【研发案例】美国普惠F100发动机研制过程的挫折和发展
导读：这篇文章不是为了传播美帝腐朽的资本主义，但对我国产发动机的研发的确有可借鉴之处：在国防军事工业领域，必须建立起有效的合理竞争环境。在国防军事工业这个领域，任何所谓“避免内耗，整合出效益，各专其摊，各做一块”幌子下的实质行业垄断和一家坐吃大户，对国防事业都是十分有害和危险的。在所谓“避免内耗，整合出效益，各专其摊，各做一块”幌子保护下，成长出的不但不是优秀的高能企业，反而是坐吃大户、有恃无恐、坐地耍赖、令客户无可奈何的“大爷型”企业。
一是低压压气机叶片失速
压气机位于发动机的前方，负责将通过进气道的气流压缩，提高压力和燃烧效率。F100-PW-100发动机的压气机叶片在某些状态下会出现混乱紊流而导致叶片失速，直接影响到压气机与发动机运作的顺畅性和连贯性，造成发动机工作失常。而且这种停滞性失速是持续发生，飞行员必须将发动机关闭后重新启动，才能解决这个问题，否则无法消除异常。这就造成了严重的空中停车和重新启动问题。
更令人头疼的是，F100发动机不止用于双发的F-15上，还用于单发动机的F-16上，单发的F-16空中停车和重新启动时处在没有动力的状态，一旦空中启动不成功就将只有坠毁，这就带来了更大的安全隐患。
美国空军在多次同类故障中逐渐总结出：F100发动机的停滞性失速故障有超过70%的比例发生于打开加力燃烧的时刻，也就是说飞行员最需要大幅度增加推力之际却会更多发生空中停车故障。为了降低发生故障的机率，美国空军只有先要求飞行员尽量减少使用加力推力状态。
此外，美国空军还要求地勤人员手工调低发动机的输出推力限制，通过降低发动机使用推力来使发动机远离出现故障的“边界”，以减少发生危险的次数。但是这项规定对部队战斗力带来了严重的制约：由于平时不能经常使用加力推力进行训练，使飞行部队的训练状态大打折扣。而到战争爆发的时候，还需要临时恢复原先发动机的最大性能，并且还要面对战时最需要大幅度增加推力的空中格斗之际却发生更多空中停车故障的风险。
二是涡轮叶片断裂
F100-PW-100发动机的一级涡轮叶片常常仅使用很短时间就出现疲劳断裂破坏，当叶片发生断裂时，在每分钟3万转的高速下，断裂飞出的涡轮叶片犹如一把把飞刀，经常将后机身打得破烂不堪。
做为发动机上的热工作件，涡轮叶片需要承受非常高的温度与转速。涡轮叶片断裂故障的来由与压气机叶片停滞性失速或工作不正常有密切的关系，压气机叶片失速或其他工作不正常的时候会中断给涡轮叶片冷却气流的供应，这时候承受高温气流的涡轮叶片立即发生温度分布不均匀以及温度迅速上升超过设计的温度。
加上涡轮叶片在飞行中处于不断的高速旋转之下，高速旋转所施加的应力使部分叶片出现快速脆化与裂缝。当叶片结构开裂发展到极限值时就会发生断裂，在高速旋转作用下飞出的涡轮叶片将严重损坏整个发动机。而且这种损害无法像压气机叶片失速故障那样通过空中关闭发动机后重新启动来解决。这种故障是最危险的一种故障类型，一旦发生就将造成整台发动机失效，有时甚至会像爆炸一样对后机身造成严重损坏，导致飞机坠毁。
对于这个问题，普-惠公司先只是采取了一个应景的措施--为了防止断裂的叶片打坏整个后机身，F100发动机在发动机外特别设计了一层坚固外衬，来限制断裂的叶片不会飞出。但是，这种做法丝毫不能减少和解决涡轮叶片断裂的故障，并且遮挡住了维护检修时的直观视线，让地勤人员必须将发动机从飞机上完全卸下来才可以检查发动机。涡轮叶片频繁发生断裂的故障，让美国空军地勤人员必须以很高的频率对涡轮叶片进行检查，这更增加了地勤人员的工作量。
三是许多零部件寿命远低于预期寿命
许多零件的使用寿命短到让美国空军难以接受的地步，只使用几十飞行小时就被迫需要更换。这极大的增加了F100发动机的使用成本，迫使美国空军F-15战斗机的日常使用开支处于超出预算的情况。经过使用方和制造方多次查找原因，认为零件寿命短于预期的原因来源于设计与操作两方面的因素。
喷气式发动机在设计上有一个重要的参数，用以指导耐久性水平，称为热机循环 (Thermal Cycle)。一个热机循环，代表发动机从启动之后到最大推力之后，执行完任务再回到最小推力降落的一个周期。对应到实际飞行中，计算一个热机循环周期需要参考的因素很多：任务型态，油门变化等等。发动机在设计阶段需要预估热机循环的次数与总使用时数，计算出适当的维修与检查的周期。
以F100之前、配用于第二代战斗机的发动机经验来说，操作2000小时下累计的热机循环次数大约为1765次，可是F100在实际使用中2000小时累计热机循环次数高达10360次，这是由于飞行员为了做最大机动飞行而在飞行中频繁变换油门大小，发动机推力从低到打开最大加力变化非常频繁迅速，这就超出了F100在设计时考虑的热机循环周期的2000小时累计2000次左右标准，立即暴露出了巨大的负面效应。
许多热工作段零件老化速率远远超出预期或者干脆还没到发动机首翻期就已经出现损坏，问题相当普遍。F100发动机的妥善率严重下降，而零件储备与使用成本却大幅上升，而对这些额外增加的成本，美国空军却必须遵照国会批准的预算花钱，非常头疼。
美国空军与普惠公司的争论
使用中出现的种种问题，使得普-惠公司与F100发动机饱受批评。面对F100发动机在使用中出现的问题，普-惠公司的态度却让美国空军很不满意。普-惠公司最初把低压压气机叶片失速问题归咎于“飞行员的粗暴操作和不良习惯”，表示“飞行员的粗暴操作和不良习惯”导致发动机工作状态超出了F100发动机设计时的考虑，所以这个责任不能由普-惠公司承担。
美国空军对这种推诿责任的说法感到极度不满，美国空军部一位负责人直言不讳的对普-惠公司的代表说：“我们给你们这么多钱，让你们做出这款发动机，是为了让你们确保我们能够干什么，而不是让你们教导我们:这产品不能干这个，不能干那个!”
美国空军的不满是有道理的，实际上，普-惠公司口中所谓的“飞行员的粗暴操作和不良习惯”就是飞行员为了发挥第三代战斗机优良的机动性能、在空战中占据上风而必须做的，为了充分发挥优良的机动性，就需要频繁的变换油门。根据需要，时而大幅度增大油门以提供强大的推力，时而剧烈减小油门以便减速。频繁的变换油门，是空战的需要，绝非飞行员拿到新机闲的没事瞎折腾。
而且普-惠公司在交付产品前和交付时，也从没有说F100发动机不可进行油门剧烈变换，使用手册上压根就没有“变换油门的时间间隔应该大于多少”这样的条文，而在出现大量故障之后才说“这是因为操作粗暴，超出设计考虑的范围”。所以，普-惠公司的说辞，是显然站不住脚的。
普-惠公司和美国空军对F100发动机的争论，还远不止这一个问题。对于涡轮叶片寿命远低于要求和断裂故障，普-惠公司也拒绝承担责任。普-惠公司表示，这个问题是与压气机叶片停滞性失速有密切的关系，压气机叶片失速、压气机工作不正常是美国空军飞行员“粗暴操作和不良习惯”引起的，所以涡轮叶片寿命远低于要求和断裂故障当然也应归咎于美国空军飞行员，不能由普-惠公司承担责任。
关于许多零部件寿命远低于预期寿命的问题，普-惠公司当然也不会认为是自己的责任。普-惠公司表示，在F100发动机设计阶段，需要预估热机循环的次数时，美国空军给出的材料是越南战争期间配用于第二代战斗机的发动机操作2000小时下累计的热机循环次数大约为1765次，所以F100发动机当然也不会考虑比这激增许多的热机循环次数。F100在实际使用中热机循环次数远远超出二代机的水平，甚至达到了2000小时累计热机循环次数高达10360次，这是由于“美国空军对飞行员教育不充分、没有纠正他们的不良操作习惯”而导致的。
既然F100的大量故障是在大大超出了设计时考虑的热机循环周期的情况下发生的，当然不能说是F100发动机的设计或质量问题，而应该由美国空军负责。普-惠公司还拿出了美国空军在F100发动机招标研制之初给出的设计任务报告，显示里面确实没有任何规定热机循环周期2000小时要累计高达10000次的内容。
对此，美国空军也确实是哑巴吃黄连，有苦说不出。虽然设计任务报告里确实没有规定热机循环周期2000小时要累计高达10000次，但F-15做为一款强调高机动性的第三代战斗机，机动性的强调，必然带来发动机油门的变化剧烈，这完全是普-惠公司应该想到的，而不应该是普-惠公司以“没有明确条文规定”来狡辩的。
而且美国空军的一位工程师宣称他在F100发动机研制期间就提出过热机循环周期完全按照上一代战斗机经验值会过小的问题，但被普-惠公司以“美国空军人员的个人意见不能代表美国空军的正式意见，这种质疑方式不符合常规程序”为由不予理睬。在一切争议都要以合同条文为依据的社会里，美国空军只好咽下半个苦果，提出对F100发动机故障多发问题造成的成本上升问题，由美国空军与普-惠公司经过谈判共同分摊。
但是，普惠公司却坚持极为强硬的态度，坚持认为问题都是美国空军自己使用不当，都是美国空军自己认识不清，所以未能提前提出准确的技术要求所致。虽然美国空军与普惠公司历经多次谈判商议，普惠公司也拒绝分摊成本与责任。
由于发动机频繁出现故障，F-15 大面积停飞，造成严重后果。在1978~1979 年间，出厂的 F-15 甚至长期没有安装发动机，而在停机坪上等待着F100-PW-100发动机问题解决。普-惠公司甚至利用配套配件厂的罢工事件，表示交付时间无法确定，来要挟美国空军就范给钱。在这种情况下，美国空军只有被迫停止接收F-15新机。
更要命的是，这时候美国空军F-16战斗机的动力也是F100系列发动机。美国空军两大新型战斗机: F-15和F-16都面临停飞问题，整个美国空军的战斗力出现了严重的阴影。这种情况使美国空军苦不堪言，空军夸耀了半天的主力战斗机变成了中看不中用的“机库皇后”，就已经够让美国政府和国会侧目相看的了，而且额外增加的大量维护修理更换配件费用，更使美国空军处于无法向政府和国会交待的地步。
问题迟迟没有解决的原因
任何新装备都会有个澡盆曲线现象。即装备新投入使用和使用寿命末期时故障率大幅度高、中间有较长时期性能成熟稳定。所以出问题本来算是正常的现象。
但F100发动机最大的问题是由于普惠公司坐拥行业垄断地位，出了问题不想正视和承认，反而动用各种手段和资源进行扯皮和推诿耍赖，而没有把主要精力用于尽快解决问题上。所以使问题长时间得不到解决，与军方矛盾越来越激化，最后变成名噪一时的技术质量问题事件的代表。如果一开始出现问题，普惠公司就认真的检查自身责任，采取切实有效的措施解决问题，F100发动机的技术质量问题本来也就没有大风大浪的度过了。
而普惠公司之所以敢这么牛逼的跟客户美国空军叫板抬杠，甚至指着美国空军的鼻子往美国空军身上推卸责任、把美国空军当垫背的冤大头乱踩，除了普惠公司做为有强大财政实力的大公司，跟一些国会议员以及国防部官员关系既深又密以外，普惠公司当时是美国国内唯一一家掌握了大推重比大推力涡轮风扇发动机技术、也是当时美国国内唯一一家具有投产的大推重比大推力涡轮风扇发动机生产线的公司、还是当时美国国内唯一一家获得美国军方采购合同的大推重比大推力涡轮风扇发动机供货商，拥有无可置疑的行业垄断地位，处于极为有利的地位，是有直接关联的。
不论什么事情，什么行业，只要一垄断，就自然越来越霸道，越来越不讲道理。客户的利益就越来越得不到保证，越来越没地位，最后甚至有沦为利益集团陪绑品的危险。普惠公司的垄断地位，还算是自己发展竞争来的。如果有些国家有些公司的垄断地位，是行政权力给予的，自己做的多差都没有关系，那更可怕。
老美的解决方式
事实证明只有打破垄断自由竞争产业才能得到发展，用户才能得到质高价优的产品。下面简单介绍下美国人是怎么解决这个难题的。
愤怒的美国空军
美国空军的怒火终于到了忍无可忍的边缘。美国空军对普-惠公司的产品质量与服务态度极为不满，双方的关系恶化到了剑拔弩张的地步。1979年美国空军与普-惠公司的对峙官司终于一直打到了美国国会上。在美国国会就美国空军第三代战斗机集体出现发动机故障问题的公开听证会上，面对与普-惠公司有密切金钱往来关系的少数议员倾向性明显的咄咄逼人的反问和诘责，美国空军据理力争，直斥普-惠公司产品设计有缺陷，生产工艺不过关，服务态度傲慢恶劣，毫无反思精神，发现问题后继续推诿掩盖，视飞行员生命安全为与己无关，出事后推卸责任，百般扯皮，自私自利大发劣质产品财，不但不提供免费更换配件，反而利用产品质量缺陷大发零部件财。普-惠公司的代表却发扬技术人员懂得技术的复杂性来扯皮的特长，反唇相讥，指责问题都是美国空军飞行员操作习惯野蛮和管理松散、地勤人员技术水平差、责任心不到位、没有良好的掌握F100发动机的维护检修、美国空军管理水平低下所致。双方的代表在国会上唇枪舌战，经久不息，一时间震动国会。
此次听证会之后，针对F100-PW发动机的情况，美国空军知道光与普-惠公司这样扯皮下去根本无济于事。他们悔恨的认识到建立充分良性竞争体制的必要性，像现在这样，大推力涡轮风扇发动机竟然只控制在一个不负责任、利用行业垄断地位坐吃大户的公司手上，是极为危险的。美国空军迅速改弦更张，改为一方面让普-惠公司的F100发动机改进完善，勉强继续提供经费让普-惠修改设计或分系统，另一方面在美国国会强烈要求开展“战斗机候补发动机”竞标项目。
这个时期美国海军的F-14战斗机的正选动力F401发动机(其实就是F100发动机的海军舰载版，加强了航母上使用所需面对适应高盐高湿环境和加大起飞时最大紧急推力)也因大量质量问题，同样无法达到可靠的地步。已经独自投入了数亿美元经费、不堪忍受产品这个德行样的美国海军只有公开放弃。气恼不堪的美国空军和美国海军迅速联起手来，大力推动“战斗机候补发动机”竞标项目在国会通过。
GE的屡败屡战
1979年，美国空军开始推行“战斗机候补发动机”竞标项目。这时候普-惠公司的强劲对手、美国航空发动机行业的另一巨头--美国通用电气公司(GE公司)在此项目开始异军突起。
美国通用电气公司本来在第三代战斗机动力的研制生产上落败于普-惠公司，他们于60年代中期开始研制F101加力式双轴涡扇发动机，在F101上使用了GE公司掌握的所有最新技术。然而1977年6月，F101发动机原定装机对象正式下马，F101发动机失去了装机对象。而F101研制之初又不是专门为战斗机需要研制的，想参加F-15、F-16等第三代战斗机动力竞争中不占优势。
何况此时F-15、F-16的动力竞争已经结束，普-惠公司的F100已经获胜，独揽了美国空军第三代战斗机的发动机订单。F101面临着走投无路、半路夭折的命运。如果继续研制试验下去，还要投入大量的费用，这一切只能主要由通用电气公司自己承担，通用电气公司要承担巨大的财务风险。同时其装机对象不明朗，也使这款发动机研制出来之后面临无法收回投资的危险。通用电气公司内部也有一部分人要求终止这款已经占用了大量费用的发动机型号。
面对着近乎失败的绝境，通用电气公司高层决定不放弃在F101上积累获得技术，他们绝不在高性能大推力涡轮风扇发动机领域上坐视自己退出竞争、沦为无足轻重者。他们顶着巨大的财务风险，依然保留了F101发动机的核心机，梦想在这款核心机上发展出其他型号发动机，随时追逐美国军方的需求和订单。
从1977年以后至1981年6月，其核心机已地面试验累计40000小时以上，整机飞行试验积累7600多小时。它是美国第一个按“结构完整性大纲”研制的发动机，其性能、可靠性、耐久性和可维护性都达到了可投入使用的成熟水平。
美空军统计，上世纪60~70年代发生的飞行事故中，由于发动机疲劳、蠕变、耐久性等原因造成的约占四分之一。在这种背景下1969年美国空军提出发动机完整性大纲，1972年这份大纲的准则被通用规范采纳，1984年又颁布了更新的大纲--MIL-STD-1783。对发动机设计、分析、研制、生产及寿命管理的有组织、有步骤的改进，以通过显著减少发动机在使用过程中发生的结构耐久性问题，确保发动机安全，延长使用期限降低寿命期成本的要求。
这期间通用电气公司预计总投资额需要6.21亿美元，通用电气公司分年度自筹了大部分，并说服美国空军对这项工程投入了一部分资金。美国空军以所谓“F101后续工程发展计划”的名义，资助了只占6.21亿美元中很小一部分费用。但这种来自军方的资金，鼓励了通用电气公司获得订单的信心，继续将项目坚持下去。而美国空军以仅投入很少的资金，换来GE公司有信心继续工作下去，将军方自身的财务负担和风险都控制在很小的范围里。
GE的重新崛起
见到F100发动机存在大量的耐久性、可靠性和操纵性问题，GE公司意识到自己的机会到来了。早在从1976年开始，就自己在F101的基础上改型研制一台性能参数与F100相似的战斗机用的发动机--F101X验证机。
他们这一对市场的关注性和前瞻性以及默默辛勤踏实的工作得到了丰厚的回报:“战斗机候补发动机”项目开始后，美国空军看到GE公司的F101X已达到相当的研制进度，就先与GE公司签定了一项8000万美元的有限研制合同，生产3台原型机，编号为F101DFE。它是利用F101的核心机加上新的风扇组合而成。由于事先早已做了充足功课，GE公司只用了不到一年的时间，就顺利通过了台架验证机试车。
1980年12月19日，首架装配F101DFE发动机的F-16A试飞成功。装配F101DFE发动机的F-16共飞行58次，75个小时，顺利完成了飞行项目，在飞行过程中工作稳定、表现出了良好的性能。在试验期间虽然也发生了一些故障，包括一次因铝制燃油接头断裂造成的空中停车，但从绝境边走来、珍惜这个机会的GE公司绝不想像普-惠公司那样办事，迅速对发动机相关部件做了改进，排除了故障。
普惠的反思
看到F101DFE发动机进展神速和美国空军明显对其青眼有加，普拉特•惠特尼公司(PW公司)这才坐立不安起来。普-惠公司不断进行上层路线活动，进行游说工作，表示自己在这方面实力远比GE公司更雄厚，如果美国空军将动力都用普-惠公司一家，将能获得更低的生产成本和售价;而如果美国空军选用两家的动力，不利于降低生产成本、获得更高的成熟度，而是重复投资，是没事找事。普-惠公司以此力图阻止F101DEF项目的进行。普-惠公司一改先前傲慢生硬、扯皮推诿的态度，改进完善F100发动机的工作大幅加快，态度也客气认真起来。在寿命达不到研制指标的零部件更换费用上，也开始与美国空军展开一些讨论和谈判。
在与美国空军高层接触中，普-惠公司热情的提出了几项“特惠措施”，甚至向美国空军表示:只要美国空军取消对竞争对手的项目，普-惠公司就能够以更低的价格提供所有的发动机。并一定提供更好、更廉价、更快捷的售后服务。并表示自己一定会认真调查美国空军的需求，做到让甲方满意。
但美国空军经过这一场冷眼旁观，早已看清了普-惠公司前后态度大相径庭的根本原因--在之前好几年的时间里，普-惠公司一直精于扯皮和推诿责任，对美国空军进行了大量非议、贬低、当垫脚石乱踩之举，而在GE公司F101DFE发动机已经接近成功时，却突然一百八十度大转弯，自己否定了自己之前的全部托词，甚至大发动听的美丽承诺，这一切根本原因就是因为来自对手的竞争已经相当强烈!如果美国空军中招中止了发动机的竞争，普-惠公司一定会故态重萌，重现过去的经典大爷姿态。所以，美国空军一边笑对普-惠公司的各种谄媚和许愿，一边继续支持发动机的竞争。
到了F110即将投入使用的时候，在前几年一直依靠小打小闹小补丁对F100发动机的毛病糊弄了事的普-惠公司也认识到问题严重，甚至发现F100在空军的对比表现中已处于下风。此前普-惠公司对F100发动机可靠性问题给出的所谓解决方案，竟然不过是加装监测器监视发动机的情况，当快要发生停滞性失速的时候，自动将油门缩小，并且切断加力燃烧室的供油，以此避免空中停车问题的产生;在F-16上加装一个分流板，将旁通气流与高压段分离，如果发生失速的时候，旁通气流不会冲入高压与燃烧段导致发动机失去控制。这些糊弄了事的做法表面看减少了事故的出现，实际是以降低美国空军的使用效果为代价的。
这时的普-惠公司已经没了原来行业垄断坐吃大户的悠闲自在，借着美国空军要求改进F100的性能与可靠性的工程发展验证合同，普-惠公司也开展了F100-PW-220发动机的改进研制工作。鉴于F100可靠性不高的现状， P&W公司改变了指导方针，即不惜用牺牲性能的代价来提高发动机的可靠性、耐久性、结构完整性。具体包括：重新设计的延长寿命的核心机、换用单晶材料制造涡轮叶片、第一种用于战斗机发动机的全权限数字式发动机控制系统(FADEC)、发动机故障自我诊断装置(EDU)、经改进的加力燃烧室和齿轮式燃油泵等措施，提高可靠性。并自觉进行了更加充分、更加完善的试验。
F100-PW-220发动机的全加力推力保持在105.9kN，但推重比下降到7.4，但是其可靠性和寿命大幅度提高。1985年3月，F100-PW-220发动机设计定型，同年11月首台生产型发动机面世，1986年投入使用。至此，F100发动机也终于走上了成熟可靠，成为表现优良的世界著名发动机。
两强相争空军胜
经过这一场“发动机大战”，美国空军获得了性能优良、表现可靠的发动机，而两家发动机巨头公司的技术能力也得到了大幅度提高，工作作风得到了大幅度改善，生产成本得到了充分优化，质量责任心得到了大幅度强化。
美国空军先期额外付出的一点经费比起自身的受益来说，几乎微不足道。经过这一场“发动机大战”，美国航空发动机行业综合能力大幅度提高，并使美国空军下一代战斗机动力先行研制直接受益，甚至促成了美国航空发动机行业理念的革命性转变，堪称是一场多赢的战争。
可借鉴的结论
经过这个事件，美国空军得出了一个深刻的结论：在国防军事工业领域，必须建立起有效的合理竞争环境。在国防军事工业这个领域，任何所谓“避免内耗，整合出效益，各专其摊，各做一块”幌子下的实质行业垄断和一家坐吃大户，对国防事业都是十分有害和危险的。在所谓“避免内耗，整合出效益，各专其摊，各做一块”幌子保护下，成长出的不但不是优秀的高能企业，反而是坐吃大户、有恃无恐、坐地耍赖、令客户无可奈何的“大爷型”企业。
对良性合理竞争这个原则，美国空军在日后的实践中不断切实实行，收到了良好的受益。这一点不但对美国如此，在我国国情下更应引起充分注意。
参考文献：铁血军事，传闻进口俄国货，看国产发动机之痛（从F100发动机看太行的发展及挫折）
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