[科普中國(guó)]-航空發(fā)動(dòng)機(jī)變循環(huán)

傳統(tǒng)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)特性是固定不變的，一種發(fā)動(dòng)機(jī)只能在一種模式下工作，并且僅在有限的飛行范圍內(nèi)具有最好的性能。先進(jìn)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（Variable Cycle Engine，VCE）則不同，它是一種多設(shè)計(jì)點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來(lái)調(diào)節(jié)其熱力循環(huán)參數(shù)（如增壓比 、渦輪進(jìn)口溫度、空氣流量和涵道比），改變發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工作模式（高推力或低油耗）使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態(tài)。與此同時(shí)，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能以多種模式（包括渦輪模式、渦輪風(fēng)扇模式和沖壓模式等）工作，因而在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速飛行狀態(tài)下都具有良好的性能。

簡(jiǎn)介變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，是指在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的一些部件的幾何形狀、尺寸或者位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同熱力循環(huán)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。1

利用變循環(huán)改變發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)，如增壓比、渦輪前溫度、空氣流量和涵道比，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工作狀態(tài)下都具有良好的性能。

在渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方面，研究的重點(diǎn)是改變涵道比，如發(fā)動(dòng)機(jī)在爬升、加速和超聲速飛行時(shí)涵道比減小，接近渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，以增大推力；在起飛和亞聲速飛行時(shí)，加大涵道比，以渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作降低耗油率和噪聲。

在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)方面，重點(diǎn)研究可調(diào)面積渦輪，以改變發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量，降低部分功率下的耗油率。

工作原理飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升的核心在于——如何提高燃油使用效率。噴氣式飛機(jī)原理是將空氣吸入發(fā)動(dòng)機(jī)后和燃油混合加熱，而后高溫高壓氣體向后噴出，按照牛頓第三定律，飛機(jī)就可以獲得一個(gè)反推力。但這個(gè)高溫高壓氣體本身就擁有很大的能量，也就是說(shuō)，這些能量被白白浪費(fèi)掉了，但有時(shí)候?yàn)榱藱C(jī)動(dòng)性則不得不這樣做，以往的飛機(jī)，往往是渦噴就只能是渦噴模式工作，是渦扇就只能渦扇模式工作。而在飛機(jī)航行的整個(gè)過(guò)程中，往往有很多路程是不需要使用這種高油耗率的工作方式的。而在靠近戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)，為了接敵，則需要高速機(jī)動(dòng)，為了機(jī)動(dòng)空戰(zhàn)則需要跨音速飛行模式。于是變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)就是把這三種模式結(jié)合起來(lái)，合理規(guī)劃，達(dá)到了最佳的使用效果。

發(fā)動(dòng)機(jī)一般從前往后結(jié)構(gòu)以此為進(jìn)氣道——壓氣機(jī)——燃燒室——渦輪——噴口。對(duì)應(yīng)的過(guò)程是空氣吸入——空氣壓縮增壓——空氣混合燃燒——帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)——尾部噴出做功。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)則采用渦輪風(fēng)扇體制，將氣流分在三個(gè)涵道，但這三個(gè)涵道可以變換大小口徑，通過(guò)組合搭配成就最佳的工作模式，在需要經(jīng)濟(jì)巡航時(shí)，2個(gè)調(diào)節(jié)板向下調(diào)節(jié)，擋住通過(guò)燃燒室的氣流，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在螺旋槳模式，當(dāng)需要進(jìn)行跨音速機(jī)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)板1向下，而向上，組成一個(gè)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)要進(jìn)行超音速巡航時(shí)，調(diào)節(jié)板1、2均向上偏，使其成為一臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。假如發(fā)動(dòng)機(jī)使用了任務(wù)規(guī)劃體制，還可以根據(jù)不同的任務(wù)使用電腦規(guī)劃發(fā)動(dòng)機(jī)的作用方式達(dá)到最佳作戰(zhàn)效能。

這個(gè)措施看起來(lái)簡(jiǎn)單，但在工程上實(shí)現(xiàn)起來(lái)是十分難的，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高溫高壓和極高轉(zhuǎn)速的情況下，最好不要有任何的結(jié)構(gòu)變換，否則會(huì)帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的損傷導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)安全問(wèn)題，擋板的偏移也會(huì)帶來(lái)氣流的瞬時(shí)畸變，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定甚至停車。根據(jù)研制該技術(shù)的GE公司官網(wǎng)宣傳資料，使用這一技術(shù)后，在同等燃油的情況下飛機(jī)的滯空時(shí)間可以提高50%，航程增加33%，減少25%的燃油消耗率，達(dá)到60%的燃油熱吸收率。

研發(fā)歷史美國(guó)20世紀(jì)70年代，美國(guó)開(kāi)始加大力度研究軍用變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。GE公司研制了從YJ101第一代變循環(huán)驗(yàn)證機(jī)到GE21、GE33即后來(lái)的YF120，以及可控壓比發(fā)動(dòng)機(jī)等一系列變循環(huán)預(yù)研驗(yàn)證機(jī)。尤其是YF120還參加了美國(guó)第四代動(dòng)力的選型，是世界上第一種經(jīng)飛行驗(yàn)證的戰(zhàn)斗機(jī)用變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。YF120在F-22項(xiàng)目中競(jìng)爭(zhēng)失敗后，在其核心機(jī)基礎(chǔ)上衍生了常規(guī)循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)F136。

2011年，美國(guó)海軍已經(jīng)啟動(dòng)了研發(fā)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目，該發(fā)動(dòng)機(jī)將在未來(lái)裝備F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”的替代機(jī)型。

2012年11月，通用電氣（GE）和普惠公司獲得了價(jià)值超過(guò)6.8億美元的演示驗(yàn)證變循環(huán)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)合同，該合同由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)（AETD）項(xiàng)目資助，將在2013年進(jìn)行自適應(yīng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證機(jī)試車。

中國(guó)中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研制是生產(chǎn)一代、研制一代、預(yù)研一代、探索一代。據(jù)中航發(fā)動(dòng)機(jī)副總裁張健稱，中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的技術(shù)目標(biāo)時(shí)間表已經(jīng)排到了2030年。

研究意義從航空工業(yè)發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，我國(guó)證實(shí)已經(jīng)進(jìn)行變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究的意義在于，一方面意味著中國(guó)航空動(dòng)力研制的科研管理和規(guī)劃更加科學(xué)和合理，符合航空工業(yè)產(chǎn)品研制的客觀規(guī)律，更加重視基礎(chǔ)科研和預(yù)先研究，而不是等到有具體的型號(hào)需求才開(kāi)始進(jìn)行科研工作，導(dǎo)致研制周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高；另外一方面，意味著中國(guó)航空動(dòng)力的研制步伐已經(jīng)逐漸追趕上美國(guó)等西方航空強(qiáng)國(guó)，在常規(guī)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研制碩果累累的情況下積極開(kāi)展新循環(huán)方式的發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)研究，對(duì)于保持中國(guó)航空動(dòng)力工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和追趕世界最先進(jìn)水平具有相當(dāng)重大的價(jià)值。從中國(guó)空軍未來(lái)型號(hào)發(fā)展對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求來(lái)說(shuō)，類似YF120的變循環(huán)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提供更大的高空、高速推力，可以有效提升作戰(zhàn)飛機(jī)的超巡、攔射能力，同時(shí)能夠提供更經(jīng)濟(jì)的中低空、亞音速耗油率，對(duì)于提升作戰(zhàn)飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性有明顯幫助。從未來(lái)民航客機(jī)的發(fā)展來(lái)看，未來(lái)的洲際超音速客機(jī)同樣需要變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供持續(xù)超音速飛行能力，亞音速客機(jī)更是對(duì)于單位油耗相當(dāng)敏感，因?yàn)檫@關(guān)系到民航公司的運(yùn)營(yíng)成本。因而，我國(guó)從事變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的科研、軍事、商業(yè)價(jià)值非常巨大，可以有效提升我國(guó)的綜合國(guó)力和競(jìng)爭(zhēng)力。

未來(lái)發(fā)展自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)是國(guó)外正在發(fā)展的先進(jìn)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)外研究的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的方案主要有單涵道、雙涵道、串聯(lián)/并聯(lián)式選擇放氣變循環(huán)等類型。目前，國(guó)外正在發(fā)展帶第三個(gè)涵道的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)（AdaptiveVariableCycleEngine,ADVENT），其技術(shù)特征是第三個(gè)涵道內(nèi)的氣流溫度較低，可用于提取更多的功率和實(shí)現(xiàn)更好的熱管理，也可減小安裝阻力，改進(jìn)進(jìn)氣道總壓恢復(fù)，降低排氣溫度，減少紅外信號(hào)。這不僅為未來(lái)軍民用飛機(jī)帶來(lái)航時(shí)、航程、速度和隱身等方面的巨大收益，同時(shí)可以滿足傳感器、武器和通信設(shè)備對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率提取的更高要求。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）預(yù)計(jì)，自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率將比F135發(fā)動(dòng)機(jī)的高25%，可以使飛機(jī)的作戰(zhàn)半徑增加25%~30%，續(xù)航時(shí)間增加30%~40%?？梢詽M足下一代戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)機(jī)、超聲速客機(jī)和高超聲速飛行器等多種軍民用飛行平臺(tái)的動(dòng)力需求，是當(dāng)前世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)