详解“超级大黄蜂”之心，通用电气的F414涡扇发动机官网

美国通用电气公司为波音F/A-18E/F“超级大黄蜂”和EA-18G“咆哮者”研制的F414是一款用于中等推力战斗机的优秀涡扇发动机。尽管它是在F404的基础上开发的，

但这种低涵道比双转子涡扇发动机基本上是一种全新的设计。

F404发动机外形图

F414-GE-400外形图

F414结构图

F414的核心发动机设计来自通用电气公司的F412非加力涡扇发动机，该发动机是为麦道/通用动力公司的A-12复仇者II舰载隐身攻击机开发的。

1988年，“复仇者II”赢得了美国海军先进战术飞机（ATA）的竞标，通用电气开始为这款飞机开发从F404衍生而来的F412。

然而，由于延期和成本超支，A-12项目在1991年被取消，这引发了激烈的争议和诉讼。幸运的是，通用电气开发F412的努力没有白费。

麦道公司于1991年开始研究F/A-18大黄蜂战斗机的重大改装（后来演变为F/A-18E/F超级大黄蜂，相关资料：猛兽（E/F）——波音F/A-18E/F超级大黄蜂舰载战斗机）。

与现有的“大黄蜂”相比，航程和战斗性能都需要大幅提高，因此通用电气公司提出了采用F412先进技术的F414发动机的概念。1993年5月20日，F414的原型发动机进行了首次测试。

F412原型机（相关资料：麦道A-12“复仇者II”舰载隐身攻击机的悲歌）

通用电气将F412的核心发动机与F120变循环涡扇发动机的F404低压压气机和径向火焰稳定器结合在一起，创造了F414。F120参加了美国空军先进战术战斗机（ATF）的发动机竞赛。

最后，它输给了普惠公司的F119，该公司成为洛克希德F-22猛禽的动力装置。但最终的统计数据显示，F-22的产量只有187架，这使得F119的生产数量比F414少了很多，因此它在东边的角落里失去了桑葚。

通用电气获得了美国海军的奖励。

最终统计数据显示，仅187架F-22的产量使F119的产量比F414的产量小得多，因此GE从美国海军那里获得了回报。

为了最大限度地减少“超级大黄蜂”后机身设计的变化，美国海军规定F414发动机必须能够与F404发动机舱空间相同，但两者的安装点不同。

因此，F414的外部尺寸与F404相同，两者的长度均为3912毫米，最大直径为889毫米，因此增加推力是一项艰巨的任务。设计要求F414的每秒最大核心气流比F404高20%，最大加力推力比F404高24%。

为了满足核心气流和推力要求，GE增加了F414风扇的等效直径，并提高了发动机的整体压比。

最终，GE成功实现了设计目标。尽管F414的三级低压风扇系统比F404长125毫米，但ge通过缩短燃烧室长度25毫米和加力燃烧室长度100毫米，使新发动机的总长度与F404保持一致。

F414和F404的参数比较

F414的结构和设计特点

虽然F404和F414的风扇最大直径为889毫米，但F414的三级风扇采用了更先进的叶片气动设计。

F414采用模块化设计。

此外，F414风扇的第二级和第三级是集成的转子结构（即叶盘），成为单个部件。这样，F414风扇的每一级轮毂直径都可以小于F404的轮毂直径，这意味着在相同风扇直径的情况下，

F414风扇的每一级叶片都比F404的长，这增加了风扇的等效面积。加上叶片的空气动力学改进，基本F414的最大气流速度从F404的64.41千克/秒增加到77.11千克/秒.

F414风机的第一级叶片是可拆卸的，有一个中间凸台。

F414前进口导叶

虽然F404和F414都有七级高压压缩机（HPC），但F414的高压压缩机由两个整体叶盘组成，其中一个是第一和第二级压缩机的叶栅整体叶盘，其次是第三级压缩机的整体叶盘。

通用电气在F414的两级风扇和三级高压压气机中采用了整体叶盘，从而取消了叶片和轮毂之间的传统燕尾接头连接，这不仅大大减轻了重量，而且提高了发动机的可靠性和耐用性。仅在风扇和压缩机模块上，

F414的零件数量比F404少484个。

与F404相比，F414的燃烧室在空气动力学和材料方面都有所改进。其管状环形燃烧室采用雾化燃料喷嘴，多孔冷却结构的火焰管不仅提高了使用寿命，而且减轻了重量。据报道，它上面有3万个激光钻孔，以降低侧壁温度。

F414的燃烧室模块

像F404一样，F414设计有一个单级高压涡轮（HPT）和一个单级低压涡轮（LPT），两者都由风扇引气冷却。F414的涡轮叶片由单晶合金制成，并涂有热障涂层以提高耐用性。

F414的基本热段的使用寿命为2000小时，其他旋转部件和结构部件的使用寿命为4000小时。

与F404的环形加力燃烧室不同，F414的加力燃烧室采用了更先进的设计。火焰稳定器由一个中央环形V形稳定器和12个径向稳定器组成，每个稳定器都配有隔热罩，并由风扇吸入的空气冷却。

两款发动机的另一个区别是F414的尾喷口由燃油驱动，而F404则由液压驱动。这种改进可以减轻重量。F414的径向火焰稳定器、尾喷口的二次调节板和密封板安装在飞机上时可以单独更换。

F414加力燃烧室径向火焰稳定器

F414喷嘴的钛鱼鳞

根据通用电气的数据，F414的重量为1，152千克，仅比1，023千克的F404重129千克，但其军事推力增加了约27%，从4，990千克（48.9千牛）增加到6，350千克（62.3千牛）。

同时，加力推力增加了24%，从F404的8028千克（78.7千牛）增加到9979千克（98千牛）。F414的总增压比从F404的26增加到30，推重比从F404的7.8增加到9。

F414全加力试车

除了军用推力比F404高27.25%之外，F414还为超级大黄蜂的关键任务飞行包线区域提供了更大的推力优势。在近距离空战的包线区域内，F414可提供比F404高30%至40%的推力；在高空拦截任务中，

F404的超音速推力也比F404提高了25%至30%；在低空空地任务中，F414的推力也高出40%，能增强飞机的生存能力。

除了使用F412的核心机外，F414的另一项重要改进就是引入F120的全权限数字发动机控制（FADEC）单元。这是一种安装在发动机上的双通道FADEC单元，可以调节推力、管理燃油供应并控制发动机，

并具有先进故障检测功能，能对发动机系统的故障进行识别、报告和采用应对措施。

“超级大黄蜂”的发动机维护，可以看到进气道内的雷达屏障

陶瓷基复合材料与降噪套件

目前在产F414的尾喷管二级封严片是用陶瓷基复合材料（CMC）制造的。根据通用电气的说法，F414先后采用过两种陶瓷基复合材料来制造二级封严片，首先是碳化硅/碳（SiC/C），

也就是陶瓷级碳化硅纤维增强的碳基材；然后是氧化物/氧化物（Ox/Ox），也就是使用氧化铝-莫来石陶瓷纤维增强的氧化铝-氧化硅基材。2011年生产的F414开始安装Ox/Ox材料制造的封严片。

现有F414的CMC封严片有两种，一种是这种全白的，应该是Ox-Ox材料

另一种是这种带白点的，应该是SiC-C材料

但这两种陶瓷基复合材料还无法承受高压涡轮要面对的极端高温，无法制成高压涡轮压片使用。通用电气正在研究更有前途碳化硅/碳化硅（SiC/SiC）的陶瓷基复合材料，即碳化硅纤维增强的碳化硅基材。

这种材料在涂上合适的环境障涂层（EBC）后能承受极端高温，可以用来制造涡轮叶片、定子叶片或其他高温部件。使用SiC/SiC材料制造的高压涡轮叶片比镍基高温合金（如因科镍718合金）叶片轻许多，

而且更加坚固。

通用电气表示SiC/SiC叶片能承受的工作温度比高温合金叶片高上许多，仅要求环境障涂层降低叶片工作温度149摄氏度就能够承受1649摄氏度的大型喷气发动机涡轮进口温度。

通用电气已经在美国海军的能源工作小组项目中用一台F414发动机成功验证了CMC涡轮叶片。测试发动机在第二级涡轮上安装了SiC/SiC材料叶片，测试证明CMC叶片足够坚固，能承受涡轮高温和旋转应力。

安装CMC叶片的F414测试机

通用电气对F414的另一项重大改进是降噪套件，其特点是通过在尾喷管封严片安装锯齿结构，来促进发动机核心、涵道和外部气流之间的掺混，从而降低F414的全加力噪音。

F414的锯齿封严片

“超级大黄蜂”从航母甲板弹射起飞时经常需要开全加力，降噪套件能降低“超级大黄蜂”和EA-18G在航母弹射器附近产生的噪音，保护甲板人员听力。

测试表明锯齿降噪套件能把F414的人体感知噪声降低2至3分贝，可能听起来不是很多，但实际上能把每台F414产生的声能降低50%。

锯齿外形能降低F414的全加力噪音

虽然看起来像F-35的锯齿尾喷管，但并不是为隐身研制的

鱼与熊掌

通用电气在F414发动机的后续改进上采用了一种新策略，那就是可以根据客户的要求提供两种工作模式，一种能延长发动机寿命，另一种能提高性能。

第一种改进型被称为F414增强耐久性发动机（F414-EDE），推力与现有F414相同，但显著提高了发动机的耐用性，除维修间隔时间延长，热段寿命提高到了原先的大约三倍外，耗油率还能降低3%至4%。

第二种改进型被称为F414增强性能发动机（F414-EPE），发动机硬件部分与F414-EDE完全相同，只是FADEC使用不同的软件，从而压榨出比现有F414高出20%的推力。

F414-EPE发动机在耐用性和热段寿命上与现有F414相同，同时油耗能降低1%至2%。

F414-EDE EPE的改进在于低压压气机、高压压气机和燃烧室模块上，对现有F414升级没有经济性可言

F414改进项目作为美国海军部分资助的联合技术开发计划的一部分启动于2004年，通用电气在2004年和2006年对F414增强耐久性发动机（F414-EDE）验证机进行了两次测试，

在2010年和2011年进行的两次测试中，验证发动机达到了设计目标。

F414-EDE的改进之处有以下几点：

首先F414-EDE的高压压气机是6级而不是现有F414的7级。通用电气在用现代三维计算流体力学（CFD）技术对F414的高压压气机气流进行分析后，决定增加每级压气机之间的间隔，

并采用更先进的三维气动设计叶片进。重新设计的高压压气机和风扇使F414-EDE发动机的最大总流量提高到每秒84.8千克，比F414基本型高出10%。

F414-EDE/EPE的全新6级高压压气机

其次，F414-EDE在高压压气机和加力燃烧室上采用了先进冷却设计，改善了发动机热段和尾喷管高温部件的耐用性。

F414-EDE还进行了其他方面的一些改进，提高了对异物损伤的总容忍度。

F414-EDE增加的核心气流能使发动机在推力与F414基本型相同的情况下工作在更凉爽的环境下，为旋转部件（特别是热段）提供更高的温度裕度，延长了热段和限寿件的寿命，并增加了发动机的在翼时间。

据通用电气计算，F414-EDE能使美国海军在“超级大黄蜂”机队的剩余服役时间中节约高达10亿至20亿美元的零件采购和大修成本，大幅降低飞机的生命周期成本。

F414-EDE降低的3%至4%油耗相当于让“超级大黄蜂”机队每年节约1892万升航空煤油。F414-EDE的另一个优点是增加引气量用于冷却航电或驱动气动系统。

F414-EPE在硬件上与F414-EDE相同，同样具有更高的核心气流，只是FADEC单元运行不同的软件，使发动机增推20%，最大推力高达11975千克（117.43千牛）。

F414-EPE的油耗比现有F414低1%至2%，除了能增加引气量外，还能驱动发电机提供更多电力。F414-EPE的在翼时间将与现有F414相同。

F414-EDE和F414-EPE的硬件通用性是一大卖点，客户只需对FADEC进行软件切换就能改变操作模式，比如在战时使用EPE模式，在和平时期使用EDE模式。

F414的生产

从1998年投产以来截至2015年6月，GE已经生产了1500台F414发动机，已累积超过300万飞行小时。根据美国海军的F414-400项目时间表，

通用电气在2016年底前已交付约300台F414-400发动机，该公司目前每年制造90至100台F414。

“超级大黄蜂”并不是F414的唯一装机对象，印度选择F414-INS6作为其超音速轻型战斗机（LCA）“光辉”Mark 2（相关资料：具有印度特色的战斗机研发项目——LCA“光辉”）的动力装置。

F414在LCA Mk2的发动机竞争中击败EJ200获得了99台初始订单外加149台意向订单，通用电气预计至少可以向印度出口150台F414整机和相关备件，

所以F414的生产至少会持续到20世纪20年代。

此外，瑞典空军也为自己的萨博“鹰狮”NG（相关资料：萨博的经济适用型小钢炮（下）——新一代“鹰狮”E战斗机）选择了F414-39E发动机，

通用电气获得了为瑞典空军的70架和巴西空军的36架“鹰狮”NG提供发动机的订单。F414-39E派生型目前正在进行最后的发动机认证测试。2008年首飞的“鹰狮”NG验证机安装的是F414G发动机。

F414-INS6和F414-39E是F414基本型的单发改型，并没有采用EDE/EPE的技术。

F404/F414发展脉络

波音公司目前正在向美国海军力推F/A-18XT Block III，该机基本上就是重换包装的“先进超级大黄蜂”（相关资料：旧瓶新酒，详解波音“沉默大黄蜂”），其一大卖点就是F414-EPE增推发动机。

如果美国海军同意采购，那么作为世界最佳中推之一的F414将焕发第二次生机。

波音力推的超级大黄蜂BlockIII一大卖点就是F414-EPE