愛迪生髮明的電燈泡,竟然演變出這麼大一個航發公司

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美國通用電氣公司簡稱GE,早年曾直譯為“奇異”。愛迪生是通用電氣的創始人之一,他的公司與其他公司合併,在1892年成為通用電氣。1903年,萊特兄弟發明了現代飛機,通用電氣則在1919年涉足航空動力,但要到1941年才製造第一臺航空發動機。


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噴氣時代之前,航空發動機是活塞式的天下,不管是直列、V形還是星形,四衝程是基本技術,與汽車發動機沒有本質的不同。普拉特-惠特尼是從活塞式發動機開始的,羅爾斯-羅伊斯索性從造汽車起家。但早年的通用電氣還真是專攻電氣的:發電、輸電和各種電機電器,從電爐、電熨斗、電燈泡到各種電動機,無所不包,就是沒參與活塞式發動機的研發和製造。

人們很早就發現,如果對進氣增壓,同樣體積的活塞式發動機在每一個衝程循環中都能吸入更多空氣,也就意味著可以噴注更多燃料,產生更大的出力。增壓出現機械增壓和渦輪增壓。前者從發動機轉軸上直接引出動力,驅動增壓裝置;後者用廢氣渦輪驅動增壓裝置。歷史上首先有機械增壓,在歐洲使用較多。渦輪增壓在二戰前夜才實用化,在美國使用較多。機械增壓結構簡單,發動機一轉動,增壓效果立刻顯現,但功率損失較大。渦輪增壓將高溫高壓排氣中的能量轉換為動力,功率損失小。在寒冷低壓的高空使用,效果尤其顯著,對強調高空高速的二戰時代特別重要,成為戰時美國航空動力的秘密武器。

廢氣渦輪與蒸汽渦輪在技術上是相通的。通用電氣憑藉其汽輪機葉片、渦輪和熱端技術優勢,在1919年開始涉足渦輪增壓,建立了通用電氣航空分部,距今正好100年。不過戰前的通用電氣雙管齊下,機械增壓和渦輪增壓通吃,但依然屬於航發附件。


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英國人弗蘭克·惠特爾和德國人漢斯·馮·奧海恩分別發明了噴氣式發動機。奧海恩的設計最終導致梅塞施密特Me 262,這是世界上第一種投入實戰的噴氣式戰鬥機。惠特爾的設計最終導致格洛斯特“流星”,但問世晚了一步,投入實戰時,二戰已經尾聲了。


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美國沒有自己的噴氣發動機設計,但惠特爾的發動機在格洛斯特E29上試飛才一個月,美國陸航參謀長阿諾德上將就獲准檢視。深陷戰火的英國擔心惠特爾和他的發動機最後落入德國之手,正在考慮把研發搬到加拿大,阿諾德提出由美國接手,英國同意了。


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阿諾德特意避開傳統的航發老字號普拉特-惠特尼和萊特,以避免干擾戰時生產。噴氣發動機也與活塞式區別太大,但與渦輪有關。基於通用電氣在渦輪機械方面的經驗,阿諾德責令其仿造惠特爾的設計,並在此基礎上進一步發展。通用電氣的渦輪增壓團隊立刻投入緊張的工作,在惠特爾W.1X樣機和W.2B圖紙的基礎上,研發了GE1-A,並在1941年4月第一次試車。從此,通用電氣成為航發世界的勁旅。

惠特爾的設計還很粗糙,有很多細化、優化的餘地。通用電氣馬上從工藝、材料和設計全面入手,研發了一系列改進型,最終推出I-40“超級噴氣”渦噴,以後正式定名為J33,成為洛克希德P-80的動力,這也是傳奇式的洛克希德“臭鼬工廠”的第一個手筆。不過戰時通用電氣自己忙不過來,J33的生產轉交給通用汽車屬下的艾利遜發動機公司進行。

惠特爾的設計奠定了早期英美系渦噴的基本技術路線,其中重要一點是離心式壓氣機。離心式壓氣機的體積小,重量輕,結構簡單,增壓比高,但流量限制較大,最終限制發動機的推力。軸流式壓氣機的特點相反,但最終由於空氣流量大的特點而適合用於大推力噴氣發動機。現代噴氣發動機除了小推力的微型渦噴或者渦軸,基本上都用軸流式壓氣機。


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軸流式壓氣機的基本特點不是秘密,但戰時英國沒有足夠的技術力量和資源與離心式壓氣機齊頭並進。但這對兵強馬壯的通用電氣不是問題,在推動I-40的同時,並行推動軸流式壓氣機的TG180渦噴,後定名為J35,用於包括F-84和FJ-1在內的多種軍用飛機。J35也是第一種具有加力設計的量產噴氣發動機。不過此時通用電氣依然在產能上顧不過來,J35的生產同樣轉交通用汽車屬下的雪佛萊分部,後轉交艾利遜。

J33和J35是通用電氣設計的,但還不是通用電氣製造的。1946年開始設計的J47才是通用電氣真正的第一張名牌。這是大名鼎鼎的北美F-86戰鬥機的發動機,也是波音B-47和北美B-45轟炸機的發動機,產量超過36 500臺,這在普遍短壽的第一代噴氣發動機中絕對是鶴立雞群。

通用電氣再接再厲,在1952年推出QOL-1590技術驗證機,採用了革命性的可調定子技術。軸流式壓氣機需要很多級才能達到足夠的增壓比,前級出氣的旋轉使得同方向旋轉的後級“使不上勁”,級數越多,問題越大,所以需要在級間增加擾流片,把旋轉的氣流“擰直”回來,改善後級的進氣條件,這就是定子。但固定的定子的“扭轉度”只能針對特定工況優化,難以兼顧從怠速到全速的大範圍工況。在偏離設計工況時,輕者油耗增加,重者會發生髮動機喘振甚至停車。Me 262的發動機就很容易進入喘振甚至停車,在起飛、著陸的時候尤其要“小心輕放”,這成為盟軍戰鬥機偷襲的最好機會,以至於必須在Me 262起飛、著陸期間出動螺旋槳的Me 109或者Fw 190警衛機場周圍上空。可調定子解決了這個問題,極大地提供發動機的無憂慮工作範圍,油耗也改善了。

可調定子主要是蓋爾哈特·諾伊曼發明的。他的經歷很奇特,作為德國猶太人,抗戰前後在中國混,從在香港修汽車到在飛虎隊修飛機,什麼都幹過,還因為會說點中文,作為OSS(CIA的前身)特工到長江沿岸偵察日軍船隊動向。因為敵僑身份,他的美國公民身份還是陳納德、多諾萬“走後門”才通過國會特批的。諾伊曼直到戰後才進入洛杉磯加州大學進修航空工程,以後進入通用電氣工作。在這裡,他發明了可調定子,試驗效果超過預期,馬上得到美國空軍指令,放大為J79渦噴投產,被譽為史上最可靠的噴氣發動機,用於B-58、F-104、F-4和性能降級以供外銷的F-16/79。


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1953年,美國海軍提出小型渦軸的要求,要求重量不超過180千克,但功率不低於600千瓦。3年後,通用電氣推出T58渦軸,一反主流渦軸採用離心式壓氣機的慣例,採用帶可調定子的軸流式壓氣機;採用後置自由渦輪(動力輸出軸與壓氣機軸分離),重量只有110千克,功率達到780千瓦,以後發展成一大個系列。美國軍方大喜過望,馬上大量訂購,用於UH-1F和SH-3等多款直升機。T58的改進型至今還在使用,包括特朗普的“陸戰隊一號”。

通用電氣連戰連捷,在1957年推出T64渦軸。這次是大傢伙,用於CH-53“種馬”系列重型直升機,還用於意大利的阿萊尼亞G.222和加拿大德·哈維蘭DHC-5“水牛”運輸機,如果洛克希德AH-56“夏延”沒有下馬,用的也是T64。目前用於競爭下一代高速直升機項目的貝爾V-280“勇士”用的也是T64,但量產後會改用新發動機。

上世紀50年代的最後兩年通用電氣也沒有浪費。1958年,通用電氣推出了CJ805。這是從J79改進而來的、專為四發客機或者雙發公務機市場推出的小渦扇;1959年,通用電氣推出了J85,並用於諾斯洛普F-5戰鬥機和T-38教練機。從推力來說,J85並不突出,但這小東西尺寸非常緊湊,直徑只有0.46米,長度只有1.1米,而推重比高達8:1。這對50年代末的技術水平來說已經很高了。


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到了上世紀60年代,通用電氣開始為J79的更新換代做準備。1962年,蓋爾哈特·諾伊曼提出,將通用電氣手頭零散的先進技術整合成一臺完整的模塊化技術驗證機,以此建立可以縮放的基礎模塊,最終可以與其他技術組合成一系列發動機——這就是GE1,包含了帶可調定子的壓縮機、環形燃燒室、帶氣膜冷卻的渦輪葉片和先進材料。GE 1被稱為通用電氣歷史上最了不起但從未裝上任何一架飛機的發動機。

在諾伊曼的領導下,GE1的紅利遍佈上世紀六七十年代,這也是冷戰高峰。充分發揮GE1的熱端技術優勢,通用電氣在1965年推出劃時代的TF39,8:1的高涵道比同時代的低涵道比渦扇降低油耗達25%,開創了高涵道比渦扇的時代,用於推動C-5“銀河”運輸機。而落選的波音和普拉特-惠特尼聯手推出波音747,九死一生後,反手開創了民航的寬體時代。


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通用電氣不甘錯過寬體時代。1968年,以TF39為基礎推出民用的CF6,用於推動道格拉斯DC-10,以後還用於空客A300、310、330、波音747、767、麥道MD-11等,使得通用電氣成功地打入主流民航發動機市場,從此與普拉特-惠特尼和羅爾斯-羅伊斯三足鼎立。通用電氣還從CF6發展出LM2500系列,這是世界上最成功、應用最為廣泛的艦用燃氣輪機。

在另一頭,GE1技術催生了用於B-1轟炸機的F101,比同推力級的J79省油25%。這是通用電氣的第一臺加力渦扇,以後發展為F110。F101是起點很高的第一步。法國斯奈克馬的第一臺戰鬥機渦扇是M53,這是單轉子的,為“阿塔”系列渦噴直接加上風扇。普拉特-惠特尼的第一臺渦扇TF-30是雙轉子,但性子暴烈、可靠性差。 F-14直到換用通用電氣F110後才真正發揮出全部性能。所以到F-15的時候,普拉特-惠特尼重起爐灶,全新設計了第二代的F100,後來F-16也用F100。F100先走一步,搶佔了F-15和F -16的發動機市場,但F110後發制人,與F100大打了一場“發動機大戰”,用更先進的性能和可靠性活活從後者獨霸的市場瓜分了一半份額。

但F110或許還不是通用電氣戰鬥機發動機中最亮的明星。在上世紀70年代,諾斯洛普著手研製F-5E的下一代,P-530“眼鏡蛇”的設計,最後導致與YF-16競爭的YF-17,採用兩臺J101渦扇。採用“J”編號而不是“F”編號是因為通用電氣留戀從J35到J79等著名噴氣發動機的品牌效應,但這是介於渦噴和渦扇之間的所謂“漏氣渦噴”。傳統渦扇用風扇和外涵道產生更大的噴氣流量,實現更大的推力,代價是較大的迎風面積和較低的噴氣速度,前者導致較大的阻力,後者限制了飛機的最大速度。渦噴沒有風扇和外涵道,特點正好相反。“漏氣渦噴”不僅涵道比較低,而且外涵道的流量大體不產生推力,而是用於冷卻加力燃燒室和噴口,容許發動機以更高的溫度和壓力工作,同樣提高了推力,但迎風阻力和噴氣速度的代價較小。


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YF-17落選了,但美國海軍要求麥道由此發展F/A-18,J101也在1975年加大而成為F404,在1991年進一步發展為F414,在尺寸基本未變的前提下推力增加35%。最新的F414EPE推力進一步增加20%,推重比接近11:1,直逼普拉特-惠特尼F135的水平。F404/414成為最成功的中推,可能也是歷史上應用最廣泛的中推,不僅用於F/A-18經典型和加大的F/A -18E/F,還用於F-117、F-20、瑞典“鷹獅”、印度光輝LCA“光輝”、韓國KF-X等戰鬥機,以及波音T-X、韓國T-50等教練機。

F101優秀的核心發動機也是先進民航中推的理想起點。1974年,F101的核心發動機與法國斯奈克馬(現賽峰)的風扇結合,推出歷史上最成功的民航噴氣發動機CFM56。今天的通用電氣LEAP說起來是採用三維編織復材風扇葉片、陶瓷纖維復材燃燒室等先進技術的全新設計,但骨子裡依然是CFM56的深度發展。CFM56和LEAP至今已經生產超過33 500臺,2020年前LEAP年產量要求達到每年2 000臺。羅爾斯-羅伊斯和普拉特-惠特尼合作的同級渦扇V2500只有7600多臺的累計產量。

上世紀60年代也是超聲速客機的時代,英法的“協和”與蘇聯的圖-144正在競爭世界第一。美國當然不能落後,波音2707不僅更大,還要更快。波音要用2倍聲速以上的速度再創707那樣的輝煌,特意命名為2707。通用電氣負責發動機,GE4成為世界最大的噴氣發動機,長達8.3米,直徑1.8米,重達5.1噸,尺寸與米格-15的機體相仿,重量甚至超過後者的空重,加力推力達到220千牛,甚至略微超過F-15A的兩臺普拉特-惠特尼F100-100的加力推力之和。但由於經濟性太差和大量技術難關,波音2707最終下馬了。


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另一方面,通用電氣在1967年推出劃時代的T700渦軸,用於UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”。這是一臺單轉子發動機,但用軸流-離心混合式壓氣機達到雙轉子的增壓效果,不僅功率大,還保留了輕小緊湊、簡單可靠的特點。50年後,T700依然先進,但通用電氣在T700的基礎上用新技術、新材料推出深度改進的T901,功率增加50%,油耗下降25%,壽命延長20%,而且成本比普拉特-惠特尼和霍尼韋爾聯手組成的競爭對手低30%,贏得了美國陸軍ITEP計劃的競標,用於對現有的1 300多架“黑鷹”和600多架“阿帕奇”進行發動機升級。

1973年中東戰爭後,阿拉伯國家動用石油武器反擊,石油危機使得民航將降低油耗看作壓倒一切的重要指標,“無涵道渦扇”(簡稱UDF)發動機因此成為熱點。UDF也稱聲速槳扇發動機,這是把渦扇的風扇尺寸加大,取消外涵道,因此等效為涵道比無窮大的渦扇,最大限度地發揮渦扇的優點。與渦槳相比,UDF的葉片為彎刀形,推遲了葉尖激波的產生,不僅有利於提高螺旋槳轉速,也提高了飛機的巡航速度。通用電氣的UDF以F404為核心發動機,在1986年裝上一架波音727首飛,節油效果顯著,但噪聲問題無法解決,最後下馬。通用電氣不是唯一搗鼓UDF的,大家碰到同樣的問題,一起下馬。40年後,更加先進的葉片氣動設計和其他先進技術使得噪聲有望得到控制,UDF開始有回潮的動向。


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進入上世紀90年代,雙發寬體已經成為主流,但依然以中程、中高流量為主。波音更進一步,推出波音777——載客量和航程直逼四發寬體的波音747,在經濟性(包括油耗和維修)上是一個大躍進,相應也要求史無前例的大推力高可靠渦扇。GE90應運而生,這是通用電氣25年來第一臺全新設計而且沒有軍用發動機淵源的大推力渦扇,創造了眾多推力、油耗和可靠性紀錄。其部分秘密則來自UDF的超大直徑寬弦風扇葉片,採用重量輕、剛度高、耐衝擊、耐疲勞的復材和好似現代派雕刻的大彎度設計,直徑達3.1米。波音計劃在2020年投入使用的波音777X(可看作第三代波音777)採用的GE9X是GE90的深度改進。

與此同時,通用電氣也沒有放棄小推力渦扇。上世紀80年代就推出的CF34性能不錯,但在90年代更新設計後,幫助龐巴迪推出CRJ系列支線客機,開闢了支線航空的噴氣時代。巴西航空工業也忙不迭地推出ERJ家族,與龐巴迪聯手完成了支線航空的噴氣化。在龐巴迪退場和巴西航空工業“賣身”之前,CF34造就了民機世界波音-空客加龐巴迪-巴西航空工業的2+2局面,曾經風靡一時的渦槳客機被徹底邊緣化了。除了各種公務機外,中國的ARJ-21也採用CF34。而美國空軍B-52未來更換的發動機也是CF34。

進入21世紀,波音推出波音787,與容量更大的波音777兩頭夾擊,把空客寄予厚望的超大載客量的A380謀殺了,順帶也謀殺了自家的千年女王波音747。通用電氣在2004年推出GEnx,與羅爾斯-羅伊斯“湍達”1000一起,成為波音787的發動機選項。GEnx比傳統的CF6-80的油耗降低15%,壽命提高30%,噪聲降低30%。到2018年初為止,在1 277架波音787訂單中,GEnx佔53.3%,“湍達”1000佔32.9%,另有13.8%尚未決定。

至此,通用電氣成為西方航發大三中唯一的“全頻譜”廠家,產品從小推力(CF34)到中推力(LEAP)到大推力(GEnx和GEX)全範圍覆蓋。普拉特-惠特尼除了與通用電氣合作並且只有A380一種飛機使用的GP7000,已經退出大推力,現在專攻中小推力(PW1000G系列);而羅爾斯-羅伊斯除了已經過氣的V2500和沒有太多聲色的BR700,已經退出中小推力,專攻大推力(“湍達”系列)了。

在戰鬥機發動機方面,通用電氣依據落選的YF120變循環發動機的經驗,積極投入美國空軍研究實驗室(簡稱AFRL)主持的ADVENT(現改為AETD)三涵道變循環發動機技術預研項目,這是比DARPA更接近實用級的預研。156千牛級推力、推重比為9的普拉特-惠特尼F119代表了第四代戰鬥機發動機的水平,但下一代戰鬥機需要進一步降低超巡油耗,還要滿足降低噴氣紅外特徵、主動配合進氣道控制、提供機載系統的散熱能力等全新要求,不僅需要能在渦噴和渦扇之間無縫過渡的變循環,還需要在傳統渦扇的內外涵道之外增加第三涵道。普拉特-惠特尼由於技術慣性,在一開始希望從F119/135這樣雙涵道渦扇漸進發展,繼續深挖潛力,在美國空軍明確要求變循環和三涵道之後,才積極投入變循環三涵道的研發,而畢竟是“外戚”的羅爾斯-羅伊斯已經不被邀請參加了。一般認為,AETD的獲勝者將主導下一代戰鬥機發動機的研發。


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