六代機先進動力技術進展研究

飛天豬主

2022年9月22日 14:24

來源：國際航空

作者：毛吉烜湯麗

六代機作為目前全球各航空強國爭相競逐的焦點，是最前沿、最先進的航空武器裝備系統的代表。自適應循環發動機是六代機的關鍵，是當前公認的與之相配套的未來動力系統，具有三涵道、自適應風扇、先進的CMC材料等技術特征。

當前，以美國為代表的航空強國正在極力地發展第六代噴氣式戰斗機及其配套的動力技術，持續推動下一代航空武器裝備發展。按照戰斗機的劃代標準，發動機技術是六代機最核心的典型特征。

戰斗機劃代概念最早見于美國《空軍》雜志2008年版的劃代方法（見表1）。美國、俄羅斯、英國、德國、法國和日本等國家都已啟動六代機的研發工作。

英國“暴風”戰斗機全尺寸模型。

法德西的FCAS全尺寸模型。

日本“次世代戰斗機”F-X概念圖。

六代機發動機先進技術淺析

六代機先進動力技術進展研究的圖5

動力是航空武器裝備發展的關鍵。可以預見的是六代機將擁有比五代機更加強勁的動力，發動機技術或將有革命性突破，其中最有潛力的是采用自適應循環發動機（ACE）技術，實現性能與油耗的完美結合。

因自適應循環發動機潛在的巨大技術優勢，美國空軍、海軍聯合GE、羅羅和普惠等公司，在通用經濟可承受性先進渦輪發動機（VAATE）研究計劃實施的初期就發起了與自適應循環發動機研制有關的連續性研究計劃——“4個A計劃”，分別是目前已經完成的自適應通用發動機技術（ADVENT）子計劃（2007—2013年）和自適應發動機技術發展（AETD）子計劃（2012—2016年），以及當前正在進行中的自適應發動機過渡項目（AETP）研究計劃（預計2016—2026年）及空中優勢自適應推進技術（ADAPT）研究計劃（具體日期不詳），逐步推動自適應循環發動機的技術發展，使之逐漸成熟。

在綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）研究計劃取得的成功經驗和部分重要成果的基礎上，美國國防部（DOD）、國家航空航天局（NASA）、能源部（DOE）和工業界又聯合制定了后繼的VAATE計劃。

通用經濟可承受性先進渦輪發動機（VAATE）研究計劃。

VAATE計劃于2003年開始部分實施，2005年開始全面實施，共分三個階段，到2017年結束。目標是通過發展、驗證和轉移先進的多用途渦輪發動機技術，以使各種現役的、在研的與未來的軍用推進和動力系統在經濟可承受性方面取得革命性改進，即到2017年計劃結束時，將渦輪發動機推進系統的經濟可承受性較2000年的最優系統基準提高10倍。為此，VAATE研究計劃聚焦于三個更加廣泛的領域，分別是通用核心機，智能發動機和可靠性。

其經濟可承受性指數（CCI）被定義為：推重比除以單位燃油消耗率再除以總成本，其中總成本包含開發、采辦及全生命周期內的維護成本，但不包含燃油費用。

自適應通用發動機技術子計劃

六代機先進動力技術進展研究的圖7

2007年，在VAATE研究計劃第一階段中，美國空軍實施了與六代機發動機研發最為密切的自適應通用發動機技術（ADVENT）子計劃，目的是為下一代軍用飛機開發出一款高效的90kN推力級別的自適應循環發動機，并將ADVENT第一階段的技術合同授予了GE和羅羅進行早期開發，主要工作包括概念探索、開發和測試關鍵部件，并開始初始設計。

2009年10月，羅羅獲得了ADVENT第二階段的技術合同，持續開展部件測試并將新開發的技術集成到一臺技術驗證發動機中。GE也獲得了美國空軍研究實驗室（AFRL）的資助繼續開發其技術驗證核心機，并在這個階段驗證了許多關鍵技術，包括CMC（陶瓷基復合材料）熱端部件、高壓縮比核心機、先進的可變壓縮比風扇以及GE下一代冷卻渦輪機。

2012年，ADVENT項目順利過渡到AETD子計劃，并在2013年以發動機驗證機地面臺架驗證而宣告結束。

ADVENT在2013年以發動機驗證機地面臺架驗證宣告結束。

自適應發動機技術發展子計劃

六代機先進動力技術進展研究的圖9

自適應發動機技術發展（AETD）子計劃是VAATE研究計劃的第二階段，即ADVENT的后續計劃，目的是促進自適應發動機部件和通用核心機技術完全成熟，為美國空軍的下一代戰斗機或轟炸機等多種作戰平臺提供動力。與ADVENT研究計劃所采用的小尺寸核心機相比，AETD研究計劃中的發動機采用了尺寸更大的核心機，此外還增加了ADVENT研究計劃中沒有的加力燃燒室和排氣系統。

2012年9月，美國空軍選中GE和普惠進行自適應發動機技術的進一步開發與驗證，AETD子計劃由此開啟。AETD項目的一項重要任務是評估在ADVENT計劃中產生的一些創新技術，如自適應三涵道風扇、第三涵道的冷卻氣流和CMC材料。該研究計劃分兩個階段進行，第一階段到2015年中期結束，完成初始發動機設計以及全環形燃燒室、高壓壓氣機和CMC部件的臺架試驗；第二階段到2016年結束，完成風扇臺架試驗和核心機整機試驗。

自適應發動機過渡項目研究計劃

六代機先進動力技術進展研究的圖10

自適應發動機過渡項目（AETP）研究計劃是AETD子計劃的后續，目的是使六代機發動機技術成熟化。該計劃始于2016年6月，預計為期10年；由美國空軍組織管理，投入經費約為20億美元，由GE和普惠承擔技術開發與驗證。AETP的目標是為六代機開發和試驗出一款200kN推力級別的自適應循環發動機原型機，相比目前的技術水平，其燃油效率要提高25%，發動機推力增大10%，并能顯著提高熱管理能力。

AETP研究計劃繼承了AETD的研究成果，有助于實現自適應循環發動機從試驗室到LCMC（全生命周期管理中心）的順利過渡，消除能夠預見到的所有技術驗證和產品研制風險，這不僅能為六代機發動機的采辦計劃鋪平道路，還能為F-35更換新發動機做好準備。

空中優勢自適應推進技術研究計劃

六代機先進動力技術進展研究的圖11

為了給AETP項目注入更多的先進技術，AFRL還開展了空中優勢自適應推進技術（ADAPT）研究計劃。

ADAPT研究計劃是以美國空軍已經開展十多年的變循環發動機技術研究為基礎，是一次螺旋式回退，基本回到當初ADVENT研究計劃的狀態，只是增加了額外的技術，特別是增加了對自適應核心機的開發與驗證。因為不論是VAATE研究計劃下的ADVENT和AETD子計劃，還是正在進行的AETP研究計劃等，都關注通過自適應風扇調節發動機低壓轉子實現多用途能力，而沒有或很少關注通過自適應核心機實現多用途能力。為此，美國政府規劃了ADAPT研究計劃，GE和普惠參與了ADAPT計劃初級階段的研究。

總之，“4個A計劃”充分繼承并發揚了VAATE研究計劃的研發成果和成功經驗，在創造、驗證、發展到再創造的過程中不斷地進行技術積累；在總結實踐的基礎上，繼往開來，開拓創新，為六代機發動機的成功研發掃除風險、鋪平道路。

“4個A計劃”充分繼承并發揚了VAATE計劃的研發成果與成功經驗。

自適應循環發動機

六代機先進動力技術進展研究的圖13

航空動力系統已經歷了兩次歷史性的變革：從螺旋槳到噴氣式發動機，從渦噴發動機到渦扇發動機。目前正在經歷著第三次變革，向著自適應循環發動機方向發展。

自適應循環發動機這一概念最早由GE和艾利遜公司于2004年首次提出，它是變循環發動機（VCE）家族中的最新一代，能夠實現更大范圍熱力循環調整和優化，具有更高的任務適應能力，是變循環發動機技術發展最重要的前沿方向，目前已被美國空軍和海軍鎖定為六代機的未來動力系統

三涵道結構

六代機先進動力技術進展研究的圖14

三涵道結構是自適應循環發動機的關鍵，為發動機實現可變循環提供途經。

現役五代機F-22或F-35用的都是固定循環的小涵道比渦扇發動機，其熱力循環特性是固定不變的，通常只有內、外兩個涵道，內涵道氣流流經發動機核心機，外涵道氣流從核心機外的旁路流通。

而三涵道的開發是在外涵道之外提供了第三股氣流，不僅可以用來增大推力，提高推進效率，還能提供冷卻氣流以增強發動機熱管理能力和為先進的定向能武器提取功率。通過對第三涵道在整個飛行包線內的自適應調節可使六代機自動實現在高功率大推力模式與高效省油模式之間迅速而平滑的過渡。此外，第三涵道還可以在六代機巡航時接收進氣道周圍溢出的過量空氣，改善氣流利用率，減小溢流阻力。

三涵道結構。

FLADE自適應風扇

六代機先進動力技術進展研究的圖16

此類發動機采用一套可調幾何裝置，能動態地改變風扇增壓比和總壓比，這兩者是影響耗油率和推力的關鍵因素，其中最有特點的是被稱為FLADE（fan-on-blade）的部件，意為葉尖風扇葉片，是在常規風扇葉片尖端再增加一截風扇葉片，這是發動機自適應調節的手段之一。

FLADE結構。

自適應循環發動機的關鍵技術在于可調流量，而可調流量的工程實現又引申出兩個次級問題，即流量調節與空氣壓縮。通過可調導流葉片，流量調節不是太難做到，但空氣壓縮就不那么簡單了。在不改變渦輪發動機基本結構的情況下，FLADE一般安裝在風扇環形葉冠上，葉冠也起到了隔離FLADE涵道與風扇外涵道的作用。

自適應風扇共兩級，FLADE在第二級，從正面看，第一級風扇盤面是一個完整的圓盤，覆蓋外涵道和內涵道，FLADE級盤面則被葉冠分割成與第一級風扇相同的圓盤和在第三外涵道里的外圈環面；從側面看，第一級風扇在發動機最前端入口處，FLADE在其后，但“刺穿”第三涵道的內壁，探入第外三涵道之中，如圖9所示。

GE專利中描述的第三外涵道與FLADE風扇。

值得一提的是，在FLADE葉片的前后，各有一圈可調導流葉片，用于調節第三外涵道旁通空氣流量，這是由于FLADE葉片的轉速不是獨立可調的，其葉片弦長和彎度也是固定的，只有在前后協調調節，才能保證FLADE葉片正常運轉。

先進的CMC材料

六代機先進動力技術進展研究的圖19

航空發動機熱端部件的工作條件極其嚴苛，工作溫度越來越高，早已超過現有高溫合金的熔點，靠冷卻技術也難以進一步提高發動機的工作溫度。陶瓷的耐高溫能力超過高溫合金，但陶瓷的脆性和容易在溫度劇烈變化時碎裂的問題長期以來困擾著陶瓷材料工程師。先進的陶瓷基復合材料（CMC材料）是把陶瓷纖維（也可以用碳纖維）和陶瓷基體整合成一體，不僅保留了陶瓷耐高溫的特性，同時還具有很高的機械強度和抗熱裂性，且重量只有鎳基合金的三分之一，在尖端應用中嶄露頭角，成為自適應循環發動機的亮點之一。

在ADVENT子計劃中，曾采用了CMC低壓渦輪和高壓渦輪前緣，而AETD子計劃又進一步擴大了CMC材料的應用，為大幅度提高發動機熱工性能提供了空間，使得2015年GE在AETD發動機地面驗證測試中打破了噴氣推進史上壓氣機和渦輪最高溫度之和的紀錄。

此外，利用增材制造技術以及先進的自適應控制系統，完善的集成電力和熱力管理能力還將賦予六代機具備更多的傳感器/數據融合、電子對抗和使用定向能武器的能力，最終實現自適應循環發動機研究計劃的目標，即與五代機發動機相比，六代機發動機的推力增大10%，耗油率降低25%，這將使六代機亞聲速巡航航程延長30%，續航時間延長70%；超聲速巡航航程延長40%，續航時間延長80%。