不大,因此被選用為超級(jí)大黃蜂的主力發(fā)動(dòng)機(jī),可現(xiàn)實(shí)出較為優(yōu)異的中低空性能。F404到F414系列,之所以在航空發(fā)動(dòng)機(jī)界被推崇,并不是因?yàn)樗麄兊耐屏μ貏e大。以F404為例,他的加力或不加力推力水平,在同類級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)中并不突出。而之所以說他先進(jìn),就在于這種系列發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命長(zhǎng)、性能可靠、工藝先進(jìn)。F404的壽命,幾乎是同級(jí)別其他中推可靠壽命的數(shù)倍。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命,是檢驗(yàn)一國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)的最好試金石。一方面軸盤筒鼓要結(jié)實(shí)耐磨耐疲勞;另一方面材質(zhì)的均勻性,加工的精確度也會(huì)對(duì)運(yùn)行過程中的非設(shè)計(jì)載荷產(chǎn)生重大影響。發(fā)動(dòng)機(jī)壽命特別高,與其說是美國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的優(yōu)勢(shì),不如說是美國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)和工業(yè)積淀特別雄厚的綜合優(yōu)勢(shì)。

F404的可靠壽命之所以超長(zhǎng),還在于設(shè)計(jì)余量比較大,也就是這種發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和材料基礎(chǔ)非常好,但是一開始卻沒有全部發(fā)揮,故意的人為壓縮了他的性能指標(biāo)。例如渦輪前進(jìn)氣溫度調(diào)的比較低,空氣流量調(diào)的比較小。這樣在基礎(chǔ)材料和工藝都很好的情況下,F(xiàn)404就可以像一些民發(fā)一樣,實(shí)現(xiàn)超級(jí)長(zhǎng)的可靠壽命。到了F414,并沒有對(duì)原始的設(shè)計(jì)進(jìn)行大的調(diào)整,甚至整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑和長(zhǎng)度都沒變,只是提高了渦輪溫度和進(jìn)氣量,就實(shí)現(xiàn)了中低空推力的較大提升,而且發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和可靠性仍然不錯(cuò)。
但是F404到F414系列,并不是處處都先進(jìn)。最大的的問題是高空高速性能很差,已經(jīng)差到垃圾的水準(zhǔn)!比如F404在海平面的低亞音速的條件下,不開加力的推力也有5噸,而在萬米以上高空,推力居然下降到了1.7噸。而其他大部分同類的中推和大推,在萬米高度,或者在高空超音速情況下,推力是相對(duì)增加或者是至少可以保持,但是F404到F414系列在這個(gè)飛行包線段的推力卻是罕見的急劇下降!
之所以出現(xiàn)如此奇葩的局面,原因是多方面的。有一個(gè)比較搞笑的因素,竟然是因?yàn)镕404系列的壓氣機(jī)和渦輪密封性過好。也就是各級(jí)葉片的外邊緣和外殼之間幾乎沒有任何空隙,這本來是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和渦輪在低空追求的最高境界,就是要求每一公斤的空氣都要燃燒做功。不能白白通過發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道溜出去。但是這種設(shè)計(jì),卻未必適合高空高速飛行。

因?yàn)轱w機(jī)在高空飛到2.2馬赫到2.5馬赫以上時(shí),就會(huì)出現(xiàn)沖壓燃燒的現(xiàn)象。所謂沖壓燃燒,簡(jiǎn)單的說,就相當(dāng)于一段管子,里面只要有燃料,高速空氣通過管子的前端進(jìn)入,會(huì)直接點(diǎn)燃管子內(nèi)部的燃料,高壓燃?xì)庠購(gòu)墓茏雍竺鎳姵鋈ギa(chǎn)生推力,管子內(nèi)部完全不用任何渦輪的壓縮。此時(shí)有個(gè)渦輪在管子里面,反倒是阻擋氣流通過速度,減少高空高速推力指標(biāo)的累贅。雖然大多數(shù)三代戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)不追求雙25的指標(biāo),但是接近2馬赫也已經(jīng)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)沖壓現(xiàn)象。
而F404到F414系列由于渦輪密封性過好,反倒成了發(fā)動(dòng)機(jī)在高空高速狀態(tài)下的最大“心塞”!這會(huì)導(dǎo)致F404系列高流量推力在巡航中無法體現(xiàn),反而因?yàn)檫h(yuǎn)離最佳工況使得油耗更大。其他“技術(shù)粗糙、密封不好”的中推則相反,巡航時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不下降,工況良好,適合高空高速。
F404到F414系列堪稱垃圾級(jí)的高空高速性能,導(dǎo)致裝備此系列發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)斗機(jī),幾乎沒有一種能飛到2馬赫以上。而裝機(jī)最多的F18大黃蜂和超級(jí)大黃蜂,本身的外形設(shè)計(jì)就不是追求高度的艦載機(jī)。任何大黃蜂,只要外掛導(dǎo)彈和副油箱,就不用再想超音速的任何事情,因此F404系列的高空劣勢(shì)也算有心無心的被掩蓋了。

而三哥的光輝輕型戰(zhàn)機(jī),采取最適合高速飛行的無尾三角翼總體布局,在裝備一臺(tái)F404當(dāng)動(dòng)力后,卻只能飛出1.4馬赫的最高速度,也算是一種笑話。比這個(gè)笑話更奇異的是,三哥最近宣布研發(fā)自己的5代機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)居然還是定位在2臺(tái)F414!這是要到萬米高空慢慢賣萌嗎?豈不知5代機(jī)追求高空高速是基本路線?這等于說三哥方面對(duì)五代機(jī)技術(shù)的基本概念都無感。