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作为飞机的故乡，美国的航空工业一直都比较发达。虽然喷气发动机并不是美国人的发明，但是战后诸多有关于涡轮发动机的前沿研究，都是由美国人提出的。除了仰仗强大的综合国力以外，美国最突出的就是有多种类、多层次、成体系的庞大预研计划和先进的组织管理方法。

从型号研制看预研

上世纪60年代，美国为加快先进发动机的研制，探索出预先研究燃气发生器（核心机）和验证机，之后过渡到工程发展（型号研制）和批量生产的航空发动机发展道路。美国普惠公司的F100便是这一发展途径的典范。F100是美国第一种为第三代战斗机研制的先进发动机，作为F-15和F-16战斗机的动力装置。该发动机具有高增压比、高涡轮前温度和低涵道比的特征，设计上采用较多的新材料、新结构和新工艺，如大量使用钛合金——重量占发动机总重量的25～30%。特别是在工程发展阶段，投入试验的发动机总数高达创纪录的114台，总试验时间约为18 000小时。从1959年到1969年，为发动机预先研究阶段，花费了10年时间，完成了达标的核心机（LWGG燃气发生器和STF200燃气发生器）与验证机（JTF16验证机和JTF22验证机）的研制。随后又用了4年时间，从1970年至1974年，完成了发动机的研制、定型和开始交付的工作。但由于设计上的一些缺陷，导致装备初期故障频繁，随之进行了重大改进，至1995年，已经生产交付6 000多台发动机，迄今仍在装备和不断的改进中。

由于早期F100发动机的故障率偏高，导致大批飞机停飞，美国空军决定采购通用电气公司的F110发动机作为补充和替代，形成了美国第三代战斗机中两种同类发动机并用的局面。与F100发动机不同的是，F110发动机来源于1959年美国空军实施的轻重量燃气发生器计划（LGG），后来改称先进涡轮燃气发生器计划（ATEGG），通用电气公司在该计划的支持下，于1964年制成首台技术试验核心机GE-1，并于同年底开始试车。随后，GE-1核心机分化出GE1/6和GE1/10两台发展方向不同的核心机，前者最终发展为运输机使用的TF39大推力涡扇发动机，并进一步发展出CF6涡扇发动机；而后者继续发展成为了包含F101、F404、F110、CFM56等发动机在内的庞大家族。可见，如果没有上世纪60年代初的GE-1核心机以及接下来20多年持续不断的研究和发展，通用电气公司是不可能在短短几年的时间内，拿出可以替代F100发动机的F110发动机来的。

作为美国第四代战斗机的动力装置，F119发动机是先进战术战斗机发动机计划（ATFE）的产物，作为第一种推比为10的实用发动机，由于采用了大量新技术，其相关部件研究早在1973年就已经开始，从1978年至1985年，是该发动机的核心机和技术验证机试验阶段，从1985年至1991年，是该发动机的型号验证机试验阶段，从1991年至1998年，则是工程和样机制造阶段。从部件技术预研到样机交付使用，共用了25年的漫长时间，与之相比，上一代的F100发动机只用了15年的时间。由此可见，随着新一代的发动机性能要求不断提高，其预研阶段的准备时间也越来越长，相关部门必须提前启动发动机的预研工作，否则在研制新型战机的时候，就很有可能陷入无机可用的窘迫局面。

综合高性能涡轮发动机技术计划

时光行进到上世纪80年代中，尽管美国在F100和F110的研制中取得了极大的成功，而且推比为10、为先进技术战斗机计划（ATF）配套的第四代发动机PW5000（XF119）和GE37（XF120）工程也正在顺利进行，但美国人并不满足于已经取得或者即将取得的成绩，而是把目光投向了新世纪。

在美国国防部的推动下，美国空军、国家航空航天局（NASA）、国防部高新科技预研局（DAPAR）、陆军和海军共同制定了综合高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET），其总目标是从1988年到2 003年（后延长至2005年），使美国航空涡轮发动机的推重比提高一倍， 耗油率下降30～40%，成本降低35%，载机在M数大于 3 的飞行速度下，具有持续飞行能力。

IHPTET计划自1988年开始实施以来，按三个阶段目标实施，第一阶段为1988-1991年，第二阶段为1991-1997年，第三阶段为1997-2005年，要求三个阶段分别实现总目标的30%、60%和100%。而IHPTET计划本身又分为涡扇/涡喷发动机、涡桨/涡轴发动机和一次性使用发动机三个基本部分，分别命名为先进涡轮发动机燃气发生器计划（ATEGG）、联合涡轮先进燃气发生器计划（JTAGG）和联合短寿命涡轮发动机概念计划（JTTEC）；涡扇/涡喷发动机部分后来又增加了联合技术验证机发动机计划（JTDE）。

下面以涡扇/涡喷发动机部分为例，简介IHPTET计划的进展：

第一阶段：普惠公司为第一阶段主承包商，通用电气为备选承包商，主要验证机为XTE65-1/2，推重比12左右，验证小展弦比后掠风扇、C型阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷式封严、陶瓷复合材料火焰筒浮壁、“超冷”涡轮叶片和球形收敛调节片矢量喷管技术。

第二阶段：通用电气和艾利逊联合研制小组为第二阶段的主承包商，普惠为备选承包商，主要验证机为XTC16/1A 和XTC16/1B核心机，验证压气机整体叶环结构、涡轮整体叶盘、耐热700～800°C的γ钛铝合金、周向分级燃烧室和陶瓷轴承等技术。

在1996年左右，通用电气和艾利逊又联合完成了XTC76-1/2变循环核心机的研制，采用5级压气机和1级涡轮，采用的新技术为先进的2级变弯后掠风扇、无级间导向器对转涡轮、陶瓷金属基复合材料低压涡轮轴和镍铝合金涡轮部件，并且在此核心机基础上在1998年左右完成了推重比16左右的XTE-76变循环（ADVENT）验证机的研制。

普惠的下一代发动机PW7000的验证机XTE-66于1999年完成，推重比16左右，其相比于F100-PW-229，长度要缩短40%，压气机级数由10级减为4级，但压缩比不变，加力耗油率下降30%，成本降低30%左右。

第三阶段：普惠的第三阶段验证机为XTC-67核心机和XTE-67验证机，试验推重比20左右，验证了单级分隔式叶片风扇、金属基碳化硅材料高压压气机、钛铝金属间化合物转子/定子、燃烧室主动温度场控制、玻璃纤维陶瓷基复合材料火焰筒、陶瓷基复合材料涡轮导叶、无导叶的对转低压涡轮、双辐板涡轮盘、旋流加力燃烧室、磁性轴承、气膜轴承、内装式整体起动/发电机和模型基分布式主动稳定控制系统。其部分成熟技术将用于F135-PW-100/400/600的改进，可以提高后者20%推力。通用电气/艾利逊公司在第三阶段中制造了XTC-77/1核心机和XTE-77/1验证机，推重比20左右。

到1992 年，IHPTET计划第一阶段的涡桨/涡轴和一次性使用发动机的指标已基本实现，唯有涡喷/涡扇发动机的目标仅实现80%。但IHPTET计划的管理者没有等到第一阶段指标完全实现就及时开始了第二阶段的关键技术的研究。结果，到1994年，不但第一阶段目标已全面完成，而且，预定1997年才能完成的第二阶段核心机关键技术已经实现，到1998年，已基本达到了第二阶段的指标，并且第三阶段的一些项目也已经取得阶段性成果。

但到2005年计划结束时，IHPTET计划并没有全部达成计划初期的设定目标。综合来看，推重比目标未能达成预期的增加100%，只达到了70%；燃烧室进口温度也仅增加了33K；只有生产费用和维护费用的下降情况实现得比较好，分别为32%和31%，与预期的下降35%较为接近。考虑到冷战结束后世界环境趋向和平，美国军费开支大幅度削减、经济型先进涡轮发动机计划（VAATE）已经上马的大背景，IHPTET计划取得的成果已经蔚为可观。

在计划持续的17年内，IHPTET计划的总经费约为50亿美元，平均每年约为3亿美元，政府拨款和工业部门投资各占一半，较为充裕的经费是实现IHPTET计划目标的重要保障之一。

IHPTET计划成果的转化应用

IHPTET计划并不局促于先进技术的研究，而且注重及时进行应用、转移。目前为止，已经有多种美国现役发动机应用了转移的IHPTET计划成果，性能有了极大提高。

F110-GE-134是应用IHPTET计划成果的一个典型，其推力为151.4千牛，较原推力为129千牛的F110-GE-129提高了17%。该发动机采用F414发动机上气冷径向火焰稳定器和喷射技术的加力燃烧室，通过这种低成本的衍生发展途径，不仅发动机推力明显增大，同时还使得发动机的耐久性提高，寿命延长，总维护成本降低。

F414EDE是F414-400的改进型，其前身是IHPTET计划下利用F414发动机发展而来的XTE77先进技术验证发动机。通过采用3D气动设计的高压压气机，使流量增加5%，效率提高3%，翻修间隔由4 000小时延长到6 000小时；采用低排放燃烧室，使碳排放量明显降低；采用3D气动设计和先进冷却的高压涡轮，使进气效率提高2%，最大工作温度提高65℃，疲劳寿命由2 000小时延长到6 000小时。采用上述技术后, F414EDE的推力较目前F414-GE-400增大20%，热端部件寿命延长2倍。

目前美国空军现役最先进的F119发动机也大量采用了IHPTET计划成果，如大功率超冷却涡轮，单晶涡轮叶片和导叶，空心、耐疲劳的整体叶盘转子风扇，环状带浮动壁燃烧室、复合材料风扇定子、刷式封严、改进的发动机控制器等。通过采用这些技术，使得F119的耗油率减少了2～3%，推力增大10%，并降低了寿命周期成本。

经济型先进涡轮发动机计划

新一代的涡轮发动机不但需要继续提高性能，更重要的是必须降低费用，包括了研制费用、采购费用和维护费用。为此，在1999年，在IHPTET计划业已取得部分重要成果和成功经验的基础上，以NASA和DAPAR为主导，制定出了一个延续到2017年的推进技术长期发展计划，这就是IHPTET计划的后继计划——经济型先进涡轮发动机计划（VAATE）。

作为IHPTET计划的延续和发展，VAATE沿用了IHPTET的成功经验，即以国家主管部门为主导，保持稳定而且持续的投资，明确关键技术目标，制定明确的验证目标作为各研究阶段的里程碑，依靠主管部门、工业界和学术界的密切合作，以渐进的方式分阶段进行持续的技术开发、验证和转移，注重开发军民通用技术以降低推广应用成本等。同时，VAATE计划的研究与应用范围进行了明显的拓展，组织结构也进行了重组和优化，从而为实现研究目标提供了良好的保障。

VAATE计划的发展重点是经济可承受性，要求在大力推进发动机性能提高的同时，大幅度降低生产和维护成本，通过开发、验证经济可承受的多种用途核心机技术，再从核心机研制出更高性能、更高寿命和更低运行费用的民用和军用涡轮发动机。其目标是：2003年－2017年，开发出革命性和创新性的技术，以F119发动机为基准，大幅度降低涡扇/涡喷发动机的采购和使用成本，推重比（无加力推力）提高200%（从6.4提高至20），耗油率降低25%，研制、生产和运行维护的总成本降低60%。

相对于IHPTET计划主要针对于狭义的涡轮发动机，VAATE计划从一开始就明确了更加宽广的应用领域，这些应用领域不仅包括军用、民用航空器，还包括非常规的革新式飞行器以及使用燃气轮机的舰船和发电设备等。

为了适应更大的研究范围和综合目标，VAATE研究计划的组织结构充分借鉴了使IHPTET计划取得巨大成功的一些经验和特性。例如：由政府、学术界和工业界进行大合作；由政府部门和工业界高层领导组成的指导委员会进行监督和指导；利用联合技术验证机研究计划，对先进发动机方案、设计工具、性能、寿命和费用等方面的改进设计进行验证。同时，在IHPTET计划组织结构的基础上，对 VAATE研究计划的组织结构的参研单位和技术工作组织方面进行了调整和优化。

与IHPTET计划采用自下而上（从部件到整机）的方法不同，VAATE计划采用自上而下的方法组织技术开发和验证工作，通过强调高性能和低费用来保证实现经济可承受性的目标。为此，VAATE计划的参研单位不仅包括军用部门和涡轮发动机公司，还包括政府部门和飞机机体制造商，构成了一个庞大的一体化团队，可以在国家层面制定涡轮发动机研制战略，也可以在参与研究的机构中融资，为推进系统和舰船/发电燃气轮机的技术开发和验证提供强有力的组织和经费保障。

为了实现VAATE计划目标，制定了更具体而实际的技术实施措施，通过开发验证和转移革新低费用和通用的发动机技术，使发动机的综合能力提高并降低研发费用。在VAATE计划下，共设有智能发动机、通用核心机和耐久性三个关键领域工作组，共同为超声速多用途战斗机、未来的旋翼机、长航程攻击机、超声速导弹、无人机、洲际远程运输机和舰船燃气轮机开发和验证通用性技术，以提高发动机的经济可承受性。

在智能发动机工作组，开发、验证和转移先进空气动力学、飞机与发动机一体化、进口与喷口一体化、先进材料、革新结构、主动控制、发动机健康管理等技术，将实时诊断和人工智能技术结合在一起，研制并综合发动机状态和寿命治理特征的技术，实现对发动机的健康治理，以使现役、在研和未来的有人和无人飞行器发动机的性能、可靠性、生存能力提高，寿命延长，进而使其经济可承受性提高。这正是VAATE计划的核心内容，为此，NASA在2006年制定的《民用航空技术10年规划》中，特别将“维修间隔期能够自我诊断和重新构型的智能发动机和机械动力系统”、“经济可承受的新型传感器”等确定为未来10年美国在民用航空领域具有挑战性的研究与技术发展项目。

在通用核心机工作组，通过采用先进的气动设计技术、先进材料和革新的结构，开发和验证高压比高压压气机、先进的机械系统和先进的燃油系统、均匀混合且燃烧的高性能燃烧室、高效涡轮，进而研制通用核心机，再进一步发展更高性能 更高耐久性和更低费用的军民两用发动机验证机，直到研制出各种用途的涡轮发动机，以满足从运输机、战斗机到导弹和无人机的多种飞行器的创新与发展要求，进而使发动机用户采购费用降低，经济承受性提高。

在耐久性工作组，提前开发结构分析、热端部件气动热力评估、低费用寿命估算、材料、涂层、加工与修理、无损探伤、测试等先进技术，使发动机的零部件降低磨损，寿命延长，可靠性与维修性提高，维护费用降低，进而使其经济可承受性大大提高。

可见，通过上述三个工作组的密切配合，可以有效降低未来涡轮发动机的总成本，从而实现经济可承受性大幅度提高的最终目标。

按照VAATE计划的时间表，从2003年开始部分实施，至2005年开始全面实施，第一阶段为2003年-2009年，第二阶段为2009年-2013年，第三阶段为2013-2017年。目前，VAATE计划每年度的支出约为3亿美元，与IHPTET计划大体相当。

在VAATE计划第一阶段，通用电气公司以F136发动机为基础，开发和验证大型涡扇发动机验证机，作为适应性多用途发动机技术（ADVENT）研究计划的起点；普惠公司以F135发动机为基础，开发和验证大型涡扇发动机验证机XTE68/LF1，重点验证先进的涡轮叶型材料、热障涂层、预诊性健康管理技术等下一代热端部件技术，以改进更高温度且更大推力的F135发动机。另外，普惠公司还以民用发动机核心机为基础，匹配先进的风扇和一体化起动机/发电机，开发和验证XTE67/A1发动机验证机，以重点验证系统集成技术。

在规划VAATE计划第二阶段的工作时，将加力燃烧室设计系统、涡轮发动机技术转移和综合热管理系统3个方面列入了关键领域，进行重点开发和验证。与此同时，在第一阶段对于高速涡轮发动机、高马赫数涡轮发动机、先进的经济可承受的涡轮发动机等革新性发动机进行了初步开发，方案较为成熟者，列入第二阶段重点开发目标。目前，ADVENT 和HEETE作为VAATE计划的两大基本模块得到了最大的关注和发展，前者主要着眼于变循环技术，所研制的自适应循环发动机将用于下一代超声速战斗机的动力，预计将在2020年-2022年投入使用；而后者主要着眼于高温和高压比压气机技术，面向的装机对象为下一代的运输机、侦察机和无人机等亚声速飞机。

结语

在经过最近约20年举国上下齐心努力的发展之后，美国涡轮发动机技术的研究与成就已经远远超越了欧洲和亚洲的同行们。特别是在研究过程当中，美国不单单局限于本国企业之间的竞争，而且还有选择地吸纳了欧洲的重要企业参与，不但进一步刺激了本国企业参与竞争的意愿，而且有效吸取了其他国家的先进技术，将国际协作、取长补短的优势发挥到了极致。在可以预见的将来，美国仍将维持其在涡轮发动机领域的领先地位，其发展的历程，亦足以作为后起国家追赶的借鉴。

责任编辑：王鑫邦