服役初期多磨多难

  F-15 战斗机在美国各界殷切的期盼下交付空军使用了,然而在随后的使用过程中发现 F100 存在许多影响可靠性的严重问题,直接危及飞行安全,这令使用者和设计者们伤透脑筋!据统计从 F100-PW-100 正式投入使用到 1979 年 4 月,空军共使用 1,100 余台发动机,累计工作时间超过 25 万飞行小时,综合故障率为 2.688/1000EFH(发动机飞行小时),造成 1979 年缺少 90~100 台发动机,而 P&W 公司零备件供应不足更使得 F-15 不能处于战备状态,导致大批飞机 “趴窝”,成为当时美军最棘手的问题之一。

1974 年 2 月2日,YF-16(装一台 F100-PW-100 发动机)在 Edwards AFB 进行了首次飞行

  F100 服役初期所发生的问题主要有悬挂失速,燃油泵、涡轮转子、静子多次出现可靠性问题(如涡轮叶片超温、烧伤、断裂)等。造成F100发动机可靠性、耐久性不高的原因是多方面的,但有一点可以肯定,当初在设计时单纯追求推重比指标而忽视发动机可靠性、耐久性、维护性的指导思想应该是主要根源。

  Raymond.M.Standahar(时任 Government Exec. Dept. of Defense )在 F100 发动机设计要求中指出,由于前代发动机的局限,往往成为飞机设计过程中的主要障碍,因而要求 F100 的性能指标必须有大幅度的提高。军方也曾公开表示,如果必须有所取舍,那么(发动机指标)优先顺序就是:“推力、重量和其他”。

  从表 2 的数据可以看出, F100 的性能指标较上代有了质的飞跃,尤其是在跨/超音速条件下的性能。所装配第三代空中优势战斗机的推重比都超过了 1,因此具备很强的机动性能,飞行包线也相当宽广。正是由于飞机的高机动性特点,在使用中要求能快速来回推、拉油门杆,这就使发动机转速、温度发生急剧的变化,从而导致主要部件承受多变的应力循环,像这样的应力循环变化相当频繁。然而在设计 F100 发动机时,设计师们没能预料到发动机在新的工作条件下所承受的大负荷,还是根据过去的经验以简单的飞行时数作为设计基础,而且当时也没有一个计算模型能准确预测发动机的无故障周期。

  由于发动机的研制时间极为紧张,P&W 不得不将某些试验安排在原型机科研试飞阶段去完成了,因此在部件可靠性、维护性等试验方面存在“明显的没吃饱”现象。其实早在 1970 年 6 月 P&W 就曾在一份写给 JEPO 的信件中提出,请求批准利用 B-45 飞行台进行发动机的试验试飞工作,但 JEPO 在回信中以费用昂贵为由予以拒绝。令人感慨的是当时提出的试飞科目恰恰就包括了 F100 “阿喀琉斯脚踝”所发生的包线区域。

  此外 5007 通用规范中考核试车项目比较适合于寿命较短、工作工况变化少且并不十分剧烈的发动机,比如 QT150h 主要是考核发动机在“最长稳态时间内的高温工作能力,而不是考核多次循环下的工作能力”。

  F100 性能指标的跨度大,而研制时间又大幅压缩,这也就难怪会在服役初期发生这么多问题了。

  然而当新机面临诸多问题急待解决之际,P&W 公司却使出了一个大昏招!面对军方焦急的心情,P&W 公司却表示他们已经满足了当初设定的型号规范要求,反而进一步向空军提出了发动机维护费用昂贵的问题。他们表示公司准备帮助军方解决这些问题,但前提必须是政府答应全额“买单”!

  P&W 此举彻底激怒了原已十分窝火的空军将领们,他们感到 P&W 公司非常的“傲慢和不负责”、“只重视合同条款的法律解释以及最大程度地获取收益”。

  不过当空军开始另觅解决方案时,发现几乎没有可行的选项,而 F-15、16 定下的服役时间表却无法更改,到头来空军还是得依赖 F100。P&W 深知这点,因此抱定一个拖字诀、静待对方做出让步。到了 1979 年,情况更为严重。当时 P&W 的两家主要转包商发生了罢工事件,导致发动机产量无法满足需要,新出厂的 F-15 空优机在交付时却成了“空心机”!在这样的背景下,空军下定决心尽快改变三代机动力由 P&W 一家“通吃”的局面了。

来自 GE 的挑战

  当老冤家 P&W 志得意满之际,GE 却在军用发动机的竞赛中屡尝败绩,相继丢失了空军三代机动力的合同后,当时仅有的大型发动机研制项目就是为 B-1 战略轰炸机配套的 F101 工程。然而当 F101 准备投入批量生产之际,厄运再次降临——1977 年 6 月卡特政府决定取消 B-1A 项目。所幸的是军方在后续工程发展计划的名义下继续支持发动机项目的进行,保住了来之不易的型号(三十年后再回顾这段历史,仍旧为 F101 感到庆幸、更叹服美国空军的远见!)后续试验的主要目的是加速发动机的成熟、延长零部件的使用寿命并降低生产和后勤保障费用。F101 在研制过程中全面贯彻了美军于 1969 年制定的“发动机结构完整性大纲”(ENSIP)[注 5],截至 1981 年发动机地面试验累计达 40,000 小时以上,飞行试验 7,600 小时,因此发动机的“三性”(可靠性、耐久性、维护性)有了充分的保证。

装备 B-1B 轰炸机的 F101-GE-102 发动机结构图

  [注 5] 据美空军统计,上世纪 60~70 年代发生的飞行事故中,由于发动机疲劳、蠕变、耐久性等原因造成的约占四分之一。在这种背景下 1969 年空军提出发动机完整性大纲(ENSIP),当时是 F101 发动机投标要求中的是一份结构大纲,1972 年这份大纲的准则被 MIL-E-5007D 通用规范采纳,1984 年又颁布了更新的大纲——MIL-STD-1783。ENSIP 是对发动机设计、分析、研制、生产及寿命管理的有组织、有步骤的改进措施,其目的在于通过显著减少发动机在使用过程中发生的结构耐久性问题,确保发动机安全,延长使用期限降低寿命期成本。