作為美國最先進(jìn)的隱形戰(zhàn)機(jī)：“猛禽”F-22戰(zhàn)斗機(jī)，已經(jīng)在2001年完成了全部的研發(fā)，并于2005年開始正式服役，這也是世界上第一種服役的第五代戰(zhàn)斗機(jī)。F-22戰(zhàn)機(jī)從誕生起就成了行業(yè)的標(biāo)桿，超機(jī)動性、超音速巡航、超視距攻擊、良好的隱身性能構(gòu)成了現(xiàn)代五代機(jī)的4S標(biāo)準(zhǔn)。
F-22戰(zhàn)機(jī)
F-22的超機(jī)動性與超音速巡航都在很大程度上都得益于其裝備的F119-PW-100（以下簡稱F119）先進(jìn)的的渦扇發(fā)動機(jī)。F119也是當(dāng)今世界上，最為先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)。時(shí)至今日，它仍然是世界戰(zhàn)斗機(jī)動力裝置的領(lǐng)頭羊，并直接影響了21世紀(jì)前幾十年戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向。
二、F119發(fā)動機(jī)的研發(fā)概況1980年，在世界航空領(lǐng)域擁有先進(jìn)地位的美國空軍，率先在國際上提出了先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的概念。于是，在次年的5月份，美國空軍就向有關(guān)工業(yè)部門，頒布了要研制的先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的需求，這些需求包含了不加力狀態(tài)下的超音速巡航、1500英尺的短距離起降、推力矢量控制等。同時(shí)，還邀請了美國各大航空發(fā)動機(jī)公司共同出席討論會議，并進(jìn)行有效競爭。
F119發(fā)動機(jī)剖視圖
與F119相競爭的YF120發(fā)動機(jī)為變循環(huán)發(fā)動機(jī)，YF120的風(fēng)扇、壓氣機(jī)均比F119少1級，且高低壓渦輪間無導(dǎo)向葉片，因此YF120比F119少5排葉片。YF120發(fā)動機(jī)在2級風(fēng)扇后有一可調(diào)節(jié)的外涵出氣環(huán)，在高壓壓氣機(jī)中，第一級工作葉片做得比較長，稱之為核心機(jī)傳動的風(fēng)扇，其后有流向外涵的出氣環(huán)，在工作中始終是打開的。在低工況時(shí)，兩個(gè)外涵道均打開，使涵道比加大以獲得低的耗油率；在大工況時(shí)，2級風(fēng)扇后的可調(diào)節(jié)放氣環(huán)關(guān)閉，發(fā)動機(jī)成為小涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，以增加單位推力。風(fēng)扇到核心機(jī)間的壓力匹配是通過裝在加力燃燒室前的可變面積涵道引射器將外涵氣流引向加力燃燒室來達(dá)到。可變面積涵道引射器除對加力燃燒室隔熱屏進(jìn)行冷卻外，還將外涵多余的氣流引射到尾噴管喉道前的排氣氣流中，以加大推力。
YF120發(fā)動機(jī)
不過在長達(dá)11年不斷的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)之后，在1991年4月，美國空軍部正式宣布，普惠公司在動力系統(tǒng)的競爭當(dāng)中全面勝出，原因是因?yàn)?，該公司在技術(shù)方案和成本方面，擁有絕對的優(yōu)勢。此后的8月份，普惠公司成功制造了9臺驗(yàn)證發(fā)動機(jī)，并進(jìn)行了長達(dá)7400小時(shí)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，最終首臺EMD型F119發(fā)動機(jī)在1992年11月開始進(jìn)行試驗(yàn)，首次飛行試驗(yàn)則在1996年7月完成。一直到2005年12月，F(xiàn)119發(fā)動機(jī)完成了所有必要的測驗(yàn)和評估，正式裝備F-22戰(zhàn)機(jī)。
三、F119發(fā)動機(jī)技術(shù)分析1、完備的檢測系統(tǒng)
F119發(fā)動機(jī)的總重量達(dá)到了1360千克，渦輪前燃?xì)鉁囟冗_(dá)到了1850-1950K。F119發(fā)動機(jī)主要包含了風(fēng)扇、低壓渦輪、尾噴管、核心機(jī)、加力燃燒室、附件傳動機(jī)匣等6個(gè)不同的單元體，同時(shí)，還有全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，以及發(fā)動機(jī)檢測系統(tǒng)等，主要是為了隨時(shí)監(jiān)控發(fā)動機(jī)是否會出現(xiàn)突然故障，保障發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行。
2、特殊的風(fēng)扇葉片
F119當(dāng)中的第一級風(fēng)扇葉片，采用了寬弦、空心設(shè)計(jì)而成，整個(gè)葉片由葉盆和葉背兩塊性板經(jīng)過擴(kuò)散連接法，連接成為完整的葉片，在連接前，先將兩板結(jié)合處縱向挖出幾條明顯的槽道，并形成空腔。鈦合金制的三級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子則是均采用整體葉盤結(jié)構(gòu) , 運(yùn)用線性摩擦焊的加工方法來實(shí)現(xiàn)。 為了保證風(fēng)扇機(jī)匣剛性能夠?qū)崿F(xiàn)完全的一致、葉尖間隙均勻，風(fēng)扇機(jī)匣特意設(shè)計(jì)成了整環(huán)的、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子也做成了可拆卸的，也就是說二級盤前后均帶鼓環(huán)，它們分別與一、三級盤連接。
F119的第一級風(fēng)扇葉片示意圖
F119發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)還運(yùn)用了進(jìn)口導(dǎo)葉與一、二級導(dǎo)葉可調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)而成，前機(jī)匣運(yùn)用Alloy C阻燃鈦合金，以降低整體的重量，此外，為了能夠增加高壓壓氣機(jī)出口處機(jī)匣的縱向剛性，整個(gè)燃燒室機(jī)匣選用了雙層結(jié)構(gòu)來打造，即外層是傳遞負(fù)荷用的，內(nèi)層則僅僅作為氣流的包容環(huán)使用。后來，這種設(shè)計(jì)被廣泛運(yùn)用在了大型的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)當(dāng)中。
3、F119發(fā)動機(jī)的渦輪
F119發(fā)動機(jī)的高壓渦輪工作葉片，其選用的是普惠公司的第三代單晶材料制作而成，擁有先進(jìn)的氣膜冷卻技術(shù)。渦輪盤采用了雙重?zé)岬奶幚矸绞剑脕磉m應(yīng)外緣與輪芯的不同要求，外緣部分采用了提高損容限能力的熱處理，整個(gè)輪芯的部分，則選用了提高強(qiáng)度的熱處理。值得注意的是，這種在一個(gè)零件上，同時(shí)選用兩種要求的熱處理的辦法，直到現(xiàn)在都相當(dāng)罕見。
F119發(fā)動機(jī)的低壓渦輪了，整個(gè)低壓渦輪和高壓渦輪的轉(zhuǎn)向剛好完全相反，因此，當(dāng)整個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)在做機(jī)動飛行的時(shí)候，作用于兩轉(zhuǎn)子上的陀螺力矩會大部分進(jìn)行相互抵消，在這樣的作用力下，就能夠減少外傳到飛機(jī)機(jī)身上的力矩了。另外，對裝在兩轉(zhuǎn)子中間的中介軸承，當(dāng)軸承內(nèi)外的轉(zhuǎn)向是相反的時(shí)候，將能夠大大降低保持架與滾子組合體的相對內(nèi)外環(huán)轉(zhuǎn)速，也就是說，能夠增強(qiáng)封嚴(yán)的難度。
4、F119發(fā)動機(jī)的尾噴管
F119發(fā)動機(jī)的尾噴口可以上下偏轉(zhuǎn)，從而改變噴氣方向，使得飛機(jī)獲得額外的控制力矩這就是所謂的推力矢量技術(shù)。其突出特點(diǎn)是控制力矩與發(fā)動機(jī)緊密相關(guān)，而不受飛機(jī)本身姿態(tài)的影響。不采用推力矢量技術(shù)的飛機(jī)，發(fā)動機(jī)的噴流都是與飛機(jī)的軸線重合的，產(chǎn)生的推力也沿軸線向前，這種情況下發(fā)動機(jī)的推力只是用于克服飛機(jī)所受到的阻力，提供飛機(jī)加速的動力。利用氣動舵面進(jìn)行操縱的常規(guī)飛機(jī)在迎角超過20-30°時(shí)已經(jīng)無法穩(wěn)態(tài)控制。而試驗(yàn)證明，推力矢量飛機(jī)能在迎角大于70°時(shí)實(shí)現(xiàn)可控飛行，從而可以實(shí)施一系列有實(shí)戰(zhàn)意義的過失速機(jī)動動作，如赫布斯特機(jī)動、榔頭機(jī)動、大迎角機(jī)頭快速轉(zhuǎn)向和大迎角側(cè)滑倒轉(zhuǎn)機(jī)動等。能做這種機(jī)動的飛機(jī)在交戰(zhàn)時(shí)便于占據(jù)有利位置。因此，矢量發(fā)動機(jī)可以保證在飛機(jī)作低速、大攻角機(jī)動飛行而操縱舵面幾近失效時(shí)利用推力矢量提供的額外操縱力矩來控制飛機(jī)機(jī)動。
F-22的尾噴口可以上下偏轉(zhuǎn)從而獲得控制力矩，增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)動性能，但是推力的損失也比較大。
5、良好的維修性能
最后，則是發(fā)動機(jī)的可維修性了，F(xiàn)119的發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，都會讓附件包括燃油泵的控制系統(tǒng)作為場外可換組件，而所用工具僅僅為11種標(biāo)準(zhǔn)的手動工具，在外場維修的時(shí)候，進(jìn)行拆裝的固件不用開口銷，而采用B型落幕，擰緊螺母的時(shí)候，可以不用限扭扳手。而孔探儀的座控則設(shè)計(jì)成了無螺紋內(nèi)置式，所有的導(dǎo)管和導(dǎo)線都用了不同的顏色可以進(jìn)行區(qū)分?；拖鋬?nèi)，也裝有可以直接進(jìn)行目視的油位指示器，連接件設(shè)計(jì)成了可以快速進(jìn)行拆卸和組裝的模式，這種突破在歷史上也算是相當(dāng)具有標(biāo)志性意義的。
對于之前的普通的噴氣發(fā)動機(jī)而言，要想使得飛機(jī)獲得超音速的飛行速度，發(fā)動機(jī)都是要開加力的，也就是在尾部再噴一次油，再進(jìn)行一次點(diǎn)火燃燒。這會使得飛機(jī)的耗油率大增，一般只能持續(xù)幾分鐘，所以只能用于緊急情況下的快速機(jī)動。不可能長時(shí)間以這種狀態(tài)巡航飛行。
而F-22戰(zhàn)斗機(jī)上標(biāo)配的2臺F119發(fā)動機(jī)，能夠在不加力狀態(tài)下，以馬赫數(shù)大于1.4的速度進(jìn)行持續(xù)飛行，快速接近戰(zhàn)區(qū)，并實(shí)現(xiàn)高空成功突防，這意味著，飛機(jī)的整體作戰(zhàn)能力，將于運(yùn)用普通噴氣發(fā)動機(jī)的戰(zhàn)斗機(jī)，有直接的區(qū)別。F119發(fā)動機(jī)直到今天，仍然算是戰(zhàn)斗機(jī)動力裝置當(dāng)中，一次偉大甚至是革命性的成功和進(jìn)步。在此基礎(chǔ)上，后來美國又開發(fā)出的F-35的發(fā)動機(jī)更是登峰造極。
五、結(jié)語作為美國普惠公司為20世紀(jì)90年代美國先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)F-22研制的小涵道比雙轉(zhuǎn)子加力渦扇發(fā)動機(jī)，整個(gè)F119的研發(fā)充分汲取了之前其他發(fā)動機(jī)所有的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，并且，還實(shí)現(xiàn)了低風(fēng)險(xiǎn)、一體化的成功研制，整個(gè)發(fā)動機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)管理以及工程策略與方法，都是相當(dāng)成功的。直到現(xiàn)在，F(xiàn)119發(fā)動機(jī)，仍然是整個(gè)美國乃至世界上，屈指可數(shù)的先進(jìn)且高效的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)。
（文/云端風(fēng)火）
