美国F-22战机的“心脏”：F119发动机有何特点？

一、引言

作为美国最先进的隐形战机：“猛禽”F-22战斗机，已经在2001年完成了全部的研发，并于2005年开始正式服役，这也是世界上第一种服役的第五代战斗机。F-22战机从诞生起就成了行业的标杆，超机动性、超音速巡航、超视距攻击、良好的隐身性能构成了现代五代机的4S标准。

F-22战机

F-22的超机动性与超音速巡航都在很大程度上都得益于其装备的F119-PW-100（以下简称F119）先进的的涡扇发动机。F119也是当今世界上，最为先进的航空发动机。时至今日，它仍然是世界战斗机动力装置的领头羊，并直接影响了21世纪前几十年战斗机发动机的发展方向。

二、F119发动机的研发概况

1980年，在世界航空领域拥有先进地位的美国空军，率先在国际上提出了先进战术战斗机发动机的概念。于是，在次年的5月份，美国空军就向有关工业部门，颁布了要研制的先进战术战斗机的需求，这些需求包含了不加力状态下的超音速巡航、1500英尺的短距离起降、推力矢量控制等。同时，还邀请了美国各大航空发动机公司共同出席讨论会议，并进行有效竞争。

F119发动机剖视图

与F119相竞争的YF120发动机为变循环发动机，YF120的风扇、压气机均比F119少1级，且高低压涡轮间无导向叶片，因此YF120比F119少5排叶片。YF120发动机在2级风扇后有一可调节的外涵出气环，在高压压气机中，第一级工作叶片做得比较长，称之为核心机传动的风扇，其后有流向外涵的出气环，在工作中始终是打开的。在低工况时，两个外涵道均打开，使涵道比加大以获得低的耗油率；在大工况时，2级风扇后的可调节放气环关闭，发动机成为小涵道比涡轮风扇发动机，以增加单位推力。风扇到核心机间的压力匹配是通过装在加力燃烧室前的可变面积涵道引射器将外涵气流引向加力燃烧室来达到。可变面积涵道引射器除对加力燃烧室隔热屏进行冷却外，还将外涵多余的气流引射到尾喷管喉道前的排气气流中，以加大推力。

YF120发动机

不过在长达11年不断的研发和实验之后，在1991年4月，美国空军部正式宣布，普惠公司在动力系统的竞争当中全面胜出，原因是因为，该公司在技术方案和成本方面，拥有绝对的优势。此后的8月份，普惠公司成功制造了9台验证发动机，并进行了长达7400小时的验证实验，最终首台EMD型F119发动机在1992年11月开始进行试验，首次飞行试验则在1996年7月完成。一直到2005年12月，F119发动机完成了所有必要的测验和评估，正式装备F-22战机。

三、F119发动机技术分析

1、完备的检测系统

F119发动机的总重量达到了1360千克，涡轮前燃气温度达到了1850-1950K。F119发动机主要包含了风扇、低压涡轮、尾喷管、核心机、加力燃烧室、附件传动机匣等6个不同的单元体，同时，还有全权限数字电子控制系统，以及发动机检测系统等，主要是为了随时监控发动机是否会出现突然故障，保障发动机的正常运行。

2、特殊的风扇叶片

F119当中的第一级风扇叶片，采用了宽弦、空心设计而成，整个叶片由叶盆和叶背两块性板经过扩散连接法，连接成为完整的叶片，在连接前，先将两板结合处纵向挖出几条明显的槽道，并形成空腔。钛合金制的三级风扇转子则是均采用整体叶盘结构 , 运用线性摩擦焊的加工方法来实现。 为了保证风扇机匣刚性能够实现完全的一致、叶尖间隙均匀，风扇机匣特意设计成了整环的、风扇转子也做成了可拆卸的，也就是说二级盘前后均带鼓环，它们分别与一、三级盘连接。

F119的第一级风扇叶片示意图

F119发动机的高压压气机还运用了进口导叶与一、二级导叶可调节的设计而成，前机匣运用Alloy C阻燃钛合金，以降低整体的重量，此外，为了能够增加高压压气机出口处机匣的纵向刚性，整个燃烧室机匣选用了双层结构来打造，即外层是传递负荷用的，内层则仅仅作为气流的包容环使用。后来，这种设计被广泛运用在了大型的涡轮风扇发动机当中。

3、F119发动机的涡轮

F119发动机的高压涡轮工作叶片，其选用的是普惠公司的第三代单晶材料制作而成，拥有先进的气膜冷却技术。涡轮盘采用了双重热的处理方式，用来适应外缘与轮芯的不同要求，外缘部分采用了提高损容限能力的热处理，整个轮芯的部分，则选用了提高强度的热处理。值得注意的是，这种在一个零件上，同时选用两种要求的热处理的办法，直到现在都相当罕见。

F119发动机的低压涡轮了，整个低压涡轮和高压涡轮的转向刚好完全相反，因此，当整个战斗机在做机动飞行的时候，作用于两转子上的陀螺力矩会大部分进行相互抵消，在这样的作用力下，就能够减少外传到飞机机身上的力矩了。另外，对装在两转子中间的中介轴承，当轴承内外的转向是相反的时候，将能够大大降低保持架与滚子组合体的相对内外环转速，也就是说，能够增强封严的难度。

4、F119发动机的尾喷管

F119发动机的尾喷口可以上下偏转，从而改变喷气方向，使得飞机获得额外的控制力矩这就是所谓的推力矢量技术。其突出特点是控制力矩与发动机紧密相关，而不受飞机本身姿态的影响。不采用推力矢量技术的飞机，发动机的喷流都是与飞机的轴线重合的，产生的推力也沿轴线向前，这种情况下发动机的推力只是用于克服飞机所受到的阻力，提供飞机加速的动力。利用气动舵面进行操纵的常规飞机在迎角超过20-30°时已经无法稳态控制。而试验证明，推力矢量飞机能在迎角大于70°时实现可控飞行，从而可以实施一系列有实战意义的过失速机动动作，如赫布斯特机动、榔头机动、大迎角机头快速转向和大迎角侧滑倒转机动等。能做这种机动的飞机在交战时便于占据有利位置。因此，矢量发动机可以保证在飞机作低速、大攻角机动飞行而操纵舵面几近失效时利用推力矢量提供的额外操纵力矩来控制飞机机动。

F-22的尾喷口可以上下偏转从而获得控制力矩，增强飞机的机动性能，但是推力的损失也比较大。

5、良好的维修性能

最后，则是发动机的可维修性了，F119的发动机在设计的时候，都会让附件包括燃油泵的控制系统作为场外可换组件，而所用工具仅仅为11种标准的手动工具，在外场维修的时候，进行拆装的固件不用开口销，而采用B型落幕，拧紧螺母的时候，可以不用限扭扳手。而孔探仪的座控则设计成了无螺纹内置式，所有的导管和导线都用了不同的颜色可以进行区分。滑油箱内，也装有可以直接进行目视的油位指示器，连接件设计成了可以快速进行拆卸和组装的模式，这种突破在历史上也算是相当具有标志性意义的。

四、F119发动机加持下的F-22

对于之前的普通的喷气发动机而言，要想使得飞机获得超音速的飞行速度，发动机都是要开加力的，也就是在尾部再喷一次油，再进行一次点火燃烧。这会使得飞机的耗油率大增，一般只能持续几分钟，所以只能用于紧急情况下的快速机动。不可能长时间以这种状态巡航飞行。

而F-22战斗机上标配的2台F119发动机，能够在不加力状态下，以马赫数大于1.4的速度进行持续飞行，快速接近战区，并实现高空成功突防，这意味着，飞机的整体作战能力，将于运用普通喷气发动机的战斗机，有直接的区别。F119发动机直到今天，仍然算是战斗机动力装置当中，一次伟大甚至是革命性的成功和进步。在此基础上，后来美国又开发出的F-35的发动机更是登峰造极。

五、结语

作为美国普惠公司为20世纪90年代美国先进战斗机F-22研制的小涵道比双转子加力涡扇发动机，整个F119的研发充分汲取了之前其他发动机所有的经验和教训，并且，还实现了低风险、一体化的成功研制，整个发动机的风险管理以及工程策略与方法，都是相当成功的。直到现在，F119发动机，仍然是整个美国乃至世界上，屈指可数的先进且高效的战斗机发动机。

（文/云端风火）