摘要
为深入研究美国战斗机发动机研究计划下开发和验证的先进技术与产品研制的关系，对美国战斗机发动机相关研究计划采取自定义的研究方法，重点以美国PW公司第4代战斗机发动机F100和第5代战斗机发动机F119为研究对象，针对这2型发动机的全寿命期，以及与其相关的各类型研究计划进行系统分析。面向全寿命期的研究计划保障了战斗机发动机在全寿命期始终拥有先进技术；面向全寿命期特定阶段的计划既可提高发动机可靠性和性能，又可保障发动机定型后有充足的研制费用。结合美国战斗机发动机研制的经验，提出对中国战斗机发动机发展的启示，即航空发动机研究计划不能仅在预研阶段和型号研制前期实施，而应该贯穿型号研制的整个全寿命周期，为型号研制全寿命期提供先进的技术和经费，从而保障型号的顺利研制和有效服役。
关键词
战斗机发动机；型号；全寿命周期；研究计划
00
引言
美国军用航空发动机型号研制历经一系列教训之后，自20世纪70年代开始采取按时间分阶段的全寿命管理方法，并在美国军用发动机采办和研制过程中贯彻实施。按照美国国防采办标准和军用航空发动机通用规范MIL-STD-3024对全寿命阶段提出的要求，军用发动机的全寿命阶段可划分为装备解决方案分析、技术开发、工程与制造研制、生产与部署和使用与保障等阶段。分阶段的管理方法能够使得军方对供应商的考核更明晰，每一阶段经过评审后才能进入下一阶段的做法，保证了产品的质量并降低了研制费用，使得美国军用发动机的采办和研制更加规范、高效。美国与战斗机发动机有关的研究计划繁多，如综合高性能涡轮发动机技术（Integrated High Performance Turbine Engine Technology,IHPTET）计划、通用的可承受得起的先进涡轮发动机（Versatile Affordable Advanced Turbine Engines,VAATE）计划和部件改进计划（Component Improved Program,CIP）等，这些计划针对保证发动机产品先进的目标和面向解决发动机外场面临的问题而开发和验证先进或新技术，在保障美国战斗机发动机先进性方面发挥着重要作用。
关于美国军用航空发动机全寿命管理和先进研究计划的公开文献，仅就全寿命管理过程和研究计划的实施过程进行了阐述，通过研究美国军用航空发动机全寿命管理过程，并结合中国实际，提出针对中国发动机全寿命管理的建议[3]，或者仅描述美国研究计划的实施过程和内容[4]等，而没有将全寿命管理过程和研究计划的实施过程结合起来研究，也没有深入研究美国实施的各类型研究计划与军用发动机全寿命管理的关系。
本文从美国战斗机发动机型号研制的全寿命管理过程及研究计划的实施过程出发，尝试将战斗机发动机研制有关的各类研究计划与战斗机发动机产品全寿命研制相关联，探讨研究计划在型号的全寿命期内的作用和保障，从而深入理解研究计划与全寿命管理的关系。通过探寻并分析美国战斗机发动机研制的成功经验，进而提出对中国航空发动机产品研制的启示。
01
美国战斗机发动机型号研制与技术研究计划
1.1美国战斗机发动机型号研制
美国航空发动机的研制，历经仿制—改进改型—“武库法”研制策略—预先发展的“配套发展法”—片面追求性能等一系列经验教训后，于20世纪70年代，开始针对发动机研发管理体系、设计权衡、研制程序和方法采取相应改革措施。70年代末，美国战斗机发动机界，总结和吸取TF30、TF33、F100-PW-100等发动机仅重视性能、不重视可靠性及维护性的经验与教训，加深了对战斗机发动机研制道路与规律的理解和认识，开始对战斗机发动机研制实施按时间分阶段的全寿命管理。
美国第4代战斗机发动机的研制，尚没有按照全寿命管理理念和方法进行，研制阶段仅包括飞行前鉴定试验和合格鉴定试验2个阶段。当时，更多地关注性能，而没有将可靠性、耐久性和维修性等指标放在与性能同等重要的地位，结果导致F100-PW-100发动机投入使用后故障频发。
美国第5代战斗机发动机的研究和发展完全按照全寿命管理理念和方法进行，细化了阶段划分，并将可靠性、耐久性、维护性与性能同步进行考虑。以F119发动机研制为例，1980年开始了针对产品需求的核心机研制，1983年开始技术验证机研制，1986年开始型号验证机研制，1991年开始工程和制造研制，1999年10月完成空军鉴定，2002年7月获得初始使用许可，2005年12月具备初始作战能力，2013年1月停产，目前仍在服役。F119发动机的全寿命管理过程如图1所示。
F119的全寿命研制过程完全按照美国武器装备采办管理和军用航空发动机通用规范要求细化其研制阶段。F119发动机的研制过程，是吸取了美国四代机的研制经验和教训，贯彻科学合理的推进系统完整性大纲的结果；是体现美国战斗机发动机研制道路更规范更成熟的典型代表；也充分体现了美国战斗机发动机研制能力的跃升。
美国从第4代发动机发展到第5代发动机，航空发动机的研制理念已趋于完善，全寿命管理的思想已趋于成熟，在按阶段进行型号研制的过程中，研究各类研究计划对型号成功研制的支撑作用会更直观。
1.2美国战斗机发动机技术研究计划
美国制订的与战斗机发动机有关的研究计划种类繁多。本文所描述的计划，是指对战斗机发动机全寿命按阶段研制起作用的计划，包括面向全寿命期各阶段和面向全寿命期特定阶段的计划2方面。面向全寿命期各阶段的计划又分为2类：第1类，是向全寿命期提供先进且成熟的技术的综合性计划，如先进涡轮燃气发生器（Advanced Turbine Engine Gas Generator，ATEGG）计划、飞机推进分系统集成（Aircraft Propulsion Subsystem Integration，APSI）计划、联合技术验证机（Joint Technology Demonstration Engine，JTDE）计划、IHPTET计划和VAATE计划；第2类，是为了解决全寿命期出现的特定问题而实施的专项计划，如高周循环疲劳（High Cycle Fatigue，HCF）计划和部件和发动机结构评估研究（Component and Engine Structural Assessment Research，CAESAR）计划。面向全寿命期特定阶段的计划主要作用于航空发动机定型之后各阶段，为定型后发动机提供研制经费和技术，以提高定型后发动机的可靠性或性能，如CIP和发动机型号衍生计划（Engine Model Derivative Program，EMDP）等。
02
美国战斗机发动机型号研制
与技术研究计划之间的关系
以全寿命周期模型逐步成熟的F100发动机和全寿命周期模型已经相对成熟的F119发动机为例，说明技术研究计划开发和验证的技术向型号研制转移的途径和结果。
时间框架内的F110发动机和F119发动机与各类型计划关系如图2所示。从图中可见，各类研究计划在这些发动机发展的时间维度内所处的位置，以此能够直观呈现各类研究计划对战斗机发动机全寿命期的支撑与保障。
2.1面向全寿命期计划与型号全寿命期研制的关系
面向全寿命期计划能够源源不断地向型号研制全寿命期输送先进技术，是型号产品拥有先进技术的重要途径和保障。
2.1.1综合性计划
这类计划重点是开发和验证先进技术和核心机，其所研发技术的成熟度达到所要求等级时，可以应用于发动机产品。其研制的核心机和验证机，既可作为技术验证平台，又可直接用于型号研制。先进技术和核心机应用于型号全寿命各阶段的情况（图2）展示了这一点。
ATEGG计划开始于1963年，实施目的是提供验证设计系统、硬件和先进部件的方法，并获得先进核心机的研制经验[5]，同时验证先进技术，并转移这些技术到未来的发动机中。同一时期实施的还有与其配套的APSI计划，用于验证发动机与飞机的集成。
JTDE计划开始于1976年，实施目的是为未来跨声速/超声速飞机研制和评估先进技术发动机。JTDE计划下的验证机，由ATEGG计划下开发的先进核心机配装低压部件集成而成。在JTDE计划下，对这些验证机进行广泛的试验和评估，提升技术成熟度，为应用于未来产品打好技术基础[6]。
至1988年IHPTET计划实施之时，上述计划并入IHPTET计划中[7]继续行使技术开发和核心机研制的职能。
PW和GE等发动机公司在这些计划的支持下，研制各自的核心机谱系。PW公司自20世纪60年代初，发展了第1代核心机STF200和验证机JTF14；70年代，发展了核心机ATEGG685和验证机JTDE690，经过PW5000、XF119和YF119，最终发展成F119发动机。GE公司自20世纪60年代后期发展了第1代核心机ATEGG1和验证机GE9；80年代，发展了核心机ATEGG5和验证机CE37，经过XF120和YF120，最终发展成F120发动机[8]。
IHPTET计划下开发的先进技术[9]在F119发动机上的应用情况如图3所示。图中，加粗字体的技术为应用于F119发动机上的技术。IHPTET计划的每一阶段，都有相应的技术应用到F119发动机上，这些先进技术的应用，提高了F119发动机的性能。
目前，美国在VAATE及其后续计划下，继续开展着先进技术开发以及核心机和验证机的研制工作，这些先进技术以及核心机和验证机是美国航空发动机产品研制的宝贵资源。
2.1.2专项计划
CAESAR计划于1992年开始实施，利用F119发动机的核心机，通过寿命评估试验对在IHPTET计划下开发的先进材料，以及利用这些先进材料制造的部件进行验证、测试和评估，从而理解这些先进材料的特性、耐久性、故障机理、损伤容限，以及检查方法等，并经过验证、测试和评估后，能快速将这些先进技术应用于F119发动机。
HCF计划针对美国20世纪80年代战斗机发动机因高周疲劳引起的故障而制定[15]，自1994年12月开始实施，目标是大幅提高发动机的安全性和成熟度，并降低维护成本。HCF计划在开发先进技术的同时，也形成了相应的设计准则，并应用于发动机型号中，如HCF计划下开发的激光冲击硬化技术，应用到了F119发动机第4级整体叶盘上。该计划形成的HCF结构完整性设计准则，通过XTE67验证后，应用在了F119发动机的设计中。
热端部件技术（HotSectionTechnology，HOST）计划自1980年10月开始实施，1987年12月结束，该计划是针对美国航空发动机性能不断提高的同时，显著提升燃烧室和涡轮等热端部件的耐久性和延长其寿命而实施的。该计划的目的是通过对测量、燃烧、涡轮传热、结构分析、疲劳与断裂和表面防护等学科的理解，以及采用精确的设计分析方法，来改善先进飞机发动机热端部件的耐久性。在该计划下发表了250篇研究报告，增强了对技术的理解和预估能力，提高了发动机的设计能力，并对技术转移产生了重要影响。
2.2定型后支撑计划与型号全寿命期的关系
定型后支撑计划既能提高发动机可靠性和性能，又是发动机定型后研制费用的保障途径。
定型后支撑计划包括2类：一类是提高发动机可靠性，保障定型后发动机研制费用的CIP计划；另一类是提高发动机性能，实施发动机衍生发展的EMDP类计划。
CIP计划自20世纪50年代开始实施，是美国军用航空发动机使用发展中的一项常规性计划。80年代后，美国国会将CIP资金纳入到R&D（研究和发展）项目下，从而使得CIP计划在提高发动机可靠性的同时，也是美国军用航空发动机定型后研制费用的来源途径。航空发动机研制和成熟过程如图4所示。从图中可见CIP计划在发动机全寿命研制过程中所处的位置和时间期限。
F100-PW-100发动机的CIP计划自1973年8月开始实施，重点解决F100-PW-100发动机投入使用后面临的可靠性和耐久性问题，途径就是通过加速任务试验，解决喘振故障、悬挂失速故障、涡轮叶片故障、主燃油泵和加力燃油泵故障，以及电子调节系统故障等。1973~1984年，CIP计划累计投入6.63亿美元。
F119发动机的CIP计划于2001年开始实施，其在取得初始使用能力之前一直得益于部件改进计划的投资。在F119发动机的加速任务试验、F-22飞行试验和初始使用试验和评估中发现的问题，比如整体叶盘转子的维修、独特的低可探测性部件的维修和保障、加力燃烧室和喷管的耐久性以及发动机控制系统的复杂性等，均需要在CIP计划中得以解决。
型号衍生发展计划是扩展航空发动机产品谱系的有效途径。F100-PW-100、F119-PW-100发动机都实施过类似的计划，开展衍生发展研究。F100发动机在EMDP下开展衍生研究，F119发动机没有专门的衍生发展计划，但型号衍生工作仍按计划开展，衍生发展了JSF119SE614、JSF119SE611等发动机，JSF119SE611发动机最终发展为F135发动机。这些衍生发展的发动机，当其性能大幅度提高时，则需要像新研发动机一样开展全寿命按阶段的研制工作。
03
研究计划应贯穿全寿命周期的启示
重点以F100和F119发动机为例，综述了美国发动机产品从采办开始到退出服役的全寿命期过程中，各类型研究计划所开发的先进技术对发动机产品的成功研制、顺利应用、衍生发展的重要支撑作用。研究美国技术研究计划与型号研制的相互关系和成功经验，可获得如下启示：
（1）研究计划是型号全寿命期顺利执行的有力保障。研究计划伴随着航空发动机全寿命期过程，是型号全寿命期顺利执行的有力保障。
美国研究计划的实施保障了美国军用航空发动机产品的成功。美国计划对航空发动机全寿命期支撑简易模型如图5所示。针对全新研制发动机，在其全寿命期的预先研究、工程研制和使用发展阶段，像ATEGG、JTDE、IHPTET等研究计划，将为这些阶段提供先进技术支持、验证和转移，至型号定型，即工程研制阶段结束之时，一方面，通过CIP继续支撑发动机的使用发展，解决投入使用所面对的问题；另一方面，利用EMDP、DFE开展衍生研制，扩展发动机的产品谱系。各类型计划接续进行，支撑着航空发动机产品研制的全寿命期，保障着产品研制的成功。
（2）实施综合性计划来推动航空发动机产品的发展。综合性计划完善了核心机和验证机谱系，推动了航空发动机产品的发展。
研究计划所开发的先进技术要应用于产品，需经过严格的验证，核心机和验证机计划就是作为先进技术的验证平台使用。先进技术在核心机和验证机上的验证和应用，在完善了核心机和验证机谱系的同时，也推动了航空发动机产品的发展，如PW和GE公司自20世纪60年代在ATEGG计划和JTDE计划下发展各自的第1代核心机和验证机，经过IHPTET等一系列计划所开发的先进技术在后续核心机和验证机上的不断验证和应用，推动了技术进步。再如，F119最初采用的核心机为其第3代核心机ATEGG685，在其研制过程中，不断采用后续代次的核心机和验证机验证的先进技术，从而推动了F119发动机的发展。
（3）型号定型后仍需实施相应计划保障型号外场使用。型号定型不意味着研制工作的结束，依然需要实施相应计划支撑型号的外场使用和后续发展部件改进计划能解决产品定型时没有解决的问题，提高使用发动机的可靠性；衍生发展计划能完善产品谱系，拓宽产品应用范围。F100发动机的产品谱系如图6所示。这些计划也是产品定型后研制费用的提供途径，其经费来源于研究、研制、试验和评估类别，该类别属于美国国防部防务计划和经费管理之研究与发展的第6.4类“工程发展”领域，属于研制费用范畴。由此可知，美国军用航空发动机定型后，仍然有顺畅的研制费用支撑渠道，保障发动机研制的顺利进行。
04
结束语
以美国自20世纪60年代开始实施的航空发动机预研计划为研究对象，采用自定义的方式，对这些预研计划进行分类，梳理这些计划与美国第4代和第5代军用航空发动机全寿命期研制的关系。得出研究计划能够源源不断向型号研制全寿命期输送先进技术，是保障美国型号研制成功和世界领先的重要保障；定型后计划在提升美国军用航空发动机可靠性和性能的同时，也是美国定型后发动机研制经费的提供途径，并基于美国军用航空发动机的研制经验和我国航空发动机研制实际，给出相应启示：航空发动机研究计划不能仅在预研阶段和型号研制前期实施，而应该贯穿型号研制的整个全寿命周期，为型号研制全寿命期提供先进的技术和经费，从而保障型号的顺利研制和有效服役。