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美國五代機發動機的新進展

2017-02-08 12:14:25 作者：本網整理來源：威海眾成科技分享至：

    1、引言

    美國配裝F119-PW-100 發動機的第5 代重型戰斗機F-22 于2002 年投入部隊使用，配裝F135-PW-100 發動機的第5 代輕型戰斗機F-35 進入小批量生產，標志著第5代戰斗機及其發動機的研制已經基本完成。

    與此同時，美國政府利用X 驗證飛行器開發、驗證新的飛機方案，以及利用綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）和通用的經濟可承受的先進渦輪發動機（VAATE）等技術研究計劃開發和驗證新技術，開始論證和籌劃下1 代（第6 代）戰斗機及其發動機方案，以使武器系統更高效、更機動、更致命和更經濟，進而持續保持空中優勢和響應軍方日益提高的要求。

    綜合美國國家級政府文件（《美國空軍2020 年愿景》、《美國航空航天倡議》、《美國國防部空間科學與技術戰略》）描述和國防領域專家研究結論，基本可以明確：對未來武器裝備的宏觀需求是全球到達、快速打擊、持久攻擊、持久且快速反應的情報/ 監視/ 偵察（ISR）、多任務機動、靈活的保障等；對第6 代戰斗機的基本要求可能為可選有人與無人駕駛和具備超聲速巡航與作戰、超常規機動、超級隱身、超遠程打擊、超越物理域和信息域的實時控制等能力；對其發動機的基本要求可能為超大推力與推重比、超低油耗、超級隱身、超機動、長耐久（壽命）、超低費用。

    因而，美國的第6 代戰斗機發動機可能的結果是：以高效高耐久核心機為基礎，實現大推力與高推重比；以低壓自適應部件和智能控制，實現多任務適應性與低油耗；以高隱身結構的進口和噴管與超級隱身材料，實現超級隱身；以增加矢量控制技術，實現更高機動性；借鑒預研與型號經驗，實現長耐久和超低費用。

    2、突出發展核心機技術，適應超距離和超時限打擊要求

    作為戰斗機發動機最重要的技術指標，推力和耗油率直接影響著戰斗機的作戰半徑、加速性、爬升率、持續轉向力、最大平飛速度等核心性能。由于必須在性能、質量、可靠性、耐久性、成本等要求下綜合平衡，加之采用相對復雜的變循環發動機結構，在原理方面沒有重大突破的情況下，航空渦輪發動機推力和耗油率等關鍵性能指標雖有一定的提升空間，但空間已經不大。

    按自適應發動機技術驗證計劃的目標，與第5代戰斗機發動機相比，第6代戰斗機發動機的推力可能增大10％，耗油率可能降低25％左右，亞聲速戰斗機航程延長30％，待機時間延長70％；超聲速戰斗機航程延長40％，待機時間延長80％。

    這些指標的提升需要提高渦輪進口溫度（達到2200～2400 K）和總增壓比（達到30 以上）等發動機熱力循環參數；需要縮小核心機，減小風扇直徑；增大單位推力和使核心機的單位功率生成能力最大。而增大單位推力會對單位耗油率造成不利影響，通過以下措施解決這一問題：在提高級負荷的同時，提高部件效率；采用變循環部件；減少冷卻空氣消耗量；采用先進的熱管理方案；采用低損失的加力燃燒室和燃料噴射系統。

    為了獲得所需的高部件效率，將采用以下新設計：（1）采用更加先進的3D穩態和非穩態氣動設計；（2 ）采用主動壓氣機喘振控制，在不犧牲氣動特性的前提下改善可操作性；（3 ）采用與主動間隙控制相結合的部件熱力學優化設計，使間隙最小和補償性能衰減。

    為了提高熱力機械負荷，將引入以下新穎結構：（1）風扇和高壓壓氣機整體葉環；（2 ）采用包括預冷冷卻方案在內的新高壓渦輪冷卻方案；（3 ）采用新的短長度的加力燃燒室方案；（4 ）采用功率最佳化的附件結構，包括電驅動的泵和作動器、完全一體化的電子起動機/ 發電機、磁力軸承方案，將能在降低燃料消耗和減輕質量的同時提高可靠性和可維護性，進而降低壽命期費用。

    為了提高熱力機械負荷，將引入以下先進材料：（1）采用耐704 ℃以上的壓氣機輪盤材料，打破最大壓縮比為50的限制值；（2 ）采用先進的鈷基合金、陶瓷、陶瓷基復合材料或更好的熱障涂層技術，消除對熱端部件溫度的限制；（3 ）采用先進的隱身材料與方法，提高隱身能力；（4 ）采用輕質和多功能材料，大大減輕發動機質量。

    3、突出發展變循環技術，適應超遠程作戰要求

    美國空軍要求第6 代戰斗機在具備高速持續和沖刺飛行能力的同時，還具備遠程和長航時能力，即要求發動機具備高低速都能飛、高低速都省油，并且具有極高的經濟可承受性。

    受部件和系統技術的限制，常規循環可能難以滿足未來擴大的使用范圍、多種任務等需求，因而需要在高、低速等各種飛行和工作狀態下都具有良好性能的變循環發動機。采用變循環技術，當戰斗機亞聲速巡航時采用渦扇工作模式，超聲速巡航時則采用渦噴工作模式，從而使發動機的工作范圍拓寬、不同飛行狀態下工作效率提高，使第6 代戰斗機既能亞聲速巡航飛行，又能進行Ma=3～6不開加力超聲速巡航飛行。目前，美國預研的典型第6 代戰斗機發動機包括以GE 公司的自適應循環發動機和PW 公司的PW9000 發動機。

    GE 公司的變循環發動機采用了“3 流道”技術，即在傳統渦扇發動機的核心機流道和外涵道流道的基礎上增加由自適應風扇產生的第3 個外流道，如圖1 所示。它在COPE 布局上又增加了1 個“Flade（fan-on-blade接在轉子葉片上的風扇）”級，即在發動機外圍又增設第3 個外流道。第3 外流道被關閉，可增大起飛和超聲速階段的推力；被打開，能降低巡航和留空時的耗油率。這種設計能保證發動機在低速和高速巡航時都保持較高的效率。第3外流道相對涼爽的空氣可用于冷卻熱端部件，減少紅外特征信號；被注入核心機或加力燃燒室，可以增大推力。

    此外，增加第3流道可極大改進發動機的熱管理及進氣道壓力恢復能力，減小發動機內的氣流阻力，提高氣動效率，從而減小安裝阻力，增大發動機的功率，還可以為戰斗機提供額外的冷卻空氣。這不僅為未來軍民用飛機帶來航時、航程、速度和隱身等方面的巨大收益，同時可以滿足傳感器、武器和通信設備對發動機功率提取的更高要求。美國空軍研究實驗室（AFRL）預計，自適應發動機的燃油效率將比F135 發動機的提高25％，可以使飛機的作戰半徑增加25％～30％，續航時間延長30％～40％。其關鍵技術包括：單獨可變流量和壓比的輔助風扇；高溫多轉子機械系統；高剩余功率、流量和壓比可變的核心機；可在大流量范圍工作的高效渦輪；綜合的熱管理技術；進/ 排氣綜合改進技術。

圖1 GE 公司“3流道”渦扇發動機

PW 公司的PW9000發動機是以F135 和“靜潔動力”PW1000 發動機為基礎，采用變循環發動機和自適應風扇技術，如圖2 所示。

圖2 PW9000發動機

    4、突出發展低信號特征技術，適應超隱身要求

    美國政府多年來不惜投入大量的人力、物力和財力，將發展隱身技術當成國家“競爭戰略”的基本要素加以實施，把作戰飛機達到高度隱身視為發明噴氣式發動機一樣的重大飛躍。在發展F/A-22隱身戰斗機之前，美國已經研制并使用了F-117隱身攻擊機和B-2隱身轟炸機。

    美國軍方認為：隨著各種反隱身技術的發展，依靠外形設計和傳統隱身材料實現低可觀測性的第5代戰斗機在未來戰場上面臨著極大的威脅，現役隱身作戰飛機（如F-22戰斗機和B-2轟炸機）的技術優勢最多只能維持到2020年左右。為此，第6代戰斗機在隱身方面的要求將會比第5代戰斗機更為嚴格，需要擴大隱身頻段，如增加可見光、紅外、雷達波的隱身頻段，最終實現全向全頻段隱身，從而使任何探測設備無法探測。

    隱身技術實際很復雜，僅戰斗機的雷達波隱身設計就涉及了眾多的關鍵技術或相關技術，其中包括為飛機和發動機的大型承載結構發展先進復合材料和制造工藝、先進的雷達吸波材料（RAM）和應用工藝、雷達散射截面（RCS）精確測量技術、采用先進電傳操縱系統（計算機控制的電子飛行控制系統）為氣動不穩定的小RCS飛機提供增穩控制、研制發射信號不易被敵方捕獲的低截獲概率火控雷達和無源探測裝置等。

    作為戰斗機信號特征貢獻大戶的發動機，也必須在進氣道、加力燃燒室、排氣噴管、機體與發動機一體化方面依靠新的隱身機理，尋求新的隱身途徑，實現更寬頻段的雷達隱身、紅外隱身和目視隱身。除繼續改進和發展S形進氣道、雙斜面外壓式楔形進氣道、進氣道唇口平面對直設計、進氣道格柵、機體遮擋、吸波材料、吸波結構、傾斜設計、鋸齒形設計、2元噴管、冷卻設計、與機身結構一體化設計等先進隱身技術外，還必須開發與驗證更先進的新1代隱身技術。這些技術可能包括：有可能實現寬頻隱身和多光譜隱身的納米材料和綜合飛行器能量管理技術；能夠對雷達波、紅外和光波都有效的隱身涂料，包括可同時應付多種頻譜的多層或多功能隱身涂料和新型的導電涂層、放射性同位素涂層等；雷達和紅外等離子體隱身技術。

    5、突出發展推力矢量技術，適應超機動要求

    為滿足戰爭需要，美國軍方要求第6 代戰斗機不僅要具有高空高速性能，而且要具有機動、敏捷和隱身等方面的性能。波音和洛克希德·馬丁公司發布的第6 代戰斗機概念圖都采用了無尾或V 型尾結構，可以滿足作戰戰斗機常規機動性、過失速機動性、敏捷性、短距起落、超聲速巡航、隱身等性能需求的推力矢量無疑成為提高戰斗機機動能力的重要支撐。

    美國雖然已經初步驗證了軸對稱推力矢量噴管（AVEN）、俯仰/ 偏航平衡梁噴管、2 元俯仰推力矢量噴管、球形收斂調節片推力矢量噴管（SCFN）和全方位軸對稱推力矢量噴管等機械調節式推力矢量噴管，但高度復雜的作動部件導致其成本和質量的增加（據統計，高度復雜的先進推力矢量噴管占整個推進系統質量和成本的25％～30％），可能不是最佳選擇。

    流體推力矢量噴管需要極少的活動部件，具有質量輕、結構簡單、隱身特性好、響應快、易于冷卻和無封嚴問題等優點，可以使噴管的成本大大降低，可靠性與可維修性提高和使用壽命延長，可能是更好的選擇。而在處于開發與驗證中的激波、反流和喉部偏移等幾種流體推力矢量噴管中，流體喉道偏斜矢量方案兼顧了其他幾種推力矢量方案的優點，不但可以進行最佳氣流面積控制和推力矢量，而且推力損失較小、推力矢量效率較高，應該是優先選擇方案。

    6、突出發展熱管理技術，適應高溫輕質要求

    戰斗機熱載荷的不斷增加需要采用更加有效的冷卻方法，戰斗機隱身要求必須減少外開口蓋和熱排放，盡量減少使用沖壓空氣，使用具有質量輕、體積小、溫度穩定等優點的燃油作為冷源，F-22 戰斗機拋棄了許多現役戰斗機所采用的接口溫度控制方案，采用了以燃油為熱沉的綜合環境控制/熱管理系統。該系統充分利用了燃油的散熱能力，不但把機體的燃油熱管理系統與發動機的燃油熱管理系統綜合在一起，而且把環境控制系統的熱負荷也納入燃油冷卻對象，促進了機載機電系統的綜合化。

    第6 代戰斗機及其發動機對熱管理系統的要求更高，要求采用更低溫度冷卻介質（空氣、燃油、氫和水等）的預冷冷卻先進熱管理技術。現役戰斗機發動機渦輪進口溫度基本處于1600～1950 K，考慮到燃燒室的不均勻性，渦輪內局部溫度會高達2000 K以上，第6 代戰斗機發動機的渦輪內局部溫度還將有所提高。

    7、突出發展飛機/發動機一體化技術，適應提高性能的要求

    發動機進氣道、噴管、控制系統等對飛機推力的貢獻隨飛行速度的改變變化很大。對于高空高速戰斗機，在亞聲速飛行時，發動機本身產生的推力約占總推力的73％；在高速飛行時，發動機本身只提供17％的推力，進氣與排氣系統提供83％的推力。因此，在發動機設計時，必須考慮飛機與發動機之間的協調和相互影響，進行進氣道/前機體、噴管/ 后機體、飛機控制/ 發動機控制的一體化設計，以便獲得最佳的飛機/推進系統組合。

    進氣道的來流處于前機身的流場中，故進氣道與機身一體化設計的核心任務是合理地安排進氣道與機身的相對位置，細致地設計前機身的流場，使進氣道與前機身均具有優良的氣動性能。高性能低可觀測性的進氣系統的設計應考慮以下因素：良好的無機翼屏蔽的大迎角性能，滿足高的總壓恢復和低出口流場畸變要求；高效的低空條件下附面層吸除系統，在非低空條件下吸除量可增大；用于高速飛行時的機外旁路系統；在小到負迎角下能承受前體渦的卷入；發動機風扇/ 壓氣機旋轉金屬面不外露，滿足低可觀測性要求。

    噴管/ 后機體一體化設計的目的是降低阻力，并獲得對飛機后部繞流的有利干擾。對現代高速戰斗機，要求其在亞聲速和超聲速下均有良好的飛行性能，因此，不僅應采用可變幾何截面的進氣道，也應采用可變幾何截面的噴管。

    此外，為了滿足第6 代戰斗機發動機的要求，還需大力開發與驗證流體控制、高效大功率能源提取、新型燃料等技術。

    8、結束語

    美國國防部、空軍、海軍等已經開始籌劃第6 代戰斗機及其發動機的需求論證和方案研究。按照戰斗機及其發動機發展規律，希望在2030 年以后研制出能夠裝備使用的第6 代戰斗機。但是，根據美國戰斗機發動機的研制基礎、近期預先研究的進展，及受變循環、低信號特征、矢量噴管、智能控制、先進材料、先進熱管理等關鍵技術的成熟度還不夠高的影響，預計進入型號研發的時間不會太快，投入使用時間可能最早為2035 年。目前，中國應該結合已經開展的技術研究，加強分析與借鑒國外的研究成果和成功經驗，沿著部件－驗證機－工程研制的道路，加快先進戰斗機發動機的發展步伐，早日實現先進航空動力的跨越式發展。