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 上统统使用 F100,只有韩国和新加坡的 F-15E 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。全寿命成本降低则为 21%。

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选手,而不是技术上更加超前的 YF-23 和 YF120。

普拉特·惠特尼 YF119
YF120

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。为了降低迎风阻力和提高高速推力,F119 采用了很低的涵道比,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。如前所述,涡扇由于外涵道的气流降低了喷气的温度和速度,提高了热效率,能产生更大的推力和获得更低的油耗,对于起飞、巡航、待机和亚音速加速尤其有利。但在超音速飞行时,即使不考虑涡扇迎风阻力较大的问题,降低的喷气速度也使得有效推力降低,涡喷对超音速飞行就比较有利。理想的战斗机发动机应该在低速时体现涡扇的特性,在超音速时体现涡喷的特性,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 是第一台变循环的战斗机发动机

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,一组把低风扇的排气分流一部分到外涵道,另一组把高压风扇的排气分流一部分到外涵道。这是一个很巧妙的设计。常规涡扇只有低压风扇,采用尽可能大的外涵道。这不光使得迎风面积增大,还使得驱动低压风扇的低压涡轮承受极大的载荷。如果低压涡轮妥善设计,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,高压风扇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。

YF120 有两组旁路活门

不过 YF120 在涡喷状态时,高压风扇后引出的主外涵道关闭,但低压风扇后引出的可调外涵道并不完全关闭,而是维持一股很小的气流。这是十足通用电气特色的“漏气涡喷”,外涵道气流不产生实质性的推力,只是用于冷却核心发动机的机匣。通用电气 YJ101 就是这样一种“漏气涡喷”,由 YJ101 发展而来的 F404 也保持了这个特色。

F404 是 GE 的经典之作

通用电气 YF120 的具体技术指标一直没有公布过,但一般认为推力、油耗等关键性能优于普拉特·惠特尼 YF119,但技术上过于超前,风险较大。为了控制 ATF 的风险没有选用是正确的,继续研发作为 F-35 的第二发动机来源也是正确的,不仅有利于充分利用已经研发的先进技术,促进竞争,也有利于保持航空工业基础。1996 年,美国以 YF120 为基础,开始研发 F136,通用电气和英国罗尔斯·罗伊斯负责研发。通用电气的 F136 在 1995 年到 2009 年之间共得到 24 亿美元拨款,其中 17 亿用于 2005-2009 年的 SDD 阶段。从 1997 年开始,F136 得到全额拨款,进入全速研发。F136 预计从 2011 年开始,装上 F-35 试飞。研发预计在 2013 年完成,计划在普拉特·惠特尼 F135 投产的 4 年后投产,形成择优采购的格局。1999 年,美国国防部明确了“直接换装”的要求,要求 F135 和 F136 在外形尺寸和安装要求上完全统一,可以不需更改直接换装 F135 或者 F136。由于和 STOVL 相关的部分(升力风扇、滚转臂喷口、三段式转向喷管、传动轴和离合器等)在 F135 和 F136 之间共用,这部分投资都算入 F135 计划,F136 因此投资相应减少,发动机样机制造数量和测试量也相应减少。

F136 结构图

在 2006 年,布什政府提议中止 F136 的研发,被美国国会驳回。此后连续 5 年,美国国防部每年都要求终止研发 F136,都被美国国会驳回,强令继续研发。在 2008 年金融危机后,财政拮据对国防预算造成空前压力,奥巴马和盖茨都强烈反对继续研制 F136 的计划,奥巴马甚至威胁,要是国会强加 F136 拨款,将否决整个国会拨款案。在 2010 年和 2011 年的预算案中,美国国会终于同意在预算中取消 F136 的研发拨款。美国国防部在 2011 年 4 月 25 日正式中止了 F136 的研发。通用电气和罗尔斯·罗伊斯提出用公司资金继续研发,但 2011 年 12 月 1日,通用电气和罗尔斯·罗伊斯联合决定停止公司自费研发。至此,F136 已经制造了 6 台样机,累计运行了 1,200 小时。

F135 发动机