与美国、俄罗斯甚***英国相比,法国的航空工业具有浓厚的法国特色。法国的航空工业建立较早,但二战前缺乏高水平的活塞发动机,导致法国战机性能平庸。战后,法国总统戴高乐仍对此耿耿于怀。由于二战被德国打败,法国的航空工业在战争中没有得到任何发展的机会,***多只是充当纳粹德国的生产车间。但是法国的航空传统还在,对动力系统地位的认识还在。战后,法国人急切地发现,美国、苏联、英国早就开始了喷气推进技术的研究,而且都把自己的喷气式飞机送上了天。法国明白如果它不想落后, 它必须首先解决喷气推进的问题。经历了60多年的历史,法国航空界很多人都在谈论法国航空发动机的发展史,说二战后法国主要研制了三个系列的战斗机发动机,分别是“阿塔”、M53和M88。虽然不如美国同类发动机,但为法国航空开辟了自己的天地。
德国战败后,原本处于极度保密状态的喷气推进技术已经公之于众。法国人知道,目前很难从英美盟军那里得到***新的技术成果,简单的办法就是去找德国人。早在1945年2月,战争结束前夕,纳粹德国就负责研发宝马。
003喷气发动机公司的赫尔曼·őstrich和他的研发团队匆匆赶往马格德堡附近的小镇福特斯塔斯。在城外的盐矿里,纳粹建立地下工厂,继续生产喷气式发动机。4月12日,美军占领Staas Ford,德军守军投降,奥斯特里基在当地一处墓地藏了许多重要的技术文件。很快,由美国普惠公司技术人员组成的10人调查小组进入,找到奥斯特里基,带走了技术资料。有了这些材料, 美国成功生产了宝马。
003。英国人非常重视奥斯特里基。布里斯托尔发动机公司邀请奥斯特里基去英国工作,但奥斯特里基有自己的打算。相对于在喷气推进领域已经取得长足进步的美国和英国,在这一领域尚属空白的法国显然可以提供更多的交换筹码。这时,法国政府正在积极寻找德国喷气式飞机的研究和技术人员及信息。在秘密会见法国调查研究局代表后,奥斯特里基承诺帮助法国继续研发宝马003。这时,法军在其占领区发现了一些宝马003。迫切需要建立这种发动机的生产设施。
在与奥斯特里基达成合作意向后,法方在赖兴巴赫原多尼尔工厂为他建立了研发设施,该工厂被德方依法占用,研究团队迅速扩充***200人。这个研究团队名为“里肯巴赫航空技术工作室”,简称“ATAR”。奥斯特里基带领这个团队在宝马003的基础上开发了一种推力更大的轴流式喷气发动机。1945年10月,初步设计完成,命名为“阿塔”101。法国政府非常满意,并承诺让队员与家人团聚,提供更好的薪水,放宽旅行限制,甚***给他们法国国籍。1946年4月,“阿塔”101的图纸被送到法国的斯奈克玛公司生产(需要指出的是,当时斯奈克玛也是国有公司)。五月, 斯奈克玛完成了***批零件的制造,但压缩机和涡轮机的制造一直陷入困境,直到1947年年中。1948年3月26日,***架“Ata”101投入试运行。在4月5日的测试中,发动机推力达到了3700磅(16.8千牛),经过一些改进后,在10月份增加到了4850磅(22千牛)。到1950年1月,斯奈克马又制造了几架“Ata”101加入试验,使总运行小时超过1000,推力进一步增加到5955磅。Ata 101成为当时***强大的喷气发动机之一。要知道,当初宝马003的推力只有1760磅,还不到“阿塔”101的一半。斯奈克玛后来稍微改进了“阿塔”101,增加了定子导叶的数量,成为“阿塔”101B。1951年2月,***架“阿塔”101B完成了150小时的寿命测试,工作推力为5290磅(24千牛)。12月5日,安装了Atta 101B的达索飓风进行了试飞。自1952年3月27日起,Atta 101B安装在格洛斯特流星F.4的机翼下,开始飞行试验。不久,斯奈克玛推出了改进了压缩机和燃烧室的“Ata”101 c,进一步将推力提高到6170磅。后来,“阿塔”101D采用了新型高温合金涡轮,同时加大了涡轮尺寸,使涡轮前温度提高到1000摄氏度,推力增加到6615磅。“Atta”101d喷管也采用了眼睑式两片调节襟翼。后来,“阿塔”101E增加了零级压气机段,将总压缩比提高到4.8:1,推力提高到8160磅。法国人在“阿塔”101D上加装了加力燃烧室,发展成为“阿塔”101F,推力8380磅。然后“阿塔” 101E还加了加力燃烧室成为“阿塔”101G,推力10365磅。1954年8月,“阿塔”101F和“阿塔”101G安装在“神秘”号上。飞行测试是在II上进行的,但该飞机没有正式装备。1955年3月2日,一架“超级神秘号”首飞成功。它的动力装置来自英国,是劳斯莱斯的“埃文”。1956年5月15日,它以法国制造的“阿塔”101G的“超级神秘”完成了***飞行。
随着喷气推进技术的发展,现有的“阿塔”101系列推力逐渐不足。1954年,斯奈克马公司开始研制一种更激进的改进型发动机——“Ata”08。这种发动机的总体设计类似于“Ata”101,但压气机从7个增加到9个,并使用了略小的两级涡轮和合金压气机转子。***初完成的“阿塔”08B-3的压缩比提高到5.5:1,推力达到了令人鼓舞的9500磅。然后法国人又为“阿塔”08设计了全新的加力燃烧室,也就是后来的“阿塔”09。在1967年1月的试运行中,“阿塔”09的加力推力达到了惊人的12350磅,不久又进一步提高到13230磅。1959年12月,斯奈克玛推出“Ata”09C,其喷口调节机构由两片改为18片。“阿塔” 09C采用微型涡轮发动机作为启动动力,直接为发动机提供压缩空气,使发动机无需等待压缩机达到全速即可启动。此后,“Ata”09D喷管和加力燃烧室均采用钛合金,可保持飞机以2马赫的高速飞行。1969年完成的“阿塔”9K-50重新采用了空心涡轮叶片技术,提高了整体性能,尤其是燃油经济性。“阿塔”9K-50也是法国自主研发的***台7吨推力的军用发动机。从1945年的“阿塔”101到1969年的“阿塔”。ATA”9K-50,法国人用了24年时间从1吨推力发展到7吨推力。7吨推力喷气发动机被视为一个***涡轮喷气技术的标志和重要里程碑。从那时起,法国终于成为美国的强国之一, 英国和苏联在喷气发动机开发领域,形成了前四名俱乐部的***集团。正因为如此,像“海军少尉”、“超级海军少尉”和“幻影III/IV/V/F-1”这样的飞机在法国都有自己的动力系统。法国人可以自豪地宣布,在航空动力领域,他们不需要依赖任何人。
1955年,法国政府启动了一项旨在实现3马赫飞行速度的研究计划,斯奈克玛受命研发相应的发动机。新发动机沿用了“Ata”101的压缩机,但轻合金换成了合金钢,以承受更高的工作温度。高速飞行要求发动机使用空心气冷涡轮叶片。新发动机被命名为M26,于1957年5月投入试运行,加力推力为10364磅(47千牛)。进一步改进的M28在1958年9月的试运行中产生了11466磅(52 kN)的推力。几经尝试,终于推出了超级“Ata”,这是一款具有里程碑意义的产品。它采用了当时相当流行的可调定子,加力推力85 kN。虽然3马赫研究机项目无果而终,1960年“超级”阿塔发动机停止研究, 为法国航空力量的发展积累了丰富的经验。
1958年,普惠公司开始自筹资金研制一种全新的发动机,希望成为美国超音速战斗机的动力装置。一年后的1959年,普惠公司购买了斯奈克玛的少量股份。从此,两家公司开始密切合作。普惠公司委托斯奈克玛公司在欧洲维修JT3/4发动机,而斯奈克玛公司则与普惠公司合作开发新的航空发动机。斯奈克玛公司在普惠公司原有JTF10的基础上,与普惠公司合作改进并推出TF104/106,成为法国垂直/短距起降研究机“幻影III-V”的升力发动机。后来,普惠公司和斯奈克玛公司合作开发了TF 33。这两架飞机都飞上了天,但都没能进入量产。法国与普惠公司开发高端军用发动机的合作中断, 但斯奈克玛仍然从合作中受益匪浅:普惠公司的JTF10A在1961年被选为F-111的动力装置,成为世界上***台军用加力涡扇发动机——TF30。
1967年,斯奈克玛开始制造——M53涡轮风扇发动机,这是法国喷气发动机发展史上的第二个里程碑。值得注意的是,也是在这一年,法国退出了与英国等国合作的后掠翼“狂风”战斗机项目。“大风”的方案差异让法国多少感觉到,在动力核心技术掌握在英国人手中的前提下,法国很难在设计上有更多的发言权。当然,法国人有理由不愿意。在联合研制美洲虎攻击机时,英国劳斯莱斯公司和法国图博梅卡公司联合研制了阿杜勒发动机,并于1968年***试飞成功。Adoul的额定推力为5240磅,加力推力为8430磅,总产量超过2800台,飞行小时超过700万小时。"阿杜" 拥有带加力和不带加力两个系列,可以满足对地攻击、***教练甚***舰载机的需求。除了捷豹、日本三菱T-2和F-1,BAE系统公司Hawk和波音-BAE Goshawk也采用了这种发动机,它具有良好的耐久性和可维护性。通过与罗尔斯·罗伊斯的合作,法国发动机的发展水平得到了一定程度的提升,希望在新的国际合作项目中拥有更重要的地位。某种程度上,“狂风”项目的启动也促使法国进一步挖掘“阿塔”的潜力,研发新的发动机。
M53原名“超级阿塔”,法国希望将其作为两倍音速的国产战斗机的先进动力。在“阿塔”的基础上经过三年的改进,M53终于诞生了。从1970年开始,***批20架原型机开始试验;10月,发动机达到设计转速和***大加力推力(11446磅/50.96千牛);1971年9月,M53实现***大加力推力(18740磅/84.43千牛);1973年7月,M53被放在Fast Sail右侧的发动机短舱上进行试飞,次年12月又被放在幻影F1-M53上进行高马赫数试飞——当时它正与F-16争夺北约战斗机竞标合同。
M53的设计理念可以追溯到“Atta”9C/9K,M53也采用了单轴设计,风扇、高压压气机和涡轮都在同一根轴上。很多人认为M53是世界上***一款在主力战机上服役的单轴涡扇发动机,设计相当老套。也许吧,但不可否认的是,这样的设计使得M53的结构极度简化,比TF306更简单可靠(发动机非常接近普惠TF30)。与当代双轴涡扇发动机相比,M53皮革坚固耐用,完全不需要精心护理。M53的维护也很简单,因为采用了模块化制造理念,零件非常通用。维修过M53的工程师对这种发动机印象***深的就是简单。它没有可调定子,运动部件较少, 更好的可靠性和良好的机动性,并且其性能在使用中不受限制,这在作战中尤为重要。
当然,结构简单,可靠性高也不是没有成本的,单转子设计限制了压缩效率。一般双转子发动机可以获得更好的压缩比,更好的燃油经济性和更大的推力。M53-P2的单位推力油耗为0.9,而同类军用涡扇发动机通常为0.68 ~ 0.76。M53的压缩比是9.8:1,而当代GE F110和普惠F100的压缩比是30:1。相比之下,F110和F100的推力也明显高于M53。F100-PW-200的加力推力可达10800公斤(23770磅),F110-GE-100的推力为13150公斤(28984磅)。
法国人原本希望M53能在1975年投入使用。升级后的幻影F1、可变后掠翼的幻影G4和双引擎的幻影4000都计划采用M53。但是这些项目***后都夭折了。如今,M53的***用户是幻影2000战斗机。“幻影”2000能成为享誉世界的战斗机并成功销往多个***,M53功不可没。
发人深省的是,法国政府在民用航空发动机研发上的努力丝毫不亚于军用喷气发动机,CFM56就是***鲜明的例子。
20世纪60年代,斯奈克玛开始研究新一代高涵多臂民用涡扇喷气发动机,推力10吨(20000磅/89 kN)。斯奈克玛希望在军用喷气发动机研发的基础上,开发出一款有竞争力的民用发动机。斯奈克玛也明白民用航空发动机的市场需求和军用发动机有很大的不同,他也想寻求有经验的合作伙伴。
法国人考虑了几家公司,如普惠公司、劳斯莱斯公司和通用电气公司。普惠有成熟的JT8D发动机,现在考虑继续升级,竞争10吨级市场。英国劳斯莱斯公司技术实力不错,但在RB211项目开发中遇到重大财务危机,面临破产。这样看来,只有通用电气***合适。***终,在1971年的巴黎航展上,斯奈克马和通用电气达成协议。双方都看到了未来新型航空发动机的巨大市场潜力和商机,很快就签署了联合研制新型民用航空发动机的协议。
通用电气本来就看不上斯奈克玛这种没那么厉害的。它之所以能同意联合研制10吨级涡扇发动机而不自行研制,主要原因是不想独自承担巨额研发费用。GE原本打算提供CF6发动机的相关技术,与法国人合作开发10吨级发动机,性能有限。但就在1972年,美国空军宣布启动先进中程短距起降运输机项目(AMST),要求研制10吨级军用涡扇发动机。现在通用电气面临一个新的选择:是按计划与斯奈克玛合作制造“受限”的10吨级发动机,还是用自己的优势技术研发“先进”的10吨级发动机?显然,“限量级”发动机很可能使通用电气在与普拉特&( Pratt &)等强手的竞争中失利 惠特尼。于是GE决定拿出专门为B-1枪骑兵超音速轰炸机研发的F101核心技术,开始为其申请出口许可。这是法国人的好时机。
1972年,通用电气正式申请F101核心技术的出口许可,但美国军械控制委员会以危害***安全为由驳回了申请,因为该技术与美国战略威慑的重要组成部分B-1轰炸机直接相关,而且该发动机的研发也动用了国防部大量资金。一旦F101核心技术出口到法国,也可能影响美国的就业。这一正式决定被写入***安全备忘录,签署备忘录的人是***安全顾问亨利·基辛格。
法国政府非常重视这一合作。当时,法国总统乔治·蓬皮杜在1971年直接去找美国总统尼克森。据说GE高层认为,如果不参与合作,一旦斯奈克玛研发出这种量级的发动机,法国就能在未来的民航动力系统市场上抢占更多份额。但尼克松政府担心的不仅仅是这个,他们还害怕F101核心技术的出口是美国失去航空领域技术优势的开始。
虽然出口许可未获批准,但法国政府并没有放弃,仍然积极推动尼克松政府同意F101技术出口,通用电气也积极游说。***后,在1973年的美法峰会上,这个问题成为尼克松和蓬皮杜的重要议题。经过紧张的讨论,美国和法国***终达成了一项艰难的协议,同意共同研制CFM56发动机。当时有媒体报道称,协议的基础是法国和美国共同成立一家公司开发新型民航发动机,美国同意通用电气使用F101的核心发动机技术,与斯奈克玛公司合作开发新型民航发动机CFM56, 但飞机的核心部分应该在美国制造,然后运到法国进行总装,以确保敏感技术不被泄露。这家法美合资公司还将向美国支付总计8000万美元的技术许可费,作为对美国政府研发F101的研究经费的补偿。根据2007年解密的官方档案,CFM56项目促使美国同意技术出口的另一个重要因素是,法国政府同意未来降低美国飞机出口欧洲的关税。
技术出口问题解决后,1974年,斯奈克马和通用电气合资成立了CFMI合资公司,双方各占50%股份。在研发分工方面,GE负责开发高压压气机、燃烧室和高压涡轮,Snecma负责风扇、低压压气机和低压涡轮。此外,它还负责发动机和飞机的初步综合工程设计,主要是发动机短舱的设计。起初,斯奈克马还负责变速箱设计,后来这项工作转移到通用电气。
整个合作模式很有意思。通用电气和斯奈克玛都有自己的装配线。一些成品发动机在美国组装和测试,而另一些则在法国完成。在法国组装的CFM56严格遵守美国和法国的出口协议。通用电气的核心机在美国制造后被运到法国的斯奈克玛公司,锁在专门的储存仓库里,连斯奈克玛的总裁都无权进入。斯奈克玛的低压压缩机和低压涡轮零件在制造完成后就被运到了这个仓库。通用电气的员工负责将法国零件装载到美国核心机器上,然后将这些零件运出进行***终组装。
1974年6月,***台CFM56发动机在通用电气公司试飞成功,同年10月第二台发动机也试飞成功。不久,第二台发动机被运往法国,并于12月13日在那里进行了***测试。前两款发动机被命名为CFM56-2,作为生产原型,而不是传统的测试原型。
1977年2月,在美国AMST招标中,麦道YC-15运输机上的4架普惠JT8D中的一架换成CFM56进行试飞,这是CFM56的***试飞。不久,法国将CFM56装上“快帆”进行试飞。地面测试和飞行测试持续了几年,CFMI开始寻求AMST项目之外的客户。主要目标是道格拉斯·DC-8和波音707的更新计划,包括需要更新的军用加油机KC-135。
起初市场对CFM56反应冷淡,但波音意识到民航业噪音限制时代即将到来,CFM56可以解决老旧发动机噪音过大的问题。1977年,波音公司宣布707将使用CFM56进行飞行试验,随后在1978年,决定B707-320选用CFM56。这种新改型707被称为B707-700。鉴于民航业对707的更新兴趣不大,波音公司在1980年停止了707-700项目,使用CFM56的707-700飞机一架也没有售出。虽然销售业绩未能取得突破,但波音707成功使用CFM56为其日后赢得KC-135更新项目铺平了道路。
美国空军KC-135加油机换装计划足以让任何一个发动机制造商垂涎三尺——有600多台KC-135发动机需要换装。1977年美国空军一宣布开始招标,CFMI就积极响应。法国政府也给予了全力支持。为了帮助CFM56在与普惠TF33和JT8D的竞争中有更多的胜算,法国政府于1978年宣布将法军11架KC-135换装CFM56,为CFM56提供了***批订单。好事多磨。1980年1月,CFM56中标。造成这一结果的主要原因是CFM56的优异性能。当时,美国军方官员急于更换普惠J57——在KC-13***上——尽管它曾经是一个里程碑式的产品——抱怨它是当时仍在使用的“噪音***大、***脏、燃油经济性***差”的航空发动机。带有CFM56的KC-135被命名为KC-135R, 并且其性能得到了显著提升:起飞距离缩短了近1100米(3500英尺),油耗降低了25%,噪音降低了24分贝,寿命周期成本也降低了。1982年,美国海军决定使用CFM56-2作为E-6水星号(也是由B707改装的)的动力。从那以后,CFM56有了很多好东西:1984年,沙特阿拉伯***空军选择CFM56-2作为E-3的“瞭望塔”。预警机的威力,英法购买的E-3也装备了CFM56。
20世纪70年代末,国际民航业开始计划购买静音性和燃油经济性更好的新飞机,或者尝试升级老旧的道格拉斯·DC-8。1979年4月,美国联合航空公司宣布将30架DC-8-61换成CFM56-2,拉开了CFM56项目爆炸式发展的序幕。这个订单意义重大。它是***次真正的商业采购,而不是政府采购和军事采购,这促使通用电气和斯奈克马迅速冻结了CFM56的设计。达美和飞虎两家航空公司风闻,前来购买CFM56。从那时起,CFM56就在民用航空市场站稳了脚跟。80年代初,波音公司选择CFM56-3作为***新的B737-300的动力。到2010年4月,超过5000架装有CFM56发动机的737飞机已经下线。
到2010年,CFM56主要有四种型号,总产量超过2万台,广泛应用于波音737。CFM56也成为A340选择的两个动力系统之一——另一个是英国劳斯莱斯的Trent。此外,CFM56还获得了A320系列飞机的动力系统订单,成为***重要的民用高涵多臂发动机之一。到2010年1月,CFM56总飞行小时超过4.7亿,相当于5.3万年!通过Tech56 R&D示范项目,CFMI还探索了如何提高CFM56的燃油经济性,降低维护成本和废气排放。2004年,CFMI启动了技术插入项目,通过提供升级套件为售出的发动机提供升级服务。
CFM56为法国民用航空发动机的发展奠定了坚实的基础,并使法国有机会接触到当时***先进的GE GE9核心发动机技术,为法国军用航空发动机的未来发展铺平了道路。
当今法国***战斗机“阵风”的M88发动机是法国政府坚定决心的产物,这不仅体现在研发上,也体现在对航空动力产业战略的维护上。在20世纪70年代末,斯奈克玛开始实施德克斯特R&D项目,旨在开发一种体积更小的全新战斗机发动机。要求推重比比“阿塔”9K50高50%,加力推力75-85千牛(16872-19100磅),这是一个很大的飞跃。1980年,斯奈克玛完成了双转子涡扇发动机M88的演示样机,并开始了地面试验。1983年,法国、英国、德国等几个欧洲***达成协议,共同研制欧洲战斗机。几经周折,我们都知道法国退出了这个项目。辞职的原因有很多, 但不可忽视的一个因素是,法国人无法容忍欧洲战斗机的动力系统在欧洲之外倒向英美。当时英国坚持用劳斯莱斯RB199,德国提出用GE F404,法国坚持用自己的M88。
退出欧洲战斗机项目后,法国开始全力研发“阵风”战斗机。在此期间,斯奈克玛还不断改进M88的设计。从1984年到1986年,斯奈克玛将M88的涡轮前温度提高到1700K,经过三年的努力,1989年涡轮前温度进一步提高到1850K。法国政府给予斯奈克玛大力支持,并于1987年拨付了全额发展资金。1989年2月,以M88阵风A和GE F404进行了***飞行试验。
从1980年M88演示样机的完成,到1996年M88-2发动机的批准试验,整整16年,斯奈克玛的精心管理和精心设计,终于带来了法国军用喷气发动机技术的飞跃:M88-2不仅如期完成,而且开支也比预算减少了15%。M88-2的加力推力为48.71千牛(10950磅),加力推力为72.97千牛(16404磅),推重比8.5。到1996年5月,M88-2已完成“阵风”6200飞行小时试验,总试验时间超过16400小时,同年年底交付首批生产。
M88-2的开发合同价值一直保密。这款发动机采用了法国***先进的航空技术,包括单晶高压涡轮叶片、粉末冶金盘和全权限数字发动机控制技术。M88-2可以配合阵风在飞行包线内完成任务,对飞行员没有任何限制。用法国人自己的话来说,M88具有“极快的油门响应、低可探测性和多任务适应性”。M88-2采用了很好的模块化设计思想。整机由21个模块化部件组成,模块之间具有良好的互换性。更换后维修人员不需要过多调整和平衡发动机。
斯奈克玛目前正在研制改进型M88-2E4,推力指数M88-2不变,但发动机寿命提高,油耗相应降低,发动机在低空突防任务中的耐久性提高。M88-2E4采用新型高压压气机、涡轮叶片和一体化压气机叶轮。高压涡轮采用改进的陶瓷防热涂层,燃烧室采用先进的冷却通道。在M88-2的基础上,斯奈克玛还研制了M88-3,将推重比提高到9.5,并积极向法国政府建议将其用于改进“阵风”。M88-3采用新设计的低压压缩机,进气量由M88-2的每秒65kg提高到73.4kg..新的可调压缩机定子级也经过了重新设计, 大大提高了发动机的工作裕度,更适合“阵风”的多任务需求。当然,所有这些改进都是基于斯奈克玛的压缩机预研计划。
如今,M88是法国***先进的军用涡扇发动机,推力范围为11250 ~ 23600磅(50 ~ 105千牛),核心发动机相同。在M88核心发动机的基础上,法国研制了商用大涵道比涡扇发动机SAM-146和军用涡桨发动机TP400-D6,分别用于苏霍伊SSJ-100和空客A400。
法国人可以自豪地告诉任何人,他们的飞机和使用的高性能发动机是100%法国产品。诚然,与美国同类航空发动机相比,法国喷气发动机技术仍有差距。法国的经验中***珍贵的是,无论是合作还是自研,法国都会始终坚持用自己的航空动力系统为自己的电力工业创造***大***慷慨的市场。自1789年攻占巴士底狱的革命行动以来,法国人民对独立和自由的理解显然更加深刻。在低劣的技术性能指标和国防尖端技术的独立地位之间,不甘受制于人的法国人宁愿选择前者。
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