导读
2020年1月21日，在著名的美国加州米拉马海军陆战队航空站(MCASMiramar)，美海军陆战队战斗攻击(VMFA)314“黑骑士”中队正式装备了第一架F-35C型舰载战斗机，这是美海军陆战队订购的80架F-35C中的第一架，未来将部署在航母上。F-35C是目前世界上唯一的第五代舰载机，最大的优势是出众的隐身性能、先进的航电系统，配备了所谓“全球最强涡扇发动机”——F135-PW-100。在普惠公司早期官方文件中，F-35C采用的不是F135-PW-100而是F135-PW-400发动机，后者造价也因为使用了更先进的材料而更高。但根据普惠公司最新的官方资料，F135-PW-100均装配于F-35A/C，不同的是，装配于F-35C的发动机采用了耐盐腐蚀材料。
一、研发背景与历程
在美国联合攻击战斗机(JointStrikeFighter，JSF)项目中，美国国防部一直致力于寻求一种全寿命周期耗费低廉合理、并且能够同时满足三个不同军种使用要求的设计方案。JSF的设计必须包含常规起降型(ConventionalTakeoffandLanding，CTOL)、舰载型(CarrierVariant，CV)和短距起飞/垂直降落型(STOVL)等三种不同型号。在JSF验证机研制之时，当时世界上唯一可以满足性能要求的发动机就只有美国普拉特•惠特尼公司(Pratt&Whitney，PW公司)研制的F119-PW-100发动机，装备于F22“猛禽”战斗机。后来，基于F119-PW-100的先验经验，PW公司又成功开发出了F135-PW-100和F135-PW-600两款发动机，分别装配于F-35A/C和F35-B。
“现役全球最强涡扇发动机”——F135-PW-100-有驾
史上军用最强航空涡扇发动机——F135发动机
F135系列发动机最在1986年的DARPA项目中被提出，起源于洛克希德•马丁公司(LockheedMartinSpaceSystemsCompany)的臭鼬工厂，洛克希德•马丁公司首先成功开发并为其申请了专利，然后求助于PW公司建造了试验机F100-229-Plus。地面试验机F100-229-Plus使用了F119-PW-100发动机的第一级风扇作为提升风扇，采用了F100-PW-220的发动机风扇和核心机，采用了F100-PW-229的较大的低压涡轮。
F135发动机团队由PW公司、罗尔斯•罗伊斯公司(Rolls-Royce)、伍德沃德公司(Woodward,Inc.)和汉密尔顿•松斯特兰德(HamiltonSundstrand)组成。PW公司是主机和系统集成的总承包商，罗尔斯•罗伊斯公司负责垂直升力系统，汉密尔顿•松斯特兰德负责发动机电子控制系统、制动系统、PMAG、变速箱和健康监测系统，伍德沃德公司负责燃油系统。
以下为F135发动机的发展历程：
●2003～2004年，第一台F135发动机进行测试；
●2006～2008年，F135装配于F-35A和F-35B完成首飞；
●2009年，普惠公司改进了燃烧室、高压涡轮风扇叶片等关键部件，使得F135更加耐用；
●2010年6月，装配F135的F-35C完成首飞；
●2011年10月，装配F135的F-35B首次在舰上完成降落；
●2015年7月，美国海军陆战队宣布装配F135的F-35B具有初步作战能力；
●2016年8月，美国空军宣布装配F135的F-35A具有初步作战能力；
●2019年2月，美国海军宣布装配F135的F-35C具有初步作战能力。
二、F135-PW-100具体性能
F135-PW-100最大的特点就是具有极高的推重比，发展到现在其最大推力超过19吨。另外F135-PW-100具有极高的涵道比，F119-PW-100的涵道比为0.3，而F135-PW-100则达到了0.57。
F135-PW-100发动机具体性能参数
资料来源：普惠公司
目前世界推重比超过10的一级涡扇发动机系列只有美国的F119和F135系列以及俄罗斯AL-41系列正式投入使用。欧洲喷气公司(Eurojet)的EJ200涡扇发动机、法国国营航空发动机研究制造公司的M88-2涡扇发动机的推重比均不超过9，而俄罗斯最先进的由土星设计局研制生产的AL-41F推重比虽然超过10，却以牺牲零件寿命为代价，运行寿命仅约4000小时。仅从航空发动机性能参数上看，美国依然是世界航空领域整体实力绝对第一的动力强国。以下为F135-PW-100与其它同类型航空发动机的性能参数对比。
世界各国主要航空涡扇发动机主要性能参数
资料来源：市场调研(上述数据坑爹，随便看看就行了，F119的推力并没有到19.5t)
三、F135-PW-100组件构造
F135-PW-100基于F119-PW-100的核心机和主要结构，采用与F119-PW-100发动机基本相同的核心机。为提高推力，增加了发动机的空气流量和涵道比，提高了发动机的工作温度。在保持原风扇的高级压比、高效率、大喘振裕度和轻质量的同时，将风扇的截面面积增加了10～20%。6级压气机与F119-PW-100发动机的基本相同。
(一)进气道及低压风扇
F135-PW-100进气道包含一个由21个固定的径向导流叶片组成的环，这些叶片安装在前置低压轴承上。
与F119相同，F135-PW-100也采用三级风扇，即低压压缩机(LowPressureCompressor，LPC)，每级风扇都包括一个单片式整体叶片转子，由实心钛合金盘体和钛叶片焊接而成，与F119的每级风扇相比具有更高的质量流量和压缩比。此外，F135-PW-100每级风扇的稳定性、抗撞击能力得到了加强，并且重量更轻。风扇外壳由有机基复合材料(OMC)制成，第一级风扇由中空的OMC材料制成，通过线性摩擦焊工艺焊接在盘提上；第二、三级风扇是由侧翼铣削钛合金制成，使用相同技术焊接而成。线性摩擦焊是利用两个工件以一定的频率和振幅往复运动而产生的热量进行焊接的方法，接合面受热熔化后在压力下使工件结为整体。F135-PW-100进气道直径为1.168米，每级风扇的单片式整体叶片转子直径为1.1米，涵道比为0.57。
“现役全球最强涡扇发动机”——F135-PW-100-有驾
F135-PW-100发动机剖面结构图
(二)压缩机
F135-PW-100有一个六级高压压缩机(HighPressureCompressor，HPC)单元，每级同样都采用了整体叶盘方式，旋转方向与前面的LPC旋转方向相反。前两级叶盘采用钛合金制造，由于气流经过每一级的压缩后都会变得更热，所以后四级叶盘改用高强度镍基合金制造，以承受更高的温度。由钛合金制成的分离式前箱具有不对称的稳定导流叶片(定子)，所有的定子都是整体叶片。后部定子由镍合金铸成，并在高蠕变强度的钛合金外壳环中以节段排列。HPC整体直径为0.635米，单位气体流量为129.6kg/s，整体压缩比为35:1。
(三)燃烧室
F135-PW-100的单环形扩压器/燃烧室也源于F119，具有可拆卸衬垫和一组燃油喷嘴，全部容纳在一个扩散机匣内。燃烧室外壳长度和直径均约0.762米，燃烧室内部长度约0.23米，直径约0.51米。进入燃烧室的气流压力可以达到4150kPa，温度可以达到920K。当F135-PW-100全功率运行时，气流通过燃烧室的时间仅为0.003秒。燃烧室的内胆采用冲击冷却和气膜冷却，内壁还铺有浮壁陶瓷涂层镍基铸件材料，这种材料表层有成千上万的小孔，可以在固定的位置上下浮动。燃烧室的出口燃气温度可以达到2450K。
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F135-PW-100发动机燃烧室示意图
(四)高压涡轮与低压涡轮
F135-PW-100的高压涡轮(HighPressureTurbine，HPT)采用新型翼型涂层冷却的单级联结构，同样是基于F119，但是冷却流量增加了一倍。高压涡轮通过关闭后定子转角来增强射流冲击冷却，高压涡轮的由高强度粉末冶金烧结的转子叶片由第二代单晶镍基合金制成，具有极好的外部空气密封性能。高压涡轮的直径约为0.914米，在来流温度超过1920K时，涡轮转子的转速可以达到15000RPM，同时产生大约47752kW功率的动力。涡轮转子叶片采用板上切向喷射(TangentialOn-BoardInjection，TOBI)冷却，使压力损失最小化，并且涡轮转子每个叶片都是一个具有多个冷却通道的复杂铸件。
根据普惠公司“下一代战机发动机”总经理JimmyKenyon在一次采访中所说的，F135-PW-100的所有转子叶片采用了一种以镍合金为基础的新铸造工艺。这种铸造工艺可以使转子叶片表面产生很多内部小孔，加强冷却效果，同时叶片也涂上了最新的热障材料。叶片冷却机制可分为外部冷却机制和内部冷却机制：内部冷却机制是叶片前缘的冲击冷却和叶片内部通道的强制对流；外部冷却机制主要采用气膜冷却和尾缘喷射。
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多孔冷却概念涡轮叶片
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F135-PW-100高压涡轮叶片内部结构
F135-PW-100低压涡轮(LowPressureTurbine，LPT)是两级设计的结构，可以比F119的单级LPT提供更多的输出功率，与HPT旋转的方向相反。
(五)加力燃烧室
普惠公司至今仍未透露F135-PW-100加力燃烧室的具体细节，但是可以了解到的是F135-PW-100的加力燃烧室是一种可变的缩扩喷管，具有先进的燃烧器系统，能够处理大体积气流。加力燃烧室包含15个液压驱动铰链襟翼，控制推进射流，射流气体压力可达621kPa，温度可达2200K。液压执行机构可以在面积和外形上进行变化，当大量射流来临时，液压执行机构可协助旁路气流减小面积以得到加力的效果。
F135-PW-100采用了多区燃油喷射技术把燃油喷向加力燃烧室点火器后方。燃油喷嘴可以单区喷射燃油，所以可以调节加力燃烧室的加力幅度。在飞行员的控制下，多区燃油喷射技术可以提供一个平稳的推力变化过程。
与F119发动机相同，F135-PW-100的加力燃烧室也采用了隐身设计，这两种发动机把多区燃油喷嘴隐藏在弯曲的静态导向叶片中，从而取消了传统的喷油杆和火焰稳定器。
“现役全球最强涡扇发动机”——F135-PW-100-有驾
从尾部看去，普惠公司会遮挡F135-PW-100尾喷管内部结构
四、F135-PW-100的电子及电力系统
(一)PHM系统
F135系列发动机除了具备完善的状态监视和故障诊断能力外，还提出了故障预测的要求，并且也具备了一定的预测能力。预测是发动机健康管理(EngineHealthManagement，EHM)系统区别于以往发动机监视诊断系统(EngineMonitoringSystems，EMS)的显著特征之一。为此，普惠公司投入了大量资源，开发了新型传感器和诊断软件，形成了比较完善的健康管理系统和配套的考核指标体系，形成了F135-PW-100的发动机健康预测及管理系统(PrognosticsandHealthManagement，PHM)。
F135-PW-100的PHM系统驻留在全权限数字式电子控制装置(即FADEC)中，接受各类传感器发来的信息，包括：发动机吸入屑末、滑油状况、发动机应力、轴承健康信息、静电式滑油屑末等信息，以及先进寿命算法和部件状况监测系统传来的信息，并进行融合和推理处理。
F135-PW-100的PHM系统集成了吸入碎片监控(IDMS)、发动机微粒监控(EDMS)、涡流叶片监控(ECBS)、滑油微粒监控(ODM)等功能，可以在飞行中自动探测发动机的故障，自动调整发动机工作状态并通知飞行员；同时通过F-35A/C战斗机机载的多功能先进数据链(MADL)将数据实时传递到基地，从而使基地在飞机着陆前就能准备好需要更换的零部件。
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F135-PW-100的PHM系统
(二)PTMS系统
F135-PW-100的飞机动力和热力管理系统(PTMS)有四个主要工作模式：
●自起动模式(SSM)；
●主发动机起动模式(MES)；
●冷却模式(CM)；
●应急动力模式(EPM)。
在自起动模式下，PTMS使用飞机电池的电力起动涡轮机旋转。系统中的SRS/G开关磁阻电机/起动机使用来自飞机电池的电力获得运转动力，压缩机处于开放模式运行，发电机与冷却风扇通过一根轴相连，两根轴通过一个可控制开断的滑套相连接。当涡轮动力转速达到一定转速后，发电机既能稳定的输出电力，动力和热力管理系统则将进入自我维持模式。这时飞机通过消耗燃油来获得电力。
当PTMS处于主引擎启动模式时，飞机通过持续燃烧燃料来获得动力，并通过配电网络将电力提供给另外一侧的SRS/G开关磁阻电机，SRS/G开关磁阻电机此时带动主发动机运转。
当主引擎启动完成后，PTMS将进入冷却模式下工作，处于这种模式工作时，PTMS的燃烧室将停止使用，PTMS的动力涡轮由高压压气机相连的引气管压缩空气驱动，压缩机处于半闭环控制。如压缩机处于关闭状态时，压缩空气通过风管热交换器(FDHX)，进一步膨胀而进入冷却涡轮。来自涡轮出口的部分冷却空气则被输送至驾驶室用于增压以及空气调节。
如果在飞行中主发动机发生故障，PTMS则自动将进入应急发电模式。压缩机将旁通阀打开，将空气与飞机高压气瓶存储的压缩气体一起泵入PTMS的燃烧室，应急燃油系统将燃气喷入燃烧室燃烧。经过加热膨胀后的高温高压气流驱动动力涡轮继而带动整个PTMS的发电机组从新恢复供电以及让PTMS整个涡轮系统处于稳定工作状态。
2018年6月13日，普惠公司宣布将为F135系列发动机选择“成长2.0”升级方案(GrowthOption2.0)，该方案将加大电源和热管理系统(PTMS)容量。“成长2”升级方案根据用户对PTMS改进需求进行配置，将明显改进PTMS容量。在整个飞行包线上，“成长2.0”与“成长1.0”对比可节省5～6%的油耗，以及增强6～10%的动力，还能同比提高PTMS容量。
总结
普惠公司在研制F135-PW-100过程中使用的众多航空材料技术、工艺加工技术和电子系统技术彰显了美国雄厚的工业和科技实力。我国虽然第五代机歼20已经开始服役，但配备的WS15发动机在研制进度上已落后于飞机本身，从这个角度上看，我国战斗机的发动机研制事业依然任重而道远。

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