M88渦輪風扇發動機

M88渦輪風扇發動機是法國研製的陣風戰鬥機的核心部分，得益於法美兩國的合作。

基本介紹

• 中文名：M88渦輪風扇發動機
• 研製國家：法國
• 地位：陣風戰鬥機的核心部分
• 技術特點：三維設計技術前3排整流葉片可調

背景

自從“幻影”F1戰機與M53發動機的組合在“歐洲四國戰鬥機”項目選型中慘敗於F-16後，不甘失敗的法國人又回到了熟悉並且適合自身技術水平的無尾三角布局上，推出了“幻影”2000，其“搭檔”依舊是M53。雖然該機與F—16之間的性能差距有所縮小，但無奈推出時間上的滯後使得“幻影”2000占有的國際市場份額與後者相比小得可憐，而且在價格和性能上也無法占優。為此，達索公司決定跳出單發中性戰鬥機這個圈子，向更大、更強、利潤更高的雙發戰鬥機領域進軍。在“幻影”4000雙發重型戰鬥機上驗證了部分技術後，達索公司於1986年推出了“陣風”戰機，並在當年的范堡羅航展上高調亮相。

“陣風”A原型機起初使用F/A－18A/B裝備的F404－GE－400發動機，直到1990年5月斯奈克瑪公司M88發動機完成為止。該發動機與斯奈克瑪公司過去開發的“阿塔”和M53系列截然不同，使得發動機不再成為制約法國戰鬥機性能的主要瓶頸。然而，它的身世依然撲朔迷離。

法國製造的戰鬥機和攻擊機裝備的發動機，長期以來都是單轉子結構。“阿塔”系列渦噴發動機幾乎一統了當時法國開發的所有戰鬥機、攻擊機和轟炸機的動力系統，即使是“幻影”2000上的M53渦扇發動機，也有著“超級阿塔”的別稱。然而，單轉子結構發動機高、低壓段的轉速只能取一個中間值，不能取相應的最佳化轉速，涵道比也不能過大。如果涵道比過大，其帶來的後果將是加力比小而加力推力不大。

單轉子結構發動機還有一個缺點，就是喘振裕度不大，所以“阿塔”和M53都靠設定放氣門來增加喘振裕度。但是這樣一來又會使得增壓比降低，推力減少。加之法國人的壓氣機設計水平不高，M53的壓氣機級數偏偏又少，僅有3級風扇、5級高壓，這就造成其推重比和單位推力都比較低。與之相比，壓氣機增壓比同樣不高的俄制RD33發動機則採用了4級風扇、9級高壓的設計。不過有弊也有利，較小涵道比帶來的好處是迎風面積減小，單位迎風面積推力提高，高空高馬赫數下加速能力較好。配合飛機進氣道的設計特點，“幻影”2000在高空高速飛行包線內相對F－16有著很明顯的優勢。

值得一提的是，法國透博梅卡公司和英國羅爾斯·羅伊斯公司為“美洲虎”攻擊機而聯合研製了“阿杜爾”渦扇發動機。其中，羅爾斯·羅伊斯公司負責研製燃燒室、高/低壓渦輪、低壓軸、排氣錐、混合器、滑油箱等；透博梅卡公司負責其餘部件，如壓氣機、機匣和外部傳動裝置、加力燃燒室噴管延伸段等。發動機部件按分工製造，然後送到兩國的總裝線上進行最終裝配。由此可以看出，占據主導地位的是羅爾斯·羅伊斯公司。

儘管從推力和推重比上看，“阿杜爾”的性能水平不算高，但其採用了大量在當時十分先進的技術，包括：定向凝固和單晶渦輪葉片，由此可以帶來更高的渦輪前溫度：環形結構燃燒室：可調收擴噴管：鈦合金寬弦葉片製造的高壓壓氣機葉片以及小展弦比葉型設計。

儘管出於成本、風險以及終端平台定位的考慮，英、法兩國在合作時採用的設計相對保守。也沒有刻意追求減重而大量使用鈦合金。但是單晶渦輪葉片的使用讓法國在渦輪葉片材料上接觸到了領先者的技術。法國之所以後來能夠在新型號發動機上大幅度提高渦輪前溫度，這次合作頗有裨益。

CFM的建立

在20世紀70年代，斯奈克瑪公司為了進軍民用市場，選擇美國通用動力公司作為合作夥伴，準備以B-1轟炸機的F101發動機核心機作為原準機，開發商用發動機。但是，F101發動機屬於戰略平台的核心裝備，美國政府與國防部都不批准這個合作項目。當時，普惠公司的F100發動機已經占據了美國空軍戰鬥機動力的統治地位，其JT3D和JT8D等民用發動機的銷售情況也是形勢大好，它們在1965年世界民用發動機市場上的份額甚至高達92.4%。迫於生存壓力，通用動力公司為了爭取到這個翻身的機會，不僅大力遊說政府高層，還提出不讓斯奈克瑪公司接觸F101的核心技術，並按照“需要和了解”的基礎交換資料。整個項目由通用動力公司負責系統一體化實施，並且民用F101發動機的核心及設計參數將降適當降低。通用動力公司還進一步建議美國國務院和商務部監督資料的交換過程，以保證其符合美國政策。

1973年5月30日，美國總統尼克森和法國總統蓬皮杜在葡萄牙亞速爾群島進行雙邊高峰會議，CFM56赫然列在日程表上。在準備工作中，尼克森表示，他期待的是政治討論，但是被“某種噴氣發動機”的事項打了岔。尼克森駁回了所有反對意見，按照通用動力公司的建議批准了該項目。當日，尼克森與蓬皮杜聯合宣布了此項決定。1973年6月4日，國務卿基辛格代表總統發布220號國家安全決策備忘錄，批准該合作項目，但附加下列條件：

與法國政府達成關於出口發動機核心機的物理安全和技術保護的滿意協定；

關於法國政府不謀求對美國進入歐盟的飛機徵收新的關稅。

於是，1973年9月兩國恢複合作，並於1974年9月28日正式成立CFM國際公司。雖然美國政府在合作協定中對技術保密仍然持謹慎態度，但是斯奈克瑪公司憑藉著自己在所負責工作上的出色表現，獲得了與通用動力更深程度的技術交流。同時，斯奈克瑪公司使用特殊手段得到了F101發動機核心機GE9和演化型號E88的技術，M88發動機的起源可以說很大程度來源於此。

技術特點

壓氣機M88-2發動機的結構為風扇3級，第一級帶凸肩。高壓壓氣機6級，採用三維設計技術，前3排整流葉片可調，在第4和第5級之間設引氣口，高級負荷。相比基於類似核心設計的F404發動機，M88-2少一級高壓壓氣機，其總壓比為24.5，F404則為26，同樣改進自F404的RM12也達到了27.5。由此可以看出，因為M88-2少一級高壓壓氣機給總壓比帶來了不利影響，不過級數減少也能部分減輕結構重量和幾何長度，適當縮小載機的發動機艙輪廓。

M88-2風扇壓大約在4以內，高於F404的3.641；而高壓壓氣機壓比則為6.125，低於F404的7.14。級壓比方面，M88-2為1.35，只略高於F404的1.324，更加低於RMl2。考慮到M88與F404的高壓段有很大的繼承性，兩者性能參數上的差異表明法國在壓氣機設計上仍然有所不足。相比之下，F414發動機採用3級風扇、7級高壓，達到30以上的總壓比。EJ200發動機的總壓比為26，雖然不算太高，但只用了3級風扇、5級高壓結構，比同樣總壓比的F404減少了2級。

燃燒室採用了低污染的雙環腔帶多孔氣膜冷卻結構，與通用動力公司同系列產品的結構與特點類似。目前，蘇霍伊SSJl00支線客機已確定以M88核心機為基礎，發展SAM-146大涵道中等推力發動機。M88-2燃燒室上構造的特點，顯示了它身上有著無可否認的F101發動機血統。

渦輪部分高低壓渦輪均為單級結構，都使用氣膜冷卻，高壓渦輪葉片具備主動間隙控制，葉片材料使用AMl單晶合金。由於採用了高溫高負荷設計，其渦輪進口溫度高達1850K。

渦輪盤採用粉末冶金製造工藝，輪盤材料試驗型為Astroloy粉末冶金，生產型為N18合金。加力燃燒室為整體式，由中心單圈環形穩定器和9根徑向火焰穩定器組成。尾噴管為引射式，喉部面積和引射噴口面積均可調，噴口調節片用碳化矽基陶瓷材料製造。發動機採用雙余度全許可權數位化發動機控制系統(FADEC)，可在3秒內從怠速加速到全加力狀態，在飛行包線範圍內無顧慮操作。外涵機匣則採用樹脂基複合材料PMR－15製造。

全機分為21個模組設計，每個模組都能由簡單工具拆裝更換，達到減少備件數量、快速更換、簡化維修程式和時間的目的，整機拆卸及維修總共只需4小時。

特點分析

M88發動機的渦輪前溫度相當高，不僅高於同類中等推力發動機和90年代初的大推力發動機，甚至和某些下一代大推力發動機相同，如俄羅斯AL-41F。其根本原因在於M88的壓氣機性能不夠，總壓比偏低，為了保證推力只能採用較高的渦輪前溫度來彌補。較高的渦輪前溫度可以相對提高不加力推力和燃燒效率，降低油耗，並能提高單位推力。但一味提高渦輪前溫度，將對發動機熱端部件的壽命造成影響，縮短翻修間隔時間。法國自身的材料與冶金水平在西方已開發國家中實力本就略顯平庸，而選取的指標卻高出同類產品一籌，結果M88·2El投入使用時的初始檢修間隔只有150小時，驗證後達到的指標也僅為500小時。直到2001開始大規模生產時，M88—2E4的初始檢修間隔才達到800～1000小時，TAC循環為2000次。相比之下，80年代中後期美國空軍就開始要求熱段部件檢修間隔達到4000次TAC循環，如F100-PW-220/229和F110-GE.129。日本自1991年開始生產的F100-IHI-220E上安裝的自產單晶渦輪葉片也到了4000次TAC循環指標，而且在實際使用時有一定的溫度裕度，大約在100～110度上下。因此，這些發動機都有在戰時通過增加轉速和供油量等方法，提高額定推力的VMAX模式，短期使用也不會對發動機造成傷害，以取得需用推力與部件耐久性、可靠性和維護成本的平衡。現今美國第三代大推力發動機的新一代改型，如F110－GE－132/134已經達到6000次TAC循環，F414的發展型EDE則大幅度提高到了6000小時(推力與使用壽命之間可以轉換，通過犧牲部分壽命換取高推力)，並已通過驗證。

通常而言，渦輪前溫度越高，總壓比越大，則燃油經濟性越好。但是M88-2的燃油經濟性在中等推力發動機中卻居於劣勢，即使是燃油消耗量比M88-2E1降低了2%～4%的M88-2E4，油耗也比早年的F404-GE-400/402要高。雖然燃油經濟性與渦輪效率及其他一些因素也有關聯，但無疑壓氣機性能不足是其中的重要原因。

衡量發動機性能的兩個最主要指標是單位推力、單位燃油效率以及推重比。M88-2E4的單位推力僅同F404-GE-402差不多，比起瑞典RMl2也是略有不及。和F414、EJ200相比則差距甚大。M88—2E4的推重比達到8.5，部分原因是因為其使用PMR—15熱固性聚醯亞胺樹脂材料製造外涵機匣，和鈦合金外涵機匣相比，重量可減輕23%～30%，成本減少28%。例如F136發動機採用與F110-GE－132發動機相似的複合材料外涵機匣，重量減少了9公斤：JTAGG驗證機的進氣機匣採用碳纖維增強的PMRl5樹脂基複合材料，較鋁合金材料減輕了26%。同時，M88的噴管魚鱗片也採用樹脂基複合材料製造。同類型號里只有F414使用這些材料，即便EJ200使用的也是化學銑切鈦合金機匣。然而在這種情況下，M88—2E4的推重比依然落後EJ200，相比F404與RM12提高的也很有限。和第4代大推力發動機相比，雖然M88的渦輪前溫度相差不多，但前者的推重比要求普遍在10左右，推力也遠大於M88。由此可見，壓氣機設計水平嚴重製約了M88的性能指標。由於熱力學循環參數同結構強度之間存在一定的均衡，在給定壓氣機總壓比的條件下，要保證一定的推重比指標，通常採用提高渦輪前溫度的辦法，但這樣會影響部件的壽命。要保證部件的壽命和可靠性，必須在原溫度下增加渦輪強度和耐溫能力，例如增加葉片厚度，不僅費用激增，發動機重量也要增加，推重比又要受影響。而單純增加壓氣機級數和部件強度的辦法，又會讓發動機的長度、重量增加。影響載機發動機艙的設計和重量配平。

未來發展

為了彌補M88的性能不足和"陣風"戰鬥機節節攀升的重量，斯奈克瑪公司加緊發展後續型號M88-3，通過把風扇進口流量從M88-2的65公斤增加到72公斤，M88-3的推力提高到90千牛。不過限於經費不足，M88-3可能要推遲到2010年之後才會配裝到“陣風”上。其實，與現在推力已達到90千牛以上的F414和EJ200相比，M88-3難說有哪些優勢可言。更重要的是，前兩者的發展型F414EDE與EJ230/270都達到120千牛推力級別，推重比高達11左右，屬於採用全新技術與結構的產物。如果F/A－18E/F與“颱風”今後分別裝備了上述兩款改進型號發動機，那么裝備M88—3的“陣風”在發動機和相關性能上的差距反而還會拉大。近來，由M88核心機發展來的A400M軍用運輸機動力——TP400-D6渦槳發動機屢次出現試驗故障，而且僅達到最大額定功率的75%，給本就延期的A400M項目雪上加霜。空客公司的母公司——EADS公司甚至威脅要凍結A400M的生產，讓人們對M88以及斯奈克瑪公司的能力又有了新的質疑。

M88採用了先進的材料與加工工藝，使用維護簡便可靠，但同時因為設計水平欠缺和沿襲較多參考機型的特點，以致其技術指標較為平庸，與同時出現的美、英新一代同類發動機有著不小的差距。因此，賦予M88發動機如“法國完全獨立研製的第4代先進發動機”等這樣的稱號，並不符實際。就如同號稱“第三代半戰機佼佼者”的“陣風”，其實只不過達到了F/A一18C/D“大黃蜂”和F—16後期型的同等水平一樣，說明法國的基礎工業水平距離歐美先進國家還有不小的距離。當然，作為斯奈克瑪公司一改傳統單轉子結構發動機的產物，M88的作用也是開創性的。它使得法國發動機的設計理念回歸到主流，而且還具有相當的改進潛力。

除了推力與推重比提高的發展型，法國還以M88核心機為基礎，衍生出商用大涵道比渦扇SAM-146和軍用渦槳發動機TP400-D6。與當年同美國人的合作相比，如今法國以M88為核心，作為SAM-146項目的主導者與俄羅斯合作，進入商用支線客機市場。斯奈克瑪公司30年間角色位置的轉變，充分見證了其利用國際項目的合作與分工、吸收先進技術與理念的成功經驗：在作好自身工作的同時，把所學轉為己所用，就可以有效提高自身水平，從次級合作者變成主要合作者，乃至主導者，並達成從提供低壓部件到核心部件的推進目標，贏得夥伴與市場、顧客的信任和尊重。

當然，M88的發展過程對於我們還有更深層的借鑑與啟示：在世界航空工業史上沒有跨越式發展這條路可走，要發展具備先進、可靠且高規範標準的航空技術與產品，除了型號項目的研製外。更需要有完善、堅實的工業基礎支撐。沒有工業基礎支撐的航空技術始終都只是無根之木，而這更需要各個行業，甚至幾代人共同的艱苦努力才能實現。