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国产变循环自适应发动机将用于国产第五代战斗

日期:2019-07-29 

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国产新一代变循环自适应发动机研制进展如何?国产新一代发动机已经进入“关键技术整机验证阶段”,为歼-20改进和发展新一代战斗机打下了坚实基础。国内新一代自适应变循环发动机已经经过了前期技术预研、部件试制、核心机研制等阶段,进入到验证机试验阶段,应该说这个进度还是非常快的,出乎外界意料。


我们知道战斗机主要依靠空气动力优化来提高性能,不过到了第四代战斗机,战斗机设计者感觉凭借单一手段再次扩展战斗机飞行包线已经非常困难,需要采取多种手段才能继续对战斗机性能进行升级,其中最关键就是发动机性能,对于发动机来说,战斗机许多方面性能自相矛盾,巡航阶段需要发动机省油,以提高航程和作战半径,在空战之中又要求飞机具备较好高空高速性能,但是现在使用的发动机涵道是固定的,不能改变,很难兼顾两者之间的性能,自适应变循环发动机解决了这个问题,它的涵道是可变的,发动机可以在涡扇、涡喷发动机之间进行转换,从而战斗机能够以最佳状态执行任务,有效提高了战斗机作战能力,国内外航空工业特别是航发技术人员都认为下一代发动机应该是自适应变循环发动机就是这个原因。

笔者注意到文章之中提到国产新一代自适应变循环发动机重点攻克了“高负荷、高效率、高稳定压气机”、“高升温、高稳定环形燃烧室”、“高耐温、高效率涡轮气动和冷却”等技术,并且广泛采用了新材料、工艺,解决了核心机部件匹配技术,从一个侧面表明国产新一代自适应变循环发动机已经完成前期技术预研、部件试制和核心机研制,进入发动机技术验证机研制阶段,同时它也表明国产新一代自适应变循环发动机气动设计更加先进、结构也更加简单,推力更大、重量更轻。


从国内外航空发动机发展来看,结构简化是一个趋势,F110、FWS-10等三代发动机普遍采用3级风扇加9级高压压气机,AL-31F则是4级风扇加9级高压压气机,到了四代发动机结构就进行了简化,F119涡扇发动机采用了3级风扇加6级高压压气机,至于未来自适应变循环发动机还会进一步简化,一般认为只有2级风扇加5级高压压气机,结构简化,发动机部件减少,但是空气流量、增压比等指标不减反增,结果就是发动机单个部件负荷迅速增加,所以国产新一代自适应变循环发动机将高负荷、高效应技术放在技术攻关的前列,另外发动机燃烧室要求高升温、高稳定,高压涡轮要求采用高效率冷却系统,这些要求蕴含国产新一代自适应变循环发动机具备更高燃烧温度,以提高发动机推力,不过这样意味着高压涡轮需要承受更高的温度,对于高压涡轮材料、工艺、冷却系统提了更高要求。

综上所述,可以推测国产新一代自适应变循环发动机已经完成核心机试制和测试,通过增加风扇、低压涡轮、加力燃烧室等试制成了技术验证机,进行前期技术验证,可以说国产新一代自适应变循环发动机已经正式进入了整机阶段,成果可喜可贺,不过我们也要清楚看到,技术验证机只是万里长征第一步,前面道路充满曲折和艰险,例如发动机需要验证整体设计是否与理论计算相符合,推力曲线是否与预期一致,除了地面试车之外,还要进行高空模拟试车、空中试飞等等一系列测试,即便研制顺利,国产新一代自适应变循环发动机实用时间也不会早于2030年,因此我们既要坚信国产新一代自适应变循环发动机一定会鹰击长空,更要脚踏实地,一步一个脚印,刻苦攻关,坚实认真,才能取得胜利。


美国GE通用公司全新研制自适应变循环发动机核心机


美国GE通用电气公司(以下简称GE公司)全新研制的XA-100自适应变循环发动机核心机在2018年6月完成全部测试后,已正式移交到GE公司总部伊文戴尔工厂。在完成了XA-100原型机全部元件设计工作后,已于2019年元月开始进行原型机装配工作,如果一切顺利的话,预计将于2020年初开始发动机原型机飞行试验测试。


而目前F22战斗机(F119),F-35战斗机(F-135)发动机最大的赢家——普惠公司研发的另一种自适应变循环发动机验证机——XA1-01也将会抵达这里,接受军方的测试。与全新研制的XA-100不同的是,由于普惠公司在美国ADVENT下一代航空发动机预研计划中未能获胜,因此决定自筹资金投资变循环发动机研制,与GE公司竞争。

公开资料称,其自适应变循环发动机验证机基于F-135发动机的深度改型,并创新研究了自适应涡轮和自适应风扇技术,还重新设计研究了F-135 发动机的高压涡轮叶片和热障涂层,大幅提高该发动机的涡前温度。


据称XA-101创造了涡扇发动机最高工作温度记录,其涡轮进口温度高达2400K,比F-135发动机足足提高了150℃。XA-101发动机已顺利进入美国空军的“自适应发动机计划”(AETP),与GE公司的XA-100同台竞争。


所谓AETP计划,就是ADVENT研究计划的后续,目的是促进自适应变循环发动机技术的进一步成熟,为2020年内可能开始工程研制的美国空军下一代战斗机(也称6代机)F-X, 下一代轰炸机(B21计划),下一代美国海军战斗机F/A-XX(美国F/A-18“超级大黄蜂“战斗机的接班人)、及其它多种作战平台提供动力选型。

与F-135发动机相比,AETP计划中的发动机油耗降低了20%,不加力推力增大5%,加力推力增大10%,航程延长了30%。美国军方宣布,XA-100和XA-101发动机的基准最大加力推力必须达到20吨,并可为F-35 战斗机第二阶段改进型提供动力。对AETP计划中的发动机指标,两家公司都信心十足,普惠公司甚至计划将来引入超高温CMC陶瓷基复合材料,将XA-101原型机涡前温度再提高300℃,达2700K,以期进一步提高发动机推力,降低发动机油耗。


在选型成功以后,美国空军计划再用10年时间、耗资20亿美元对自适应变循环发动机进行完善试飞定型,满足2030年左右第六代战斗机投入现役的需要。世界各航空强国在美国的影响下,也纷纷制定了变循环发动机研制计划。


从国外公开资料报道可以得知,英国的罗-罗公司提出SBVCE计划和TANDEM FAN VCE计划两个放气式变循环发动机研制计划,法国斯奈克玛公司提出了带中间风扇的MCV99 VCE三涵道变循环发动机方案。日本也提出了HYPR90-C变循环发动机计划,在美国进行的初步试验中,涡轮前温度达到1873K,涵道比从0.6成功地变化到0.9。通过改变低压涡轮导向器的角度,在高速高温状态下的推力增加15%。但到目前为止,还没有一个进入类似美国的原型机研制阶段,与美国的差距将进一步拉大,其差距大约为20至25年。

从俄方资料来看,其六代机计划是高超音速方案,配套的发动机目前还没有详细的公开资料透露,但由于其窘迫的经济环境,其国内能否有足够的资金支持下一代发动机研发还是一个未知之数。


而从美方披露的公开信息来看,目前呼声甚高的涡轮基冲压组合发动机和脉冲爆震发动机并不是未来美军6代机的配装动力,在2030年前装备下一代战斗机的可能性并不大,第7代战斗机发动机和未来高超声速空天飞机动力将有可能采用。

为下一代战斗机提供动力的新发动机


美国为六代机研发的自适应变循环航空发动机美国空军正在资助开发一种新型45000磅推力自适应喷气发动机,该发动机旨在为20世纪30年代的未来第六代战斗机提供动力。两项合同已经被授予,每项合同在四年内完成三台原型发动机。


2018年6月,通用电气航空公司为此获得了4.37亿美元;普拉特和惠特尼上周也获得了类似的合同。到2022年,美国空军的研究实验室( AFRL )预计将投资15亿美元用于适应性发动机技术开发( AETD )项目。

增强型核心机是未来发动机的核心改进之一,能够在更高的温度和压力下运行。用于制造这种核心机的技术包括用特殊合金制造的部件,这些部件提供了改进的效率、更好的散热、减重和整体性能的提高。


自适应发动机的另一项突破技术是变循环结构。这种结构很好地适应不同的任务阶段,提供了更多的推力,更高的燃油效率和更长时间的寿命。

与目前的发动机相比,新发动机预计将减少25 %的燃料消耗并提高60 %的散热能力。这种改进将使典型任务的战斗机航程增加35 %,而续航时间预计将延长50 %。第三股气流还将提供气流来产生大量电力,为机载高能武器和电子系统提供动力。

作为其AETD项目活动的一部分,通用电气在2014年测试了该行业第一台也是唯一一台自适应变循环发动机。这是继高度成功的适应性通用发动机技术( GE )项目之后,通用电气公司达到了喷气发动机推进历史上最高的压缩机和涡轮组合温度。去年,普惠公司成功测试了与F135内核集成的自适应变循环风扇,验证了其中的一些功能。

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