短距起飞／垂直降落战斗机发动机发展及关键技术分析

Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｓ Ｔ ＯＶＬ ｉｇ ｆ ｈ ｔ ｅ ｒ ； ａ ｅ ｒ ｏ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ； ｌ ｉ ｌ ｆ ｆ ａ ｎ ； ３ － ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎ ｏ ｚ ｚ ｌ ｅ ； ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
大利 、 加拿大和澳大利亚等盟国参与Ｉ １ 。
Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战 斗机 的 发 动机 是 实 现 短距 起 飞 ／ 垂 直
航空母舰和大型舰艇时，有效增加其舰载机数量， 提
高其 战斗 力 ，因而受 到各 国军方 和航 空企 业 的重视 。
降落的关键 ， 能否设计出具有 良好升力和推力性能的 发动机 ， 直接影响战斗机研制的成败。 与常规涡扇 、 涡
喷 发动 机 不 同 ， Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战 斗机 发 动 机 除需 要 飞机 的
国外主要航空大 国都在谋求发展该类型战斗机 ， 但目
前世 界上 只有美 、 英、 俄 ３国拥有 独立 研发 Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战 斗机 的 能力 。英 国是最 早研 制 Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战斗机 及其 发 动 机 的 国家 ， 其典 型 代表 作 是 “ 鹞” 式 系列 战斗 机 ； 前 苏 联结 合本 国国情研 制 了雅 克一 ３ ６技 术验 证 机 ； 美 国
先 是从 英 国购买 了 Ａ Ｖ 一 ８系列飞 机 ， 在 意识 到该 类 型 战斗机 的重要 性 之后 ， 转 而 开 始 自行研 制 ， 推 了 著
名 的联 合 轰炸 战 斗 机 （ Ｊ Ｓ Ｆ ） 计划 ， Ｆ 一 ３ ５ Ｂ战 斗 机 正 是
该计 划 的重要 研制 任务 之一 ， 由于该 计划 所需研 制 费 用 十分 庞大 ， 美 国无 法独 自承担 ， 先 后接纳 了英 国 、 意
的轴驱动 ， 配以强大的离合器； 在不用垂直升力时， 离
合器将 驱 动轴 和升力 风扇脱 开 。Ｐ Ｗ 公 司曾欲采 用喷 气驱 动升 力风扇 的远 距增 升系统方 案 ， 即将低 压 压气 机 后 的压缩 空气 引 出 ｌ 股 ，折 向前 面 以驱 动 升 力风 扇 ，其优 点是省 去沉 重且 复杂 的驱动轴 和离 合器 ， 可
（ １ ． ＡＶＩ Ｃ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ １ ５ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｐ Ｌ Ａ Ｎｏ ． ５ ７ １ ９ Ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ， Ｃｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ １ ９ ３ ７ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｓ Ｔ ＯＶＬ ｉ ｆ ｇ ｈ ｔ ｅ ｒ ｈ ａ ｓ ｕ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ， ｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｃ ｏ ｍｍｏ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｕ ｒ ｖ ｉ ｖ ａ ｂ ｌ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ ｕ ｌ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｏ ｎ ｅ ｏ ｆ ｋ ｅ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ，
代表 了该类 发动 机 的发展方 向和主流 。 为此下 文分析 了升力 风扇 ＋常规 发 动机 组 合推 进 系 统设 计 需要 突 破 的主要关 键技 术 。 ２ ． １ 发 动 机 总体 设 计 技 术
定研制 １ 种陆海空通用的战斗机 ， 以取代美 国空军的
Ｆ 一 １ ６ Ｃ和 Ａ — ｌ Ｏ 、 海军 的 Ｆ ／ Ａ 一 １ ８ Ｅ ／ Ｆ、 以及海 军 陆 战 队 的Ｆ ／ Ａ 一 １ ８ 、 Ａ Ｖ 一 ８ Ｂ等 战斗 机 。Ｐ Ｗ 公 司为满 足这 种通
第３ ９卷 第 １ 期
２ ０ １ ３ 年 ２月
航 空 发 动 机
Ａｅ ｒ ｏ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ
Ｖ０ ｌ ３９ Ｎｏ ．１ Ｆ ｅ ｂ． ２ ０１ ３
短距起飞 ／ 垂直 降落战斗机发 动机
发 展 及 关键 技术 分析
叶代勇 ， 滕 健 ， 郭 捷 ’ ， 贾 东兵 ， 王 飞鸣
取 代 了专 用 的升力 发动 机 ， 既避 免 了升力 发动 机 寿命 短、 成本 高 的弊 端 ， 又 规避 了其对 高 温 喷气 回吸 的 问 题。 在升 力风扇 的驱 动方 式上采 用 了技术上 比较 成熟
超声速垂直 ／ 短距起 降或 Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战斗机 的建议 ， 美
国海 军 则具 体 地确 定 了该 飞机 飞 行验 证 机 的 战术 技 术要 求 。为 此 ， 美 国大力 开展 了超 声速 垂 直 ／ 短距 起
（ １ ． 中航工业沈阳发动机设计研究所 ， 沈阳 １ １ ０ ０ １ ５ ； ２ ． 中国人民解放军第五七一九工厂 ， 成都 ６ １ １ ９ ３ ７ ）
摘要 ： 短距起飞 ／ 垂 直 降落 战 斗机 具 有 独 特 的 技 术特 点 和 较 好 的 环 境 适 应 性 ， 生 存
力强 ， 推进系统尤其带升力风扇的发 动机是其关键技术之 一。综合分析 了短距起 飞 ／ 垂 直降落战斗机发动机 的发展历程 ，总结 了升力风 扇 ＋常规发 动机 型短 距起 飞 ／ 垂直 降 落战斗机发动机 的 ４项主要关键技术 ： 发动机总体设计技 术 、 升力风 扇设计技 术 、 ３轴 承偏转喷管设计技术和升力风扇机械 系统设计技 术。经分析认为 ， 通过一定技 术途径突 破上述 ４项关键技 术是掌握短距起 飞 ／ 垂直降落战斗机发动机技术的关键。 关键词 ： 短距起飞 ／ 垂直 降落战斗机 ； 航空发动机 ； 升力风扇； ３轴承偏转喷管； 机械
速Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战斗机 发动 机 。
２ ． １ ． １ 基 于 多设 计点 的发 动机性 能模 拟技 术
Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战斗 机发 动机 有 ２个 不 同设计 点 ， 即起
飞设计点和垂直降落设计点 ， 难 以采用传统涡扇发动
机 的 单设 计点 设计 技 术 ， 必 须 建立 新 型 的 、 基 于 多设 计 点 的发 动机 性能设 计 方法 。 为此 ， 需对 Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战斗 机 发 动机 各种 新 型 部件 的典 型特 征 及其 工作 过 程 进 行分析 ， 将部 件 抽象 成 由不 同状态 的工 质 、 部件 及 系
巡航 、 加速 、 格斗 、 盘旋 等 任 务提 供 相应 推 力外 ， 还要 为 飞机 的短距起 飞 和垂直 降落提 供足 够大 的升 力 ， 其 复 杂性 大大增加 ， 研 制难 度也大 幅提 高 。
７ ６
航
空
发
动
机
第３ ９卷
性 能 ，美 国 国防科 学委 员会 于 １ ９ ７ ９年 末提 出了发展
用 战斗机 的不 同功 能 ， 为Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ型选 择 了 Ｆ ｌ ３ ５常规
推进 系统 ＋升力 系 统 的组 合 推进 方 案 ，如 图 ３ 、 ４所
示 。常规 推进 系统 采用 由 Ｆ ｌ ｌ ９发动机 发展 的涡 扇发
动 机 ，升力 系统 包括 轴 驱动 的升 力 风扇 、 ３轴 承偏 转 喷 管 和滚转 控制 喷管 ， 由推进 系统 主喷 管 和升力 风扇 共 同 产生升 力 。Ｆ １ ３ ５发 动机 成为 世界 上 第 １ 种 超声
ｏ ｆ Ｓ Ｔ ＯＶＬ ｉ ｆ ｇ ｈ ｔ ｅ ｒ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｌ ｉ ｆ ｔ ｆ ａ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｎ ｖ ｏ ｌ ｖ ｅ ｄ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ， ｌ ｉ ｆ ｔ ｆ ａ ｎ ， ３ － ｂ ｅ ａ ｉ ｔ ｎ ｇ ｄ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎ ｏ ｚ ｚ ｌ ｅ ， ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｌ ｉ ｆ ｔ ｆ ａ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｒ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｋ ｅ ｙ ｏ ｆ ｍａ ｓ ｔ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｓ Ｔ ＯＶＬ ｉ ｆ ｇ ｈ ｔ ｅ ｒ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ．
ｅ ｓ ｐｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｎｇ ｉ ｎｅ ｗｉ ｔ ｈ ｌ ｉ ｆ ｔ ｆ ａ ｎ ．Ｔ ｈｅ ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｕｒ ｓ ｅ ｏ ｆ ＳＴＯＶＬ ｖ ｅ ￣ｉ ｏ ｎ ｅ ｎｇ ｉ ｎｅ ｗａ ｓ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎｓ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ａ ｎａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ．Ｍａ ｎｙ ｋｅ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈｎ ｉ ｑ ｕｅ ｓ
系统
叶代勇（ １ ９ ７ ８ ） ， 男， 工程师， 主要从事航 空 发动 机 总 体设 计 工作 。
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ Ｋｅ ｙ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｆ ｏ ｒ Ｓｈ ｏ ｒ ｔ Ｔ ａ ｋ ｅ ｏ ｆ ａ ｎ ｄ
０ 引言 短距 起飞 ／ 垂直 降落 （ Ｓ Ｔ Ｏ ＶＬ ， Ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ Ｔ ａ ｋ ｅ ｏ ｆ ｆ ａ ｎ ｄ Ｖ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｌ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ） 战斗 机结 合 了 固定 翼 和 旋翼 飞 机 的 优点 ， 具备较 强 攻击能 力 和传统 战斗机 无法 比拟 的短 距起飞 ／ 垂 直 降 落能 力 ，使 得 Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战斗 机应 用 于
靠性高 ， 但实现喷气驱动需要在机体内布置能通过很
大 流量 的高压 空 气管 路 ， 占用 空 间太 大 ， 经 多年 研 究 后 最终放 弃 。
起降技术将使发动机承受飞机机身、 燃油和弹药等所
有 质量 ， 因此 ， 载 弹量 不 能 大 ， 航程也不能远 。１ ９ ９ ３ 年， 美 国启动 了联合 先 进攻 击 技术 （ Ｊ Ａ Ｓ Ｔ） 研究 计 划 ， 开发 可用 于下一 代战 术战 斗机 的技术 ， 其 中包括 先进 的短 距起 飞 ／ 垂 直 降落 技术 。经 过方 案 探索 研 究 ， 决
降战斗机推进系统的研制 ， 取得 了大量成果。其方案
主要 有 引射 器 方 案 、 串列式 风 扇方 案 、 远 距 增 升 系统 方 案 和常 规 推进 系统 ＋升 力 系统 组 合 推进 方 案 。从
发展超声速垂直 ／ 短距起降技术 的过程来看 ， 美国更
加 关注 短距起 飞 ／ 垂 直降 落技术 。 但 采用 “ 完全 ” 垂直
收稿 日 期： ２ ０ １ １ － １ ０ — ２ ４
Ｖ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｌ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ（ Ｓ Ｔ ＯＶ Ｌ ）Ｆ ｉ ｇ ｈ ｔ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ
Ｙ Ｅ Ｄａ ｉ — ｙ ｏ ｎ ｇ ， Ｔ Ｅ ＮＧ Ｊ ｉ ａ ｎ ， ＧＵＯ Ｊ ｉ ｅ ， Ｊ Ｉ Ａ Ｄｏ ｎ ｇ — ｂ ｉ ｎ ｇ ， ＷＡ ＮＧ Ｆ ｅ ｉ — ｍｉ ｎ ｇ
２ Ｓ Ｔ ＯＶ Ｌ战 斗机 发 动 机 关 键 技 术 分 析
经过多年的研制与使用 ， 航空动力先进国家已掌
握了Ｓ Ｔ Ｏ Ｖ Ｌ战斗机 发动机 的 工作机 理 和关键 部件 技 术。 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ上述 各 国的 Ｓ Ｔ Ｏ ＶＬ战斗机 发动 机 的特 点来 看 ， 美国的 Ｆ １ ３ ５升 力风 扇 ＋常 规 发 动 机 方 案 布 局 方 式