【校场】“机库皇后”F-35是如何被沙子“干趴窝”的

时间:2021-07-19 15:58 来源:新浪军事 作者:佚名 阅读:693 原文链接:点击获取

近日,美国媒体爆料,美军有多达46架的F-35战斗机,因为缺乏发动机而被迫停飞。根据该报道披露,在本月13日众议院的军事委员会举行的战术空军与陆军小组委员会的听证会上,F-35联合项目办公室主任空军中将埃里克·T·菲克(Eric T. Fick)证实,有41架美国空军的F-35A1架海军陆战队的不明型号的F-351架海军的F-35C和其他3架交付外国空军的F-35因为缺乏发动机被迫停飞。

 

鉴于美国空军到今年58日时才累计装备283F-35A,可以说仅发动机短缺就让美国空军15%F-35失去战斗力。缺乏发动机虽然是美军F-35一直以来就存在的问题,但在今年的421日,停飞的F-35A21架。这一方面是F135发动机的产能不足,另一方面则是损坏的速度超出了维修的能力。此前受发动机问题影响,美国空军不仅打算退役掉老F-35,甚至减少了飞行表演次数来避免发动机受损。

 

美国海军也饱受发动机供应不足的困扰,由于F135发动机的难产,美国海军接收的F-35数量远远少于预期。为弥补其舰载战斗机数量短缺的问题,美国海军不得不调整F-35的编制,从每个舰载机联队下属两个12机编制的中队改为每个联队下属两个10机编制的中队,之后再改为每个联队下只有一个14F-35C的中队。即使这样调整编制,美国海军仍然面临舰载战斗机短缺的问题。为此,美国海军不得不捡起了空军的二手货——从空军和空中国民警卫队那要来了一批二手的F-16用于承担训练任务,再把原本用于训练任务的28架“超级大黄蜂”送回舰载机联队,重新作为作战飞机投入一线。

 

F135发动机难产的背后,是一些原因让原本就恶劣的发动机维护问题雪上加霜。这个问题就是“转子叶片涂层过早损坏”。美军最近发现,涡轮转子叶片上的热障涂层(thermal barrier coatings 简称TBCs)的磨损速度超出预期,加重了维修中心的负担。TBCs的厚度仅100~500μm,其连同叶片内的冷却系统可以使Ni基高温合金的表面温度下降100~300℃,可以极大地提升航空发动机的热效率与工作稳定性。这也意味着一旦TBCs磨损。发动机的性能就会大打折扣甚至发生安全事故。这些维修中心维护原本的发动机时就已经有些力不从心,现在突然多了这么多的工作量,那只能先咕一番。一名不愿意透露姓名的美国国防部官员更是表示,叶片涂层磨损导致了“严重的战备问题”。

 

美军经过调查后初步认为,让TBCs发生超出预期磨损的原因是CMAS腐蚀。CMAS其实是指进入发动机的外来物中的主要成分(氧化钙(CaO),氧化镁(MgO,氧化铝(Al2O3)和二氧化硅(SiO2))的缩写,这些外来颗粒会在较低温度(低于735℃)时与涂层发生碰撞,产生局部剥落和磨损。乍一看好像没什么大不了的,但偏偏CMAS与制作TBCs的主要材料YSZ(一种三氧化二钇与氧化锆混合的陶瓷)有着极好的润湿性,在高温下也有着极低的粘度,这两个特性综合起来,在高温下就会产生可怕的腐蚀效果。

 

在高温下,CMAS首先会与YSZ陶瓷层产生化学反应,引起YSZ的相结构变化;之后由于其极好的润湿性和极低的粘度, CMAS可以渗透进任何细小的裂缝,使得陶瓷层的应变容降低。当发动机停止工作时,温度降低,这些熔融并渗透进裂缝的CMAS由于热膨胀系数与涂层并不一致,就会将陶瓷层“撑裂”,如同灌满水的玻璃杯在结冰时被冻裂一样。对于仅仅数百微米的涂层来说,CMAS的这个特性会使得YSZ涂层迅速的剥落。

当然,普惠并不是不知道这个问题,他们之前专门开发了一款编号为Gd2Zr2O7的热障涂层用于F135上,这款涂层不仅提升了热导率,在其宣传文案里还特地提到了“提高了抗散裂性和熔砂沉积物的侵蚀”。现在一款专门提升了抗CMAS腐蚀性能的发动机因为CMAS腐蚀超出预期大量返修,这不得不说是一种讽刺。

 

 CMAS腐蚀问题毕竟是个世界性难题,我们也不能就此说是普惠公司骗了美军。实际上我们仔细分析了这次“案情通报”,就会发现一个很有趣的事情——怎么出事的大多数都是美国的?目前F-35总交付数在665架以上,其中属于其他国家的至少有170架,因此我们不难通过计算发现,其他国家的F-35仅仅有2%因为发动机问题而停飞。这难道是暗示美国的发动机维护设施有问题?

 

这个推论实际上有着一定的逻辑问题,毕竟没有人比美军更懂F135发动机的维护。所以我们不妨再算一下,就会发现美国海军陆战队与海军加起来差不多200F-35中,也是只有2架的飞机因为发动机停飞,比例不足1%,与盟友的比例类似。加上只是最近新增的故障中有很多是CMAS腐蚀问题,所以更可能是美国空军自身的使用问题带来了突然出现的CMAS腐蚀现象。

 

我们可以推测这和美国空军的使用环境有关,毕竟F-35BF-35C除了训练外,都是部署在舰上,海洋上虽然有着严重的盐腐蚀,却也避免了吃沙子的问题。因此也有人推测,可能是美国空军新部署的一些基地有着极大的扬尘,或者是他们的机场跑道没有做好封闭处理。不过这也带来了一个问题,为何美国空军之前没有发现这个大问题呢?

 

美国空军最近才意识到CMAS腐蚀超出预期,很有可能是与他们在中东的部署有关。在最近一年,美军的中东行动区(MEAO)内的活动增加,例如去年520日,美国空军第388战斗机联队和第419联队的一支F-35中队,就被部署到了阿联酋的迪哈夫拉(al-Dhafra)空军基地。我们又知道阿联酋的绿化是基本可以忽视的,每一次F-35在当地的起飞和着陆,发动机都会吸入含有大量沙子的空气。天天在沙漠里飞行,发动机磨损超出预期倒也不是不难理解。

 

可是还有一个问题,为何那些老的飞机反而没有出现这么严重的CMAS腐蚀。这可能和F-135“过于先进”有关,因为更高的涡轮进气温度(TIT)会增加吸入的颗粒以熔融状态进入涡轮的可能,复杂的冷却设计又增加了CMAS沉积的可能。较老的发动机由于TIT较低,这些吸进来的沙子很可能不会是熔融态出现,依然是以固体颗粒的状态进入涡轮,那么就只会对涂层产生撞击的损伤,而不会渗进内部后产生崩落。

 

当然,具体为何是空军的F-35A更容易出现CMAS腐蚀还得等美国官方的报告,不过在此之前,如何解决F-35的发动机短缺问题已经迫在眉睫。根据预测,即使是一切正常,不考虑疫情复发或者经费不足等情况,在2022年,仍然会有5~6%F-35因为缺乏发动机而停飞。如果计划赶不上变化,有一位美军官员则表示在2022年,会有接近20%F-35因为发动机问题而趴窝。

 

为此,F135的维护中心开始使用两班制进行发动机维修,这会使发动机的维修时间从200多天减少到只需要122天左右。普惠公司也表示在去年就对发动机叶片进行了升级改造,所有F135发动机在进行大修时也都会进行升级。但不管怎样,目前F135的产能不足和CMAS腐蚀问题都会严重影响到其外销,特别是中东地区的那些沙漠国家。这些国家无疑会重新评估购买F-35的维护问题,并对惠普所谓的升级版叶片进行观望,观察他们是否会再次出现CMAS腐蚀。在这个观察F135可靠度的时间期内,也为其他国家的四代机外销提供了一丝的可能。