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而美军呼之欲出的下一代战斗机也将采用变循环发动机,的变循环技术却在近年东山再起

作者: 军事电影  发布:2020-01-18

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揭秘美军六代战机发动机:让战机飞得更快更远

据海外媒体消息,美军将在2020年开始为F-35战机升级变循环发动机。而美军呼之欲出的下一代战斗机也将采用变循环发动机。

东山再起的变循环

6月26日电 据中国国防科技信息网报道,美国海军和空军都在开始制定其下一代战斗机的需求(分别称之为“F/A-XX”和“F-X”项目),但是相关配套发动机的研制工作早已启动,新一代发动机将决定第六代战斗机可达到何种水平,而空军和海军的第六代战斗机都将速度更快、航程更远、效率更高。

变循环发动机通过改变发动机涵道比,实现了军用航空发动机低油耗和高推力性能的结合,解决了战机在大航程和高速度之间的矛盾,将有力提升未来战机的战斗力。随着变循环自适应发动机技术的逐渐成熟,下一代空中优势争夺战即将拉开帷幕。请关注今日的《解放军报》——

1991年,美国空军“先进战术战斗机”竞标尘埃落定,一向追求先进技术的美军在这次招标中选择了技术相对保守的YF119,而不是采用自适应变循环技术的YF120发动机。

发动机将是F/A-XX和F-X项目研制中最具挑战性的技术部分之一。因此,美国国防部已经开始研制下一代推进系统的工作。发动机制造商普惠公司和通用电气公司介绍了各自用于第六代战斗机的发动机概念研究工作。

图片由作者提供

然而,随着技术的逐渐成熟,曾经“落马”的变循环技术却在近年东山再起。自2012年美国空军与通用电气公司签订合同研发“具有三涵道和自适应循环风扇的发动机”以来,通用电气公司采用变循环技术的发动机先后取得多项突破,有望成为美军下一代航空发动机。美军在下一代战斗机的研制规划中,明确提出“战区滞空时间提高50%,油耗降低25%,飞行航程增加35%”三项要求,变循环技术为这三项要求提供了有效的解决方案。

通用电气公司自适应循环发动机项目总经理丹:麦考密克表示:“正如我们当前所见,在关于第六代战斗机的讨论中,推进系统的能力成为影响飞机尺寸、进排气设计的关键因素,并影响设定何种载油量以满足航程需要。非常需要将推进系统集成至第六代战斗机的设计流程之中。”

东山再起的变循环

“变”之道如何实现

两家公司已经开始具有革命性的新型自适应循环喷气发动机的研制工作,用于配套F/A-18E/F和F-22后继机。

1991年,美国空军“先进战术战斗机”竞标尘埃落定,一向追求先进技术的美军在这次招标中选择了技术相对保守的YF119,而不是采用自适应变循环技术的YF120发动机。

现代战斗机大都采用涡扇式发动机。在涡扇式发动机中,风扇吸入空气后,一部分空气进入核心发动机(也称内涵道)与燃料混合燃烧后排出;而另一部分空气被风扇吸入后,绕过核心发动机进入外涵道,不进行燃烧,直接与内涵道内产生的高温气体混合后排出,形成推动飞机前进的推力。

新一代发动机将能够改变其涵道比,从而实现飞行包线范围内不同速度、高度点的性能最优,当代发动机仅能实现包线中某一特定点的性能最优。

然而,随着技术的逐渐成熟,曾经“落马”的变循环技术却在近年东山再起。自2012年美国空军与通用电气公司签订合同研发“具有三涵道和自适应循环风扇的发动机”以来,通用电气公司采用变循环技术的发动机先后取得多项突破,有望成为美军下一代航空发动机。美军在下一代战斗机的研制规划中,明确提出“战区滞空时间提高50%,油耗降低25%,飞行航程增加35%”三项要求,变循环技术为这三项要求提供了有效的解决方案。

由于自外涵道流入的大量气流降低了总体喷气的平均速度和温度,大涵道比(通过外涵道的空气流量与通过内涵道的空气流量之比称为涵道比)发动机具有较高的推进效率和热效率,意味着在等量燃料量下能产生更大的推力。但是,大涵道比发动机较大的风扇体积,直接导致发动机受风面积加大,阻力剧增,不利于高速飞行。

航空发动机必须先于配套飞机平台发展,对于这一问题,美国空军和海军都已在1970年代麦道公司的F-15A和格鲁门公司的F-14A项目的发动机问题中吸取了足够的教训。

“变”之道如何实现

主流的军用涡扇式发动机多采用小涵道比,以求得在油耗和速度之间的折中。而以较低速飞行且侧重经济性的民用航空发动机多采用大涵道比发动机,如波音787的劳斯莱斯瑞达发动机涵道比为10∶1。

下一代战斗机的部分关键要求可以从空军研究实验室和海军研究办公室的研发工作目标中一窥端倪。

现代战斗机大都采用涡扇式发动机。在涡扇式发动机中,风扇吸入空气后,一部分空气进入核心发动机与燃料混合燃烧后排出;而另一部分空气被风扇吸入后,绕过核心发动机进入外涵道,不进行燃烧,直接与内涵道内产生的高温气体混合后排出,形成推动飞机前进的推力。

“鱼”和“熊掌”可以兼得

美国空军已通过自适应通用发动机技术、自适应发动机技术发展和下一代项目推进第六代战斗机F-X配套发动机的技术成熟,而美国海军则通过变循环先进技术项目实现相关技术成果满足海军的应用需要。

由于自外涵道流入的大量气流降低了总体喷气的平均速度和温度,大涵道比发动机具有较高的推进效率和热效率,意味着在等量燃料量下能产生更大的推力。但是,大涵道比发动机较大的风扇体积,直接导致发动机受风面积加大,阻力剧增,不利于高速飞行。

在普通涡扇式发动机上,内、外涵道结构固定,因而无法改变涵道比。变循环发动机通过改变涵道比,同时兼容大、小涵道比的优点,满足了在不同作战环境下的需求。原理在于其有多路涵道,可通过涵道上的活门开关,改变进入内、外涵道的空气流量,实现适应不同作战背景的灵活切换。通过调节涵道比,航程和速度不再是不可兼得的“鱼”和“熊掌”,战机在高速和低速时都能获得性能优势。

美高梅集团官网,通用电气公司第六代战斗机推进系统专家杰夫:马丁表示,根据一些要求,推断第六代战斗机将具备较现有打击战斗机远得多的航程。此外,第六代战斗机还将具有更快的速度、非常高的加速性和卓越的亚声速巡航效率。马丁称:“底线是利用变循环发动机满足各类需求,而非设计一个巨大的飞机。”变循环发动机能够通过更改配置实现任意速度、高度点的最高效率。例如,它可以像涡喷发动机一样在超声速飞行,也可以在亚声速巡航时具有大涵道比涡扇发动机的效率。现有迹象意味着第六代战斗机将设计需要更好地满足超声速巡航性能要求,即使这项性能并非明确的要求。

主流的军用涡扇式发动机多采用小涵道比,以求得在油耗和速度之间的折中。而以较低速飞行且侧重经济性的民用航空发动机多采用大涵道比发动机,如波音787的劳斯莱斯瑞达发动机涵道比为10∶1。

从螺旋桨发动机到涡喷发动机,战机进入了“更高更快”的喷气时代;从涡喷发动机到涡扇发动机,空战从“高空高速”迈入强调“能量优势”的第三代战斗机时代。战机发动机的每一次重大技术革新,都改变了空中军事力量对比。在可以预见的将来,变循环发动机将使战机同时获得航程和速度的提升,形成新的空中优势。

马丁称:“海军已经提出了甲板弹射拦截任务,所以必须迅速达到数百海里之外的区域,同时要求尽可能快,还必须尽可能高效。”该项使命任务很容易让人联想起昔日F-14的典型作战任务,即从甲板起飞拦截苏联的轰炸机群,以防止苏联发动对航母的巡航导弹攻击。苏联解体后,该任务不再成为美航母舰载机的任务要求,而中国的快速崛起使得这样的威胁可能再次重现。马丁指出:“我尚不清楚超声速巡航是否会是主要要求,也不清楚这是否会带来不同。第六代战斗机将有相当好的长细比,将是一架超声速飞机。因此,需要采用变循环发动机实现超声速巡航。无论如何,超声速巡航时都需要更多的燃料。”

“鱼”和“熊掌”可以兼得

尽管美国海军和空军拥有独立的项目,但是据美国空军研究实验室的官员称,双方正在密切合作,在一份声明中称:“发动机领域是一个密切合作的团队,我们已经对海军完全透明。我们已经邀请海军参与所有的评审。我们从海军专家中获得额外的见解。海军已经成为ADVENT和AETD项目的真正参与者。”马丁介绍了海军相关工作的部分细节。他表示,海军VCAT项目真正的目的是确定和实施,为满足海军第六代战斗机的需要,在空军实验室相关项目的基础上还需开展的特殊项目。据马丁称,VCAT项目最终将进行部分推进装置试验,这已证明是非常有价值。海军项目已经提供了定义发动机工作确切循环的重要信息,同时机身和发动机需要作为一个集成的整体考虑。

在普通涡扇式发动机上,内、外涵道结构固定,因而无法改变涵道比。变循环发动机通过改变涵道比,同时兼容大、小涵道比的优点,满足了在不同作战环境下的需求。原理在于其有多路涵道,可通过涵道上的活门开关,改变进入内、外涵道的空气流量,实现适应不同作战背景的灵活切换。通过调节涵道比,航程和速度不再是不可兼得的“鱼”和“熊掌”,战机在高速和低速时都能获得性能优势。

普惠公司下一代战斗机发动机总经理詹姆斯:肯扬表示,对于普惠公司而言,VCAT项目还意味着探索除风扇外,是否发动机的其他部分可采用可变设计。他表示“这将带来更大程度可变性。你可以通过改变其他设定替代改变涵道比,深入其中就会发现很大的改变弹性。” 技术成熟度 对于空军而言,目标是在2018年里程碑A决策前实现发动机具有较高的技术成熟度,从而支撑第六代战斗机F-A转入技术开发阶段的需要。

从螺旋桨发动机到涡喷发动机,战机进入了“更高更快”的喷气时代;从涡喷发动机到涡扇发动机,空战从“高空高速”迈入强调“能量优势”的第三代战斗机时代。战机发动机的每一次重大技术革新,都改变了空中军事力量对比。在可以预见的将来,变循环发动机将使战机同时获得航程和速度的提升,形成新的空中优势。

然而,直到里程碑B决策,即进入工程和制造开发阶段前,发动机的生产都不需要装备好。马丁表示:“如果在里程碑B时达到技术成熟度等级6级,那么就是很好的情况。”自适应发动机技术已经设定在今年年度前达到技术成熟度等级6级,如果需要将在2021年完成生产型发动机的准备工作。

自适应循环发动机的一项关键技术是自适应风扇,它将允许发动机根据高度和速度利用第三涵道来流改变发动机的涵道比。第三涵道的气流用于增加或减少发动机的涵道比,或用于冷却。 马丁称:“我们能够有效地改变整个飞行包线的发动机性能。” 在较高的超声速段,第三涵道能够通过允许额外的气流通过发动机减少溢出阻力,但是由于进气道几何的物理特性,马赫数2.2以上的性能仍旧受到限制。麦考密克称“第三涵道对于超声速帮助良多。”

例如,战斗机用自适应循环发动机将在起飞和超声速飞行这些需要高单位推力时采用小涵道比配置。较小的涵道气流流经发动机核心机。但是小涵道比大单位推力高喷气速度的配置意味着较低的推进效率,这对高效巡航飞行而言极为不利。因此,自适应风扇允许发动机在巡航状态下,转入大涵道比构型以获得较高的推进效率。 实现未来自适应循环发动机的更高效不仅仅依赖自适应风扇,新型材料的应用允许发动机在更大压比和更高温度环境下运行。

第一种战斗机用变循环发动机是1990年代出现的通用电气公司的YF120发动机,该机惜败于配装F-22的普惠公司F119发动机。麦考密克说:“YF120发动机是一种关注不同区域的自适应循环发动机。ADVENT和AETD主要是关注燃油效率,当然AETD项目还有额外的推力能力要求,以及显著改进热管理的需要。而YF120发动机关注的是如何利用自适应变循环满足飞机超声巡航需要。”

第一步 空军实施了其第六代变循环发动机的第一步,即在2007年由空军研究实验室启动自适应通用发动机技术项目。空军研究实验室的目标将下一代发动机技术发展至技术成熟度等级6级和制造成熟度等级6级,达到该等级意味着可制造原型机并进行相关环境试验。

通用电气公司和罗尔斯 罗伊斯公司分别获得了ADVENT项目为期6年的合同,生产下一代发动机验证机。普惠公司的ADVENT设计并未入选该项目,但是公司仍利用自身资源发展相关技术,以期获得的后续工作。 肯扬表示普惠公司的工作主要是围绕F-135发动机风扇改进型的研制,该发动机配装洛克希德公司的F-35联合打击战斗机。 普惠公司使用该风扇在公司的压缩机研究设施上进行自适应风扇能力的验证。 肯扬表示:“在该试验中,我们能够验证控制来流通过不同涵道的能力。”最终,普惠公司的自主投资获得了丰厚的回报。

与此同时,经过六年的发展,通用电气公司在2013年11月26日开始测试其ADVENT发动机验证机。目前,ADVENT发动机试验工作正在进行之中,预计在今年晚些时候结束。麦考密克表示:我们在埃汶代尔拥有一个完整的自适应循环技术发动机。它不是一个仅具备自适应循环功能的发动机,而是一台完全功能的发动机,具有满足下一代推进系统已经成熟的全套技术。“

麦考密克表示通用电气公司的ADVENT发动机配有可产生第三涵道气流的自适应风扇,超级高压压气机和新型燃烧系统,应用了诸如陶瓷基复合材料等不同类型的新材料和冷却技术。

在试验中,通用电气公司的ADVENT设计核心机温度超过其目标值130华氏度。据该公司介绍,该发动机创造了美国空军研究实验室评估的喷气发动机推进装置的组合压气机和涡轮的最高温度记录。

此外,麦考密克表示ADVENT发动机验证机在很多指标方面超出预期,包括燃油消耗。ADVENT的燃油效率目标是减少25%的油耗。 空军研究实验室随后开展的自适应发动机技术发展项目是为了将ADVENT项目开发技术进一步发展成具备飞行能力的设计。ADVENT项目的主要目的是验证自适应循环发动机工作的可行性。工程师并未考虑重量、尺寸或其他因素,而这些因正是关乎发动机是否能够成功配装战斗机。

麦考密克表示:”AETD正应用ADVENT获得的全套技术,并将其发展、成熟,并正在寻求利用这些技术设计真正可以配装飞机的发动机。“但是AETD项目并非ADVENT项目的直接延续。美国空军进行了新项目的竞争,最终通用电气公司和普惠公司赢得胜利,而罗尔斯 罗伊斯公司则被淘汰出局。

初步设计 然而,两家中标公司必须完成完整的发动机设计以进行初步设计评审。PDR原定于2014年11月进行,但那时美国空军支持两家公司将其推迟至2015年2月。

推迟PDR的原因主要有两个。一个主要原因是AETD项目的后继NextGen项目可能无法在2016财年前启动。

麦考密克表示:”由于后继项目在2016财年才能启动,因而通过调整初步设计评审里程碑的时间,将有助于我们调配人力资源。第二个原因是空军研究实验室有意,实际上是鼓励我们推后时间,从而和我们竞争对手当前初步设计评审的时间表相一致。“在AETD项目中,有两阶段的试验。第一阶段包括一些燃烧室试验台,其中一个是完整的环形燃烧室。此外,通用电气公司将会试验集成排气系统的试验台和使用陶瓷基复合材料的部件,所有这些应当在2015年初完成。

麦考密克表示:“我们正在进行试验,其中主要是燃烧室部分。实际上,我们正在试验第三个独立燃烧室设计,我们还即将开始的喷管试验,将在NASA位于克利夫兰试验室进行相关试验,预计将持续整个夏天。 试验的第二阶段包括风扇试验台、压缩机试验台和核心机试验。”通用电气公司计划在2015年末或2016年初进行风扇和压缩机试验,并在2016年底前进行核心机试验。 麦考密克表示,在AETD项目中并未进行发动机整机试验。当然,也是因为没有任何要求和需要在该项目中进行整机试验。

在AETD之后,是在美国空军的NextGen项目下进行实用型自适应发动机的研制。今年早些时候,国防部长哈格尔宣布将投资10亿美元以实现先进发动机的生产。然而,现在并无太多如何进行后续研发工作的细节透露。

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