现代战斗机通常采用涡扇发动机作为动力。涡扇发动机在涡喷发动机的基础上增加了风扇,风扇压缩空气后,一部分通过核心发动机,和燃料混合燃烧后,形成高温高压燃气,向后喷射而形成推力;另一部分绕过核心发动机,直接和核心发动机喷出的高温高压喷气混合,形成合成的推力。旁通空气的流道称为外涵道,通过核心发动机的流道就称为内涵道,外涵道和内涵道的空气流量之比称为涵道比,也称流量比或者旁通比。涡桨相当于涵道比无穷大的涡扇。

典型的涡扇结构
发动机大战
与涡喷相比,涡扇的推力大,省油,但迎风阻力大,喷气速度低,不利于高速飞行。所以战斗机涡扇发动机通常都采用低涵道比,在省油、大推力和迎风阻力、喷气速度之间折中。1968年开始研制的普拉特·惠特尼F100是第一代成功的低涵道比涡扇发动机,采用了单元体、单晶叶片等先进技术,1969年7月验证机首次运转,1970年4月获得美国空军的选用,1972年7月24日,装用F100发动机的F-15首飞,1976年1月开始作战使用。由于冷战军备竞赛的压力,F-15战斗机需要抢先投入使用,扭转苏联米格-23等新一代战斗机投入使用后对中欧美国空军造成的压力,F100没有经过适当的成熟化就投入使用,早期F100的可靠性十分糟糕,为此导致F-15大面积停飞,严重影响了战斗力。与此同时,单发的F-16也选用F100发动机,使美国空军对发动机可靠性问题更加忧心,而普拉特·惠特尼处于事实垄断的地位,成为美国空军高低两端第三代战斗机发动机的唯一供应来源。美国空军要求改善F100的可靠性和增加推力,但在军方拨款不到位的情况下,普拉特·惠特尼百般推托。1979年,美国国会在密集听证之后,决定拨款启动第二发动机供应来源,指令通用电气研制同一等级的发动机,这就是在B-1轰炸机的F101涡扇的核心发动机基础上研制的F110涡扇发动机。
通用电气在和普拉特·惠特尼竞争F-15的发动机时落选,但研制的F101涡扇发动机成为一代经典,其核心发动机不仅成为F110的基础,也成为民航世界中高度成功的CFM56的基础。在美国的两大发动机公司之间,普拉特·惠特尼比较善于短平快,用较低风险抢先推出适用的高性能发动机;而通用电气走豪华路线,追求技术完美和超前,技术风险较大,也经常后发一步,但这后发的一步引发了所谓“发动机大战”。
在1985到1990财年之间,美国空军在通用电气F110和普拉特·惠特尼F100之间竞争招标。F-15从F-15E开始,可以和F100或者F110相容,但美国空军所有的F-15统统使用F100,只有韩国和新加坡的F-15E改型使用F110。F-16从Block 30开始,可以和F100或者F110相容,发动机大战主要围绕F-16的发动机进行。1985财年,美国空军订购了160台发动机,其中F110为120台,F100为40台,通用电气占75%;1986财年,F110为184台,F100为159台,通用电气占54%;1987财年,F110为205台,F100为160台,通用电气占56%。普拉特·惠特尼从事实垄断一变为屡居下风,直到1988财年之后才扭转,F110为147台,F100为181台,普拉特·惠特尼占55%;1989财年,F110为100台,F100为159台,普拉特·惠特尼占61%;1990财年是发动机大战的最后一年,F110为39台,F100为70台,普拉特·惠特尼再占上风,为64%。6年中,通用电气夺取51%的订单,普拉特·惠特尼49%。美国总审计署估计,竞争节约了30%的累计采购费用,并节约了16%的累计运行和支援费用。全寿命成本则降低21%。


GE F110发动机剖视图
变循环先驱YF120
在ATF时代,洛克希德YF-22和诺斯罗普YF-23竞争,普拉特·惠特尼YF119也和通用电气YF120竞争,竞争结果是洛克希德YF-22和普拉特·惠特尼YF119获胜,成为F-22战斗机和F119发动机。说起来,一贯追求技术先进的美国空军在ATF竞标中选择了技术风险较低的YF-22和YF119,而不是技术上更加超前的YF-23和YF120,这反映了美国空军对冷战后期军备竞赛的急切感和过去技术冒进的心有余悸。
普拉特·惠特尼F119尽管采用了大量最先进技术,但还是常规的低涵道比涡扇发动机,以降低迎风阻力和提高高速推力,实际上使得高亚音速巡航不具有多少油耗上的优越性。F-22的加莱特进气口也是为超音速巡航而优化的。通用电气YF120是更加先进的变循环发动机,可以在涡喷状态和涡扇状态之间平滑过渡,兼顾亚音速时涡扇的省油特性和超音速时涡喷的高速特性,这就是所谓变循环,YF120正是第一台实现了这样理想的战斗机发动机。
YF120采用活门控制,可以打开外涵道,实现涡扇功能;或者关闭外涵道,实现涡喷功能。有意思的是,YF120有两组活门,一组把风扇的排气分流一部分到外涵道,另一组把高压压气机的排气分流一部分到外涵道。这是一个很巧妙的设计。涵道比等于外涵道与内涵道的推力之比,常规涡扇要增大外涵道出力的话,只有采用尽可能大的外涵道。这不光使得迎风面积增大,还使得驱动风扇的低压涡轮承受极大的载荷。如果像民用高涵道比涡扇那样对低压涡轮妥善设计,这本没有问题,问题出在变循环发动机的低压涡轮需要在涡扇状态把喷流的动能大量转换成驱动风扇的机械能,而在涡喷状态尽量少吃掉喷流动能,只转换足够驱动风扇和低压压气机的机械能。这样截然不同的工作状态使得低压涡轮的设计十分纠结,需要采用复杂的变距低压涡轮叶片来适应高度变化的负荷情况。但高压涡轮分担一部分转化为机械能的任务的话,可以为低压涡轮卸载,有利于简化设计。另外,高压压气机引出气流增加外涵道压力,可以等效为增加外涵道面积,提高涵道比。当然,代价不仅是结构复杂,而且高压压气机的效率受到损失。好在YF120即使在涡扇状态也依然只是低涵道比涡扇,综合权衡下来,得大于失。
