自從20 世紀(jì)40 年代初期出現(xiàn)燃?xì)鉁u輪以來，燃?xì)鉁u輪的發(fā)展取得了巨大成就。目前， 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)占據(jù)航空動力的主導(dǎo)地位， 是知識密集、軍民兩用的高科技產(chǎn)品， 是國家科技工業(yè)水平和綜合國力的重要標(biāo)志， 成為各大國大力發(fā)展、高度壟斷、嚴(yán)密封鎖的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展， 航空渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)取得巨大進(jìn)步， 推動了飛行器和航空工業(yè)的蓬勃發(fā)展。未來，隨著材料、制造等基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，航空渦輪發(fā)動機(jī)將迎來新一代的飛躍。

    航空渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

    燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)發(fā)明， 使航空工業(yè)發(fā)生了一場革命，飛機(jī)的速度、高度和機(jī)動性出現(xiàn)了歷史性飛躍，飛機(jī)從亞聲速跨入了超聲速飛行的新時代。縱觀航空渦輪發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程，軍用航空渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展始終引領(lǐng)著先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)發(fā)展方向，自20 世紀(jì)40 年代初以來，軍用航空渦輪發(fā)動機(jī)已研制發(fā)展了四代并逐步向第五代跨越。

    · 第一代： 以渦輪噴氣發(fā)動機(jī)為主， 20 世紀(jì)40~50 年代研制，20世紀(jì) 50~60 年代獲得廣泛應(yīng)用。表征發(fā)動機(jī)綜合性能指標(biāo)的推重比約3~4。渦輪前燃?xì)鉁囟?200~1300K，典型機(jī)種有J57、BK-1 等。

    ·第二代： 主要是加力式渦輪噴氣發(fā)動機(jī)， 基本上是第一代的改型，還有少量渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，推重比5~6， 渦輪前燃?xì)鉁囟?400~1550K，典型機(jī)種有J79、TF30、SpeyMK202、M53-P2 和P29-300 等。

    ·第三代： 主要是渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)， 技術(shù)上有了很大進(jìn)步， 推重比7~8， 渦輪前溫度1600~1800K。從1973 年F100（ 見圖1）發(fā)動機(jī)最先投入使用以來， 相繼又有美國的F404、F110、西歐的RB199、法國的M-88、前蘇聯(lián)的PД-33 和AЛ-31φ 投入使用， 成為第三代戰(zhàn)機(jī)的主要動力裝置等。

    · 第四代： 從20 世紀(jì)80 年代開始發(fā)展，是為滿足先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的超聲速巡航能力、良好隱身能力、高亞聲速和超聲速機(jī)動能力、敏捷性、遠(yuǎn)航程和短距起落能力、高可靠性、易可維修性、強(qiáng)生存力、低全壽命期費用而研制的。其性能特點為：推重比9.0~10.0，涵道比0.2~0.4，增壓比26~35，渦輪進(jìn)口溫度1800~2000K，耗油率降低了8%~10%，可靠性提高了1 倍，耐久性提高了2 倍。典型第四代軍用發(fā)動機(jī)F119（見圖2）、F120、EJ200、F135、F136、АL-41F 等。

    · 第五代： 21 世紀(jì)初開始提出，與前四代發(fā)動機(jī)追求高推重比不同，第五代發(fā)動機(jī)將提升發(fā)動機(jī)推進(jìn)效率與任務(wù)適應(yīng)性為首要目標(biāo)，目前仍處于研制當(dāng)中。普惠公司借助美國空軍自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)（AETD）發(fā)展項目正在進(jìn)行第五代發(fā)動機(jī)的測試，通過變循環(huán)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的突破，其耗油率可降低30%。

    民用航空發(fā)動機(jī)歷經(jīng)半個多世紀(jì)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)形式由早期的離心式渦輪噴氣發(fā)動機(jī)到單轉(zhuǎn)子軸流式渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，從雙轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機(jī)到低涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，再到高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，一直以來以更高的效率以及更高的可靠性為追求目標(biāo)。隨著涵道比的增加與新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)動機(jī)耗油率也由最早的1.0kg/daN·h 降低到0.3kg/daN·h。

    目前，民用航空發(fā)動機(jī)主要為大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，其最大推力已超過500kN，發(fā)動機(jī)總壓比超40，采用全權(quán)限數(shù)字控制（FADEC），發(fā)動機(jī)可靠性顯著提升，空中停車率下降到每1000 飛行小時0.002~0.005 次，返修率僅為每1000 飛行小時0.06~0.01次。同時，與早期的渦噴發(fā)動機(jī)相比，噪聲強(qiáng)度和污染物排放分別降低了75% 和80%，發(fā)動機(jī)工作更加“環(huán)保”。現(xiàn)役民用航空發(fā)動機(jī)主要有CFM56、PW6000（ 見圖3）、GE90、Trent800 等。

    并為進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)耗油率、提升民用航空發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，一些新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)形式在民用航空發(fā)動機(jī)中得到了快速發(fā)展。例如普惠公司研發(fā)的齒輪傳動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)（GTF）、羅羅公司重新研發(fā)的槳扇發(fā)動機(jī)（也稱開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)），與傳統(tǒng)民用航空渦扇發(fā)動機(jī)相比均可大幅降低油耗。目前該兩類發(fā)動機(jī)均已通過了整機(jī)測試，普惠公司的PW1100G（GTF）發(fā)動機(jī)將A320NEO 飛機(jī)上進(jìn)行使用。

    燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)先進(jìn)技術(shù)

    航空渦輪發(fā)動機(jī)能力的提升依賴于發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展和驗證，為下一代航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

    1 先進(jìn)設(shè)計技術(shù)

    未來，在不改變航空渦輪發(fā)動機(jī)循環(huán)方式的情況下，提升發(fā)動機(jī)循環(huán)效率和減輕發(fā)動機(jī)自身重量是提高發(fā)動機(jī)性能的主要方法。發(fā)動機(jī)性能的提升離不開先進(jìn)的氣動設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計。

    氣動設(shè)計：氣動設(shè)計可使未來發(fā)動機(jī)單位推力和部件效率進(jìn)一步提高，且通過減少葉輪機(jī)級數(shù)、燃燒室和噴管更緊湊及在可能情況下取消加力燃燒室等辦法來減輕質(zhì)量。先進(jìn)氣動設(shè)計主要包括：風(fēng)扇/ 壓氣機(jī)葉片有粘、全三維氣動設(shè)計技術(shù)，燃燒室旋流燃燒技術(shù)，渦輪葉片有粘、全三維氣動設(shè)計技術(shù)，復(fù)合傾斜和端彎設(shè)計技術(shù)、先進(jìn)的熱端傳熱分析和冷卻設(shè)計技術(shù)，360°全方位氣動矢量噴管設(shè)計技術(shù)等。

    結(jié)構(gòu)設(shè)計：先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計可減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量，同時可充分發(fā)揮新材料的性能。先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括：空心風(fēng)扇/ 壓氣機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計、整體葉盤/ 葉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖4）、刷式和氣膜封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計、雙層壁火焰筒、對轉(zhuǎn)渦輪、雙輻板渦輪盤、磁性軸承、內(nèi)裝式整體起動等結(jié)構(gòu)設(shè)計。

    2先進(jìn)材料

    新材料是航空渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，是提高航空渦輪發(fā)動機(jī)推重比的主要突破口。據(jù)預(yù)測，在未來航空發(fā)動機(jī)性能的提高中，新材料貢獻(xiàn)率將達(dá)到50% 以上。未來應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)上的先進(jìn)材料主要包括兩類：

    輕型高比強(qiáng)度材料，包括鈦金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料、TiAl 金屬間化合物、Ti3Al 合金等，這些材料的應(yīng)用可以大幅減輕發(fā)動機(jī)的重量、提升風(fēng)扇等轉(zhuǎn)子葉片強(qiáng)度及抗打擊能力，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)推重比、工作可靠性的提升；

    新型耐高溫材料，包括耐高溫合金材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳- 碳基復(fù)合材料等，新型耐高溫材料的應(yīng)用可使渦輪前溫度提高至2000℃ ~2200℃，可大幅提升發(fā)動機(jī)單位推力，甚至未來可取消發(fā)動機(jī)加力燃燒室便可滿足發(fā)動機(jī)加速過程單位推力需求。

    3先進(jìn)制造技術(shù)

    為了提高發(fā)動機(jī)的可靠性和推力，未來，高性能發(fā)動機(jī)研制將采用大量新材料、新結(jié)構(gòu)，對制造工藝的要求將進(jìn)一步提高。先進(jìn)制造技術(shù)的主要分為以下3 類：

    輕量化、整體化結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)：為實現(xiàn)減重增效，航空發(fā)動機(jī)零部件大都采用復(fù)雜曲面和高結(jié)構(gòu)效率的整體、輕量化結(jié)構(gòu)，這對制造工藝以及制造設(shè)備提出了更高的要求。輕量化、整體化結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)主要包括整體葉盤制造技術(shù)、整體葉環(huán)制造技術(shù)、大小葉片轉(zhuǎn)子制造技術(shù)、發(fā)動機(jī)機(jī)匣制造技術(shù)、寬弦風(fēng)扇葉片制造技術(shù)、復(fù)合冷卻層板結(jié)構(gòu)制造技術(shù)等；

    新材料構(gòu)件制造技術(shù)：未來高性能發(fā)動機(jī)擬采用很多種類的新材料和新材料構(gòu)件，尤其是金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳 / 碳復(fù)合材料是當(dāng)前高溫復(fù)合材料領(lǐng)域開發(fā)和應(yīng)用研究的熱點。新材料構(gòu)件制造技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了新型材料在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用。主要包括金屬基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)、陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)、碳/ 碳復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)；

    發(fā)動機(jī)制造新工藝：航空渦輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、新材料（高硬度、高強(qiáng)度）加工難度大，導(dǎo)致傳統(tǒng)制造工藝加工成本高或無法滿足加工要求。未來，新型制造工藝的應(yīng)用將加速航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展。其主要包括新型結(jié)構(gòu)件精密制坯技術(shù)、先進(jìn)切屑技術(shù)、特種加工技術(shù)、特種焊接技術(shù)（見圖5）、熱障涂層技術(shù)、3D 打印技術(shù)、浮壁式火焰筒制造技術(shù)等。

    4先進(jìn)控制技術(shù)

    為了不斷滿足先進(jìn)發(fā)動機(jī)發(fā)展的需求，未來控制系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)是提高性能、減輕重量，耐惡劣環(huán)境、提高可靠性和維護(hù)性，因此控制系統(tǒng)將向綜合化和智能化方向發(fā)展。先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)控制技術(shù)主要包括以下3 類：

    主動控制技術(shù)：主動控制技術(shù)可提高發(fā)動機(jī)的性能、耐久性和生存性，使高載荷的渦輪機(jī)械達(dá)到更高的推重比；提高高涵道比和部件效率，最后減少耗油率；主動控制技術(shù)還提供部件狀態(tài)的診斷/ 監(jiān)視信息，避免了失效，從而降低維修成本。主動控制包括主動穩(wěn)定控制、主動間隙控制、主動燃燒控制等；

    智能控制技術(shù)：智能控制是將人工智能的方法引進(jìn)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，模擬人的智能活動進(jìn)行控制與信息傳遞過程的控制規(guī)律，其核心是控制決策，采用靈活機(jī)動的方式迫使控制向期望的目標(biāo)逼近。智能推進(jìn)控制系統(tǒng)包括智能自修復(fù)控制技術(shù)、損傷自適應(yīng)修復(fù)控制技術(shù)、延壽控制技術(shù)、自主推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)等多個方面；

    分布式控制技術(shù)：未來控制系統(tǒng)將是高度分布式控制系統(tǒng)，它由FADEC和多個智能裝置組成，中央處理器和各智能傳感器、智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成了一個局域網(wǎng)。圖6 是集中控制系統(tǒng)與分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對比。采用分布式控制系統(tǒng)可以使控制器體積減少，傳感器系統(tǒng)精度提高，獲取的系統(tǒng)信息更多，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，從而減少設(shè)計、生產(chǎn)、裝配和試驗成本，減少發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計周期。

    分布式控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括分布式總線、智能傳感器、智能作動器、微電子機(jī)械、高溫電子技術(shù)等。

    未來發(fā)展趨勢特點分析

    基于作戰(zhàn)的需要，軍用飛機(jī)將具有更大的作戰(zhàn)半徑、更強(qiáng)的生存能力、更靈活的戰(zhàn)場適應(yīng)性、更高的可靠性以及更低的全壽命周期成本等特點，這就要求其動力裝置繼續(xù)向著提高推重比、降低耗油率、改善可靠性、適用性、維修性和經(jīng)濟(jì)性的方向發(fā)展。對于民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)，還有環(huán)保等適航要求。通過綜合分析，未來航空渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)展具有以下顯著特點。

    1.性能與適用性、可維護(hù)性、可靠性/ 耐久性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)綜合提升。

    未來，美國等航空技術(shù)先進(jìn)國家在追求更高推重比的同時要求發(fā)動機(jī)耗油率不斷降低，以增加飛行器航程和作戰(zhàn)半徑，增強(qiáng)遠(yuǎn)程打擊能力。另外，為保證機(jī)隊完好率和高的戰(zhàn)斗生存力，發(fā)動機(jī)的可靠性、維修性設(shè)計成為關(guān)鍵。因此，未來航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計將改變單純追求高性能的做法，發(fā)動機(jī)適用性、成本、可靠性等綜合性能將成為衡量發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。

    2.提高任務(wù)適應(yīng)性。

    未來航空發(fā)動機(jī)的使用將從傳統(tǒng)的最高20~30km 以下空中飛行向臨近空間（60~70km 高度）擴(kuò)展，甚至實現(xiàn)跨大氣層飛行，而飛行速度也將由現(xiàn)在的亞聲速、超聲速向高超聲速躍進(jìn)，由此將引發(fā)航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的一場革命。為適應(yīng)更為寬廣的工作包線，需要解決相關(guān)的各種新技術(shù)，包括發(fā)動機(jī)變循環(huán)技術(shù)、組合發(fā)動機(jī)技術(shù)、發(fā)動機(jī)預(yù)冷技術(shù)、先進(jìn)熱管理技術(shù)等。

    3.增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。

    未來要求新一代發(fā)動機(jī)能在各種復(fù)雜自然環(huán)境和惡劣氣象條件下安全可靠工作，采用先進(jìn)的光/ 機(jī)/電綜合控制系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的抗進(jìn)氣畸變、防冰、防雨、防雷電和高低溫工作能力。智能發(fā)動機(jī)主動控制系統(tǒng)和健康管理系統(tǒng)能夠依靠傳感器數(shù)據(jù)和專家模型全面了解發(fā)動機(jī)和/ 或部件的工作環(huán)境和發(fā)動機(jī)狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)性能和狀態(tài)的主動和自我管理，并根據(jù)環(huán)境因素平衡任務(wù)要求，提高發(fā)動機(jī)的性能、可操縱性和可靠性，延長發(fā)動機(jī)的壽命，降低發(fā)動機(jī)的使用與維修成本，可有效提高環(huán)境適應(yīng)能力和生存力。

    4.發(fā)動機(jī)隱身性能。

    就推進(jìn)系統(tǒng)而言，隱身無疑是下一個重大的能力激勵器。戰(zhàn)斗機(jī)的進(jìn)氣道和排氣裝置是雷達(dá)橫截面的主要信號源。未來，在推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計中，除了要通過發(fā)動機(jī)、進(jìn)氣道和排氣裝置高度一體化設(shè)計來減少工作時輻射的整體影響外，還必須將推進(jìn)系統(tǒng)與整個飛機(jī)機(jī)體很好地一體化設(shè)計以減少信號輻射。發(fā)動機(jī)加力工作時，紅外信號將會急劇增加，未來在無加力狀態(tài)下如何獲得更高單位推力將成為未來隱身發(fā)動機(jī)發(fā)展的一個重要方向，新型耐高溫材料與變循環(huán)技術(shù)將成為該方向的主要關(guān)鍵技術(shù)。

    5.大幅提升經(jīng)濟(jì)可承受性。

    未來先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)高昂的采購價格決定了生產(chǎn)規(guī)模不可能太大，在需要發(fā)動機(jī)性能大幅提升的同時，還要求其全壽命周期成本要可擔(dān)負(fù)得起。美國通過IHPTET 計劃技術(shù)研究，經(jīng)濟(jì)可承受性達(dá)到基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)的3 倍以上，通過VAATE 計劃，經(jīng)濟(jì)可承受性達(dá)到基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)的10 倍。民機(jī)發(fā)動機(jī)除了提高性能，還要不斷降低全壽命周期成本。圍繞成本控制目標(biāo)，采用多種措施提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性。比如，“一機(jī)多型”滿足了用戶的多種任務(wù)需要，降低了采購成本；開發(fā)通用技術(shù)，研制“通用核心機(jī)”，實現(xiàn)用途多元化，發(fā)展出將來使用的更高性能、更高耐久性和更低費用的軍用和民用發(fā)動機(jī)等。

    6.民用航空環(huán)保性要求。

    環(huán)保性是大飛機(jī)發(fā)動機(jī)取得適航必須滿足的強(qiáng)制性要求。21 世紀(jì)初，GE90、PW4084、TRENT800、TRENT900、GP7200、BR710、CFM56等大涵道比民用渦扇發(fā)動機(jī)已經(jīng)應(yīng)用了大量的降低噪聲與降低排放技術(shù)，并收到了很好的環(huán)保效果。為了進(jìn)一步改善環(huán)保特性，美國與歐盟國家還在通過實施一系列的技術(shù)研究計劃，開發(fā)更低排放、更低噪聲、更少有害物的技術(shù)，以研制在整個壽命期內(nèi)對生態(tài)環(huán)境和與其有關(guān)人員的健康與安全都產(chǎn)生最小影響的發(fā)動機(jī)——“綠色”發(fā)動機(jī)。

    結(jié)束語

    航空渦輪發(fā)動機(jī)是集氣動、熱工、結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度、控制、測試、計算機(jī)、制造技術(shù)和材料等多種學(xué)科為一體的當(dāng)代最精密的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品之一，基礎(chǔ)學(xué)科的創(chuàng)新與先進(jìn)技術(shù)的不斷突破，使航空渦輪發(fā)動機(jī)性能得到了不斷提升。未來在追求高性能的同時，發(fā)動機(jī)綜合性能的提升將成為設(shè)計者與用戶共同關(guān)注的焦點，并將成為未來先進(jìn)航空渦輪發(fā)動機(jī)的重要發(fā)展方向。

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責(zé)任編輯：王元

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