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标题:
F-35的发动机之谜
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作者:
晨枫
时间:
2024-6-30 07:08
标题:
F-35的发动机之谜
洛克希德F-35战斗机的发动机是普拉特-惠特尼F135涡扇，这没什么好迷的。但现在F135的“下一步”成迷了。
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美国战斗机研发传统是首先推出A/B型，几年后推出貌合神离但大大升级的C/D型，其中A型和C型是单座战斗机，B型和D型是同型的双座战斗教练机。F-15A在1972年投产，F-15C在1979年投产；F-16的间隔稍长，F-16A在1979年投产，F-16C在1993年投产；F-18的间隔短得多，F-18A在1983年投产，F-18C在1987年就投产了。除非专家，这些战斗机的A/B型和C/D型在外观上很难分辨。
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A型实际上是IOC标准。早年美国IOC的要求很高，真是能打仗的。由于美国战斗机强调跨代发展、领先发展，A型代表的是对上一代战斗机阶跃性的提高，相对于对手形成跨代优势，所以抢先投产以迅速形成压倒性的战斗力。但C型才是完全型，将A型在研制中因为及早冻结设计而来不及充分采用的新技术都用起来，并在A型的实用经验基础上打补丁和改进，将基本设计的潜力最大限度地发挥出来。C/D型的技术天花板撑到顶后，生产时间一般也更长。F-15A在1972-79年里生产，F-15C为1979-97年的18年。
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一般说来，抢先投产的A/B型留有遗憾，退役较早不仅因为投入使用时间较早，也因为升级路线长、升级空间受限。“十系列”战斗机的A/B型在20年前就开始退出第一线使用了。精雕细琢的C/D型的服役时间要长得多，F-15C/D和F-16C/D依然是美国空军的一线主力。美国海军以“深度升级”为名，偷梁换柱地塞进实际上完全不同的F-18E/F，但F-18C/D依然在一线使用。
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与战斗机从A/B到C/D的升级同步，战斗机发动机也有这样的升级。F-15最初的发动机是普拉特-惠特尼F100-100，F-16是F100-200，只有一些为单发而做的细节修改，与-100基本相同。战斗机升级到C/D时，美国空军对F100-100/200的不满也最终得到解决，普拉特-惠特尼推出F100-220，并再接再厉，进一步升级到-229；F-16C/D还有安装通用电气F110-100的选项，以后F110-升级到-129、-139。
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F-35A首飞至今已经17年了，这也是边设计边试飞边投产的，所以投产也至少17年，IOC距今也7年了。
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F-35的A/B/C命名也与历史上不同，A型是空军的跑道起落型，B型是海军陆战队的短距起飞-垂直降落型，C型是弹射起飞-拦阻索降落型。现有F-35A/B/C算IOC版的话，完全版是命名为D/E/F，还是别的全新命名体系，就不知道了。反正没有双座型，所以B/D的麻烦倒是没有了。但这不重要，按照历史惯例，时间到了，该琢磨完全版了。
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不管F-35的拥趸们如果赞美，现有F-35是留有遗憾的。3月12日，负责军购的美国国防部副部长勒普兰特签署了F-35的“里程碑C”文件，F-35获准开始全速生产。但美国空军的每一架新F-35A一下线就立刻封存，因为现在交付的F-35A都还是Block 3F软件标准，只是达到20年前制定的IOC标准，Block 4软件才“与时俱进”，满足当下的要求。
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这不是唯一的遗憾。
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F-35在研制早期饱受超重的困扰。洛克希德一面被迫“松开裤腰带”，一面逼迫普拉特-惠特尼增加F135的推力。“里程碑C”意味着所有主要设计要求都试飞通过而且达标，但战斗机在不断改进中增重是必然趋势。
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更多的机载设备和结构增强都导致更大的重量。F-15A空重为11734公斤，F-15C增加到12701公斤；F-16A空重为6613公斤，F-16C Block 52增加到8573公斤。更大的携弹量和燃油量则增加最大起飞重量。
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F135是西方推力最大的战斗机发动机，但F-35由于重量太大，推重比只有0.87，与以笨重著称的F-4“鬼怪”式相当，美国空军早就不满意了。F-35的最大速度也只有M1.6，但发动机增推未必能提高最大速度，这是受到气动设计和结构限制的。但更大的推力意味着更强劲的加速和爬升，这对战斗机有大用。
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即使没有“正式”的完全版，美国空军也希望发动机得到增推。
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正好，美国空军在大力推动下一代战斗机（NGAD）的研发，与此配套的是下一代自适应推进（NGAP）技术，也就是三涵道涡扇。涵道比等于外涵道与内涵道产生的推力之比。新增的第三涵道在需要大推力的时候提供辅助流量，大大增加涵道比，提高推力；也可以在推力要求较低的巡航状态下，将第三涵道的冷空气流量作为机上空调冷源，帮助系统散热。NGAP还将大大增加发电能力，为设备供电和激光武器做准备。
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隐身战斗机要求减少表面开口，同时机载电子设备持续增加，发热量增加，设备散热成了难题。F-35用机内燃油作为冷源，但这要求留出不低于40%的燃油才能有效地换热，否则F-35就成了飞行的板砖了。用三涵道解决系统冷却问题迫在眉睫。
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NGAP计划从自适应发动机过渡计划（AETP）计划发展而来，最初由通用电气和罗尔斯-罗伊斯参加，普拉特-惠特尼坚持F135的深度升级改进能达到AETP同样的性能要求，但双涵道结构简单、技术成熟。在美国空军的强烈要求下，普拉特-惠特尼最后参加AETP，同时罗尔斯-罗伊斯被排除，即使对英国，美国也是留一手的。
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通用电气在ATF竞标时代就用变循环发动机投标，复杂的阀门-旁通系统在涡喷和涡扇状态之间无缝转换，充分发挥涡喷的高空高速特性和涡扇的在中低速度下大推力、低油耗的特性。但因为技术超前，普拉特-惠特尼的常规涡扇设计胜出，成为F-22战斗机的F119发动机。
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通用电气不死心，利用相关技术改进F414涡扇（用于F-18E/F），并拉上罗尔斯-罗伊斯，自费研制F136发动机，试图作为F-35的备选发动机。
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在F-16C/D时代，通用电气F110和普拉特-惠特尼F100都是备选发动机，两家展开“发动机大战”，结果是价格、可靠性、泼辣性、单位油耗都得到显著改善。通用电气以此为理由，试图说动美国军方和国会，重开“发动机大战”，并得到不少支持者。
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但发动机大战是要首先砸钱才能启动的。F-16C/D的改进之一就是能够适装F100和F110，但还是需要有两个亚型，F-16C/D Block 30/40/50用F110，Block 32/42/52用F100，并非可以直接原位互换。两个亚型当然也需要分别试飞、认证，并建立相应的供应链、维修、备件和训练体系，通用电气自费研制F136并不解决这些问题。
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F-35已经一波七八折，美国空军和国会都没有胃口再节外生枝，为F135和F136分别设计亚型，分别试飞认证更是不可承受之重，所以F136一再提出，一再被毙。
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但现在不一样，NGAD研制需要发动机先行，NGAP启动较早，现在通用电气和普拉特-惠特尼的工程样机已经开始试运转，NGAD则思路遇堵，发展迟缓。
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从50年代“百系列”战斗机以来，美国空军习惯了在空战思想和技术研发上领先一大步，基本上一直主导战斗机潮流的大方向。但中国歼-20在美国空军还没有想明白下一步往哪里去的时候横空出世，数量迅速增加，不仅打乱了美国空军的隐身优势，还把美国空军思索应对的时间给剥夺了。
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美国空军没有时间等待，小步快跑的快速迭代则烧不起这个钱，最大的问题是对未来空战没有想明白。NGAD有点举棋不定。
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在这样的情况下，NGAP首先在F-35上使用，既解决眼前需要，又为NGAD的发动机早早成熟化，避免F-15服役初期成为“机库王后”的尴尬，似乎顺理成章。
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然而，在最新的预算里，NGAP只有2.8亿美元的维持性拨款，“以保持技术连贯性为主”，既没有向量产推进的意思，更没有为F-35适装的意思。
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NGAP原本设计要求可以为F135原位换装。当然，说原位，是指只需小幅度改动。NGAD一般估计是双发重战，F135与F119尺寸相仿，重量稍大，可以为F135原位换装的NGAP容易符合NGAD的尺寸和重量要求。
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但NGAD推进放慢，NGAP的研发好像帆船突然开进无风海区。NGAP首先用于F-35是借东风，F-35发动机升级本身不足以成为NGAP的研发动力。三涵道比双涵道复杂得多，考虑到美国近些年军工前沿科研拉垮的记录，NGAP攻关不力可能也是研发放慢的原因。
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F-35的发动机升级还有方案B：F135的升级（ECU）和发电-热量管理系统（PTMS）。
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普拉特-惠特尼在F-35研发阶段已经着手进一步增推。在热工上能做到，但提高的温度使得发动机可靠性和耐用性下降。投产十多年来，普拉特-惠特尼在逐步解决可靠性问题。增加的推力有助于增加发电能力，增加从压气机引流则缓解热管理问题。ECU和PTMS预计在2030年投入使用。
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但是洛克希德胃口更大。在2023年巴黎航展期间，洛克希德负责飞机的执行副总裁格里格·乌尔马对媒体直陈：“我主张要，不，大力主张要（AETP）发动机，……我认为现在一些圈子里的思路（对F-35）很短视，没有考虑到长远发展。”乌尔马是指F-35还要生产和使用很多年，需要考虑发动机的增推和冷却要求，现有F135的潜力已经挖尽了。
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普拉特-惠特尼震怒，负责F135计划的简·莱特卡反驳到：ECU和PTMS一起，可以解决F-35的所有推力和冷却问题，但AETP无法与F-35B的升力风扇相容，而且过于先进，在很长时间内都未必能出口。洛克希德想用过度升级的F-35达到似是而非的“准六代”性能，挤占NGAD的军费和发展空间，极大延长F-35的生产年限，这是自私。
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最后是洛克希德CEO吉姆·泰克莱特打圆场，指出F-35用什么发动机是美国空军的决定，与洛克希德无关。事实上在美国空军的订购中，F-35和F135是分别直接订购的，F135并不通过洛克希德代购。所以洛克希德“也就是这么一说”。
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两家当然都有道理。AETP/NGAP的发展空间肯定比ECU/PTMS更大，洛克希德有私心也是肯定的。但普拉特-惠特尼何尝没有私心？
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F-35是“赢者通吃”的故事，近二十年来，美国军方吃够了店大欺客的苦头，对洛克希德进度迟缓、成本高企、性能不达标不满，又无可奈何。这是单一供应商的本质问题。洛克希德其实吃的是一样的苦头，只是这里的“店”是普拉特-惠特尼。
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洛克希德想长期独占美国战斗机市场，普拉特-惠特尼何尝不想长期独占美国战斗机发动机市场？普拉特-惠特尼早就反对AETP，被美国空军“下令”才不得不加入，就是不想让通用电气有可乘之机，分走美国战斗机发动机市场的蛋糕。
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现在普拉特-惠特尼如愿以偿，甚至ECU/PTMS都放慢进度，在新预算里没有投产时间表，在可预见的将来，F-35家族继续使用基本F135发动机。
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这对普拉特-惠特尼是好消息，产品线延长，生产线和工装得到更加长期的使用，有利于降低成本、提高盈利。
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对美国空军就不是那么好的消息。
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美国空军对F-35的隐身、态势感知和先进武器依然有信心，但长期依赖F-35也意味着美国空军要准备“吃软饭”，而不能像历来那样软硬通吃了。
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F-35依然是出色的战斗轰炸机，但作为空战主力，并非美国空军的初衷。空战中能通过隐身、态势感知和先进武器一击夺命固然好，但未必可靠。反隐身也在发展，对空空导弹的反制也从干扰发展到激光/微波压制和微型反导弹，一击夺命不成的话，敌机很可能逼上来，那时就被动了。
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战斗机最好软硬通吃，偷袭不成还能硬吃。由于推重比不高，翼载太大，F-35的速度、加速、盘旋、爬升性能都不突出，再先进的飞控软件也不可能重写物理定律。
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美国空军战斗机曾经是软硬通吃的。F-15A是第一种在设计时就强调态势感知的战斗机，但这也是第一种推重比超过1.0的战斗机，曾创造8项纪录，至今依然是西方速度最快的战斗机。F-15可达“M2.5以上”，F-22只有M2.2。
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在F-15A时代，美国空军也新旧两手都硬。一方面F-15A加速形成战斗力，另一方面不放松F-4，最新的F-4E不仅安装机内航炮，雷达和航电深度升级，发动机推力增加，在保持超视距空战优势的同时，在格斗空战中也不输轻巧灵活的米格-21。
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现在，如果美国空军还是“不差钱”的话，会一面加紧研制第六代战斗机，一面用升级F-22担任空战主力，F-35则回归战斗轰炸机的本色，但这不可能了。
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F-22在20年前投入使用，飞行性能依然强悍，但航电架构早已过时。早期下线的40架飞机已经没有升级价值了，所以美国空军屡次试图将其退役，但美国国会拒绝批准。
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在理想情况下，F-22的生产没有早早停止，现在数量更大，而且按照F-22C的升级标准生产，技术基线更高，升级空间更大，便于利用F-35 Block 4甚至更高标准的航电和软件。
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但美国现在差钱，F-22早早停产有低估中国发展的原因，最主要还是因为反恐战争太费钱了。至于现在，F-35尽管满足“里程碑C”而获准全速生产，美国空军实际上在削减订购量，依然是因为差钱。
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美国空军也要过一段紧日子了。至于F135的“下一步”，不用迷了，一切照旧，在可预见的将来，F-35还是只有基本F135可用。
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