變循環發動機,未來第六代戰機的標配

兵工科技 發佈 2024-04-10T16:09:41.826704+00:00

此外,第六代戰機應是一種高度智能化、自動化的作戰飛機,全面應用智能結構、主動控制技術,網絡化交戰技術,可能會使用雷射、微波等定向能武器,並向多電、全電飛機方向發展,這些都需要強大的動力來源。

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第六代機要具備跨代優勢,不僅要具有更大的超聲速巡航能力,以實現對四、第五代機「以快打慢」的能力,同時還要具有更低的耗油和更大的續航能力,以覆蓋更大的攻防區域。此外,第六代戰機應是一種高度智能化、自動化的作戰飛機,全面應用智能結構(比如智能蒙皮、智能傳感器)、主動控制技術,網絡化交戰技術,可能會使用雷射、微波等定向能武器,並向多電、全電飛機方向發展,這些都需要強大的動力來源。這就對六代機的發動機提出了更高的要求。

航空發動機作為現代工業「王冠上的明珠」,是第六代戰鬥機各個子系統中最重要、研製難度最大、研製進度要求最緊的。目前在第六代戰鬥機配裝的第六代發動機研製中,屬美國航空發動機技術積累最為雄厚、研製進度最快、技術最為成熟,其重點研製的變循環發動機,有極大可能成為六代機的標誌性技術。

變循環發動機優勢何在?

所謂變循環發動機(英文縮寫VCE,VariableCycleEngine),它是一種新構型發動機。傳統航空渦輪發動機,無論是渦扇還是渦噴,發動機出來了,結構就是一定的了,設計結構固定決定了其熱力循環特性也是固定不變的,因此一種發動機只能在一種模式下工作,它只能在有限的飛行包線範圍內,才具備最好的性能。

而變循環發動機則不同,它可以通過改變一些部件的幾何形狀、尺寸和位置,來調節發動機的熱力循環特性,部件的形狀、尺寸和位置一變,進出的空氣就變化了,發動機的幾個主要性能指標,比如增壓比、渦輪進口溫度、空氣流量和涵道比都會發生變化。這點就是變循環發動機最大的優勢,傳統的渦扇發動機,它的涵道比等結構是固定的,而我們知道,大涵道比的發動機,中低速性能很好,很省油,但涵道比大增加了阻力,使得飛機的高速能力下降,是一個短板。而渦噴發動機雖然速度性能好,但油耗卻很高。這表明傳統發動機,由於它工作模式固定,因此最佳使用範圍區間較窄。

而變循環發動機則不同,它是一種多設計點發動機,即它的設計運用範圍很寬,飛行包線遠比現有的航空發動機大得多。當飛機需要低油耗大航程飛行時,變循環發動機就通過調節可動部件,讓發動機的涵道比增大,讓更多的空氣走外涵道,增加飛機的航程。如果需要高速的時候,它就調節部件,讓涵道比變小,減小阻力,提高渦輪進口溫度,讓飛機擁有更大的推力,速度更快。

目前來看,變循環發動機有幾種工作模式,包括渦輪噴氣模式、渦輪風扇模式,甚至於是適應更高速飛行的衝壓模式,這使得飛機在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速飛行狀態下,都具有良好的性能。在渦噴/渦扇變化領域,變循環發動機目前的研究重點主要是改變涵道比,如發動機在爬升、加速和超聲速飛行時涵道比減小,接近渦噴發動機的性能,以增大推力;在起飛和亞聲速飛行時,加大涵道比,以渦扇發動機狀態工作,降低耗油率和噪聲。

總之,相比於傳統發動機,變循環發動機主要有耗油少、效率高,推力大、重量輕,兼容性強、成本低,零件少、用途多,壽命長、對飛行環境要求低等諸多特點。


各國變循環發動機發展情況

變循環發動機的概念,很早就提出了,早在上世紀60年代,就有了這一概念。世界知名的航空發動機公司如英國R•R公司、法國SNECMA公司、日本工業科學與技術研究所、美國GE公司等,均在持續進行變循環發動機概念和方案設計以及相關技術研究和試驗驗證工作。比如,英國提出有分排、混排渦扇和渦噴3種循環方式的選擇放氣式變循環發動機概念,法國SNECMA公司提出雙壓縮系統變循環發動機概念,日本牽頭開展了變循環發動機驗證機「HYPR90-T」的技術研究與驗證。

然而,變循環真正在工程技術層面實現,是由美國GE公司完成的。在眾多變循環發動機研製公司當中,美國GE公司研究時間最為持久,程度最為深入,研究水平最高,一直引領著世界變循環發動機技術的發展。GE公司從早期的變循環發動機概念提出,到目前具有實際使用功能的F120發動機的研製成功,設計概念和設計方法大致經歷了五次大的技術發展,推出了具有代表性的5代變循環發動機,分別是YJ101、GE21、GE37、可控壓比發動機和ADVENT發動機。

其中,ADVENT技術研發計劃的目的是,製造一台採用變循環技術的驗證機,發展和驗證進氣道、發動機、排氣噴管和綜合熱管理技術,以獲得在大的高度和飛行速度範圍內性能最佳的推進系統,以達到兩個目的:一是改善性能;二是提供一組可以很容易地自適應和變化尺寸來滿足不同平台和不同任務要求的發動機技術。ADVENT發動機計劃的第一階段已經圓滿結束,在與羅爾斯•羅伊斯公司的合作研發中,在風扇、壓氣機和渦輪等核心部件上取得突破,研製出驗證機核心機。

這一目的很好地達到了,其中:下一代LEAP高壓壓氣機、用於燃燒室和高壓渦輪的高溫陶瓷基複合材料、以及增材製造部件等,可以使發動機燃油效率提高25%,飛機的作戰航程增加30%,發動機的推力也比目前最先進的軍用戰鬥機發動機(指F135)提高5%~10%。其中高溫陶瓷基複合材料,是世界上第一次成功實現工程應用。雖然沒有公布具體的渦輪前燃溫度,但據GE公司披露,ADVENT驗證機的渦輪前燃溫度超過了F119,創造了新的世界紀錄,這為其實現超高推力和推重比打下了堅實基礎。

第二階段為期四年,由普惠公司和GE公司兩大巨頭合作完成,主要目的是完成驗證機的台架試車試驗,驗證核心機和風扇、燃燒室、高壓壓氣機等主要部件的運行情況。這一階段如果能於2016年成功結束,就意味著變循環發動機的驗證機(即核心機)已經成熟。根據發動機的研製規律,我們知道一般有技術預研、核心機研究、原型機研製、批生產等四個階段,核心機成功,意味著原型機的研製即將展開,第六代發動機將正式進入工程研發階段。

結語

目前,國內對於變循環發動機技術的原理、機理和結構已經展開了廣泛的技術預研,並取得了一定的成果,對其關鍵部件的預研和攻關也已經展開。目前,中國第六代戰鬥機已經展開研究,相信與其配套的六代機動力系統——變循環發動機也不會缺席。

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